ИНДИКАТОР СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
INDICATOR OF HIGH-VOLTAGE INSULATