ШТЫРЕВОЙ ИЗОЛЯТОР С КОНТРОЛЕМ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ
PIN-TYPE INSULATOR WITH MONITORING OF INTERNAL INSULATION

Область техники
Изобретение относится к электроэнергетике, а конкретно к линейным штыревым высоковольтным изоляторам, предназначенным для изолированного крепления проводов к металлическим, железобетонным и деревянным опорам на воздушных линиях электропередачи, и к штыревым опорным изоляторам в распределительных устройствах станций и подстанций на напряжение до 35 кВ переменного тока промышленной частоты 50 Гц.
Предшествующий уровень техники
Известны штыревые линейные изоляторы из высоковольтного фарфора или стекла, состоящие из одного изоляционного элемента для напряжения до 20 кВ включительно («Линейные изоляторы» А.И.Цимберов, «Энергия», М. 1976 г., с.6-8, рис.1 а-г). Известные изоляторы изготовлены в соответствии с общими техническими условиями по ГОСТ 1232-82. Согласно этому стандарту штыревые линейные изоляторы из электроизоляционного стекла подвергаются отжигу. Из отожженного стекла выпускаются все штыревые линейные изоляторы. Основным недостатком таких изоляторов является невозможность их идентификации при пробое изолятора на опоре линии электропередачи при осмотре с земли.
Известны высоковольтные изоляторы, состоящие из металлического колпака, прочно соединенного посредством цементно-песчаной связки с закаленной стеклянной деталью, и диэлектрического стержня, находящегося в жестком соединении со стеклянной деталью (SU 1529296, Кл. H01B 17/20). Недостатком данного изолятора является необходимость защиты диэлектрического полимерного стержня от атмосферных воздействий, трекинга токов утечки, частичных микроразрядов в теле полимера и др. Это значительно удорожает конструкцию изолятора, а полимерный стержень имеет очень малую электрическую емкость в сравнении со стеклянной деталью, что приводит к неравномерному распределению электрических нагрузок внутри изолятора. Кроме того, термическая стойкость такого изолятора зависит от материала и разности коэффициентов термического расширения полимера и стекла.
Наиболее близким аналогом является изолятор по патенту РФ 2113741, состоящий из металлического колпака, изоляционной детали, выполненной из закаленного стекла, и металлического штыря, жестко закрепленного в изоляционной детали. Стеклянная деталь имеет неравномерную закалку. Силовая головка изолятора закалена больше, чем юбки изолятора.
Существенным недостатком указанных изоляторов и аналога является невозможность идентифицировать потерю изолятором электроизоляционных свойств. При пробое изолятора по патенту РФ 2113741 силовая головка, закаленная для механической прочности до больших значений, чем юбки, разрушится. Но юбки могут не разрушиться и могут оставаться на изоляторе. В них могут возникнуть только внутренние трещины, незаметные на большом расстоянии. В этом случае невозможно по внешнему виду изолятора идентифицировать факт пробоя внутренней изоляции. Это затруднит быстрое обнаружение пробитого изолятора и включение линии электропередачи под напряжение.
Применение в традиционных изоляторах вместо отожженного стекла закаленного невозможно в силу того, что при разрушении закаленной стеклянной детали провод падает на траверсу или землю, пережигается, приводит к возгоранию опоры ЛЭП и создает угрозу жизни находящимся на земле людям и животным. На традиционных изоляторах провод непосредственно крепится к шейке стеклянного и фарфорового изолятора. Поэтому изолятор изготавливают из отожженного стекла, которое в случае пробоя не разрушается полностью и удерживает провод на опоре, а сам изолятор удерживается на штыре траверсы ЛЭП также благодаря не полному разрушению. Практически в изоляторе возникает микротрещина или микроотверстие в месте пробоя, а сам изолятор сохраняет механическую прочность. В случае же изготовления его из закаленного стекла при пробое неизбежно взрывоподобное разрушение и падение провода на землю или металлическую траверсу опоры.
Таким образом, с одной стороны, необходимо, чтобы штыревой изолятор при электрическом пробое разрушался полностью для быстрой его идентификации, а, с другой стороны, он должен быть механически прочным для удержания провода от падения. Это противоречие решается в настоящем изобретении.
Целью изобретения является разработка надежного недорогого изолятора с возможностью легкого обнаружения пробоя его внутренней изоляции.
Описание изобретения
Этот результат достигается за счет того, что высоковольтный изолятор содержит металлический оконцеватель (штырь, трубу) для крепления к траверсе, металлический оконцеватель для крепления провода и электроизоляционную деталь с головкой и кольцевыми ребрами. Изолятор отличается тем, что электроизоляционная деталь выполнена из электроизоляционного стекла, имеющего равномерную закалку не ниже 1,5 пор/см (более 700 ммкм/см), и соединена с металлическим колпаком и фланцем неразъемно таким образом, чтобы после разрушения стеклянной детали остаток изолятора был механически прочным. Применение в конструкции изолятора стеклянной изоляционной детали с равномерной закалкой более 700 ммкм/см позволяет быстро идентифицировать вышедший из строя изолятор. В случае внутреннего пробоя при появлении любой микротрещины равномерно закаленная стеклянная деталь разрушается полностью не только в головке, но разрушаются юбки изолятора. Электрический пробой внутренней изоляции всегда связан с протеканием электрического тока разряда от одного металлического оконцевателя к другому. Канал электрического разряда нарушает целостность изоляционной детали. В ней появляется сквозное микроотверстие от одного оконцевателя до другого. Так как вся изоляционная стеклянная деталь находится в напряженном состоянии, сквозное отверстие приводит всю систему к потере равновесия и взрывообразному разрушению всех деталей полностью. Таким образом, при нарушении целостности стеклянной детали она рассыпается на большое количество мелких осколков. Так как закалка производится до уровня более 700 ммкм/см, размер стеклянных осколков не превышает 1-2 см. При этом разрушенный остаток изолятора сохраняет механическую прочность до 70% от первоначальной прочности благодаря равномерному разрушению на правильные осколки, которые остаются зажатыми между металлическими оконцевателями. Конструкция оконцевателей такова, что нагрузки в головке изолятора при его эксплуатации только сжимающие. После разрушения электроизоляционной детали сжимающие нагрузки испытывают уже все многочисленные осколки. В результате провод, прикрепленный к одному из оконцевателей, не падает на землю, а остается прикрепленным к изолятору. Однако отсутствие юбок у изолятора позволяет быстро его найти и произвести замену. В итоге значительно сокращаются ремонтные работы, уменьшается время отключения потребителей от электроэнергии. Использование равномерно закаленной стеклянной детали со степенью закалки более 700 ммкм/см увеличивает его термическую стойкость. Традиционные изоляторы из отожженного стекла выдерживают кратковременный перепад температур не более 45°C. Изоляторы из закаленного стекла с металлическими оконцевателями имеют термическую стойкость более 80°C, при этом с возрастанием степени закалки термическая стойкость изоляторов увеличивается. Термическая стойкость для штыревых изоляторов имеет существенное значение. Штыревые линейные изоляторы применяются в основном на линиях электропередачи напряжением до 20 кВ без использования защиты от ударов молний. При ударе молнии в линию электропередачи штыревой изолятор перекрывается по воздуху, разряд молнии от провода в траверсу проходит по воздуху непосредственно около поверхности изолятора. Нагрев может также произойти в результате неравномерного загрязнения изолятора и протекания по его поверхности тока утечки. При этом быстрый нагрев участка изолятора может привести к разрушению изолятора и выходу его из строя. Разрушение происходит в основном из-за неравномерного нагрева разных частей изолятора и неравномерного температурного расширения изоляционной детали. Увеличение термической стойкости приводит к более надежной работе изолятора и в целом всей линии электропередачи.
Форма электроизоляционной детали и оконцевателей должна быть такой, чтобы после разрушения остаток стекла испытывал сжимающие нагрузки. Например, стеклянная деталь может быть выполнена в виде обратного конуса. Сопрягаемые с ней оконцеватели также выполняются в виде обратных конусов. После соединения между собой воздушный промежуток между оконцевателями и стеклодеталью может быть заполнен затвердевающей смесью (цементно-песчаной связкой, например). Заполнением промежутка затвердевающей смесью достигается неразъемность соединения оконцевателей и стеклянной закаленной детали.
Стеклянная деталь может иметь на сопрягаемых с оконцевателями сторонах выступы. После заполнения воздушного помежутка затвердевающей смесью происходит неразъемное соединение оконцевателей и стеклодетали.
Форма оконцевателей также может отличаться в зависимости от места и условий эксплуатации изолятора. В частности, при замене старых изоляторов из отожженного стекла может возникнуть потребность в монтаже изоляторов на существующие штыри траверсы. В этом случае оконцеватель изолятора для крепления на штырь траверсы выполняется в виде полой трубки, насаживающейся на этот штырь. Для установки изолятора на плоской поверхности изолятор может иметь оконцеватель в виде пластины с отверстиями для болтового соединения. Этим не исчерпывается разнообразие форм оконцевателей. Существенным для изобретения является лишь форма, сопрягаемая со стеклодеталью, позволяющая создать неразъемное соединение даже при разрушении стеклянной электроизоляционной детали.
Реализация изобретения
На предприятии - заявителе была изготовлена партия изоляторов. Изоляционная деталь была выполнена из электроизоляционного стекла с низким содержанием щелочи. После изготовления стеклянные детали прошли термическую обработку для снятия внутренних напряжений и были закалены со степенью более 900 ммкм/см (900 нм/см). Изоляционная деталь имела головку в виде обратного конуса. Верхний оконцеватель представлял собой также обратный конус из алюминия. Внутрь стеклянной детали вставлялся стальной штырь с утолщением. Соединение всех деталей производилось цементно-песчаной связкой с конечной прочностью цементного камня не менее 50 МПа.
Типы испытаний, которые выдержали предлагаемые изоляторы
1. Испытания на термостойкость: количество циклов разного нагревания и охлаждения - 3, время выдержки при нагревании и охлаждении - 15 мин, перепад температур горячей и холодной воды - 90°C, время испытания воздействием непрерывного потока искр - 1 мин. Термическая стойкость изолятора выше всех известных стеклянных изоляторов.
2. Испытание разрушающей механической силой при изгибе: нормированная механическая разрушающая сила 18-19 кН, при этом согнулся штырь траверсы.
7
3. Испытание пробивным напряжением: нормированная величина удельного объемного электрического сопротивления изоляционной среды (1-5)·10 Ом/м, фактическая величина пробивного напряжения 170-200 кВ (изоляторы не пробились). При приложении напряжения более 250 кВ произошел пробой изолятора и полное разрушение стеклянной детали для идентификации выхода из строя изолятора. При этом такие же изоляторы, изготовленные с использованием отожженной стеклодетали, давали более низкие показатели - на уровне 12-150 кВ.
4. Испытание выдерживаемым напряжением частотой 50 Гц в сухом состоянии и под дождем
- выдерживаемое напряжение частотой 50 Гц в сухом состоянии - 76 кВ;
- выдерживаемое напряжение частотой 50 Гц под дождем - 52-55 кВ;
атмосферные условия при испытании: Р=1,014·105 Па, t=20,2 С;
2
Загрязненность =9,5 г/м.
Изоляторы также выдержали испытания импульсным напряжением с крутым фронтом волны.
5. После механического разрушения стеклянной детали остаток изолятора выдержал на изгиб 18 кН, при этом так же, как и при испытаниях целых изоляторов, погнулся металлический штырь траверсы, а видимых изменений в изоляторе не обнаружено.
По результатам испытаний сделан вывод о целесообразности применения данных изоляторов на линиях электропередачи с учетом их увеличенной термостойкости, увеличенной электрической прочности и возможности быстрой идентификации выхода из строя.
Конструкция изолятора поясняется чертежами.
На всех чертежах следующие обозначения:
1 - оконцеватель для крепления провода
2 - головка электроизоляционной закаленной стеклянной детали
3 - юбка электроизоляционной закаленной стеклянной детали
4 - штырь или оконцеватель для крепления к траверсе
Провод на всех чертежах условно не показан. Провод закрепляется любым традиционным способом.
Фиг.1 - вид штыревого линейного изолятора, содержащего электроизоляционное тело 2 с юбкой 3, оконцеватель для крепления провода 1 и оконцеватель для крепления на траверсе 4, выполненный в виде металлической штыря.
Фиг.2 - вид штыревого линейного изолятора, содержащего электроизоляционное тело 2 с юбкой 3, оконцеватель для крепления провода 1 и оконцеватель для крепления на траверсе 4, выполненный в виде металлической трубки для плотной посадки на штырь траверсы.
Фиг.3 - вид штыревого опорного изолятора, содержащего электроизоляционное тело 2 с юбкой 3, оконцеватель для крепления провода 1 и оконцеватель для крепления на подставке 4.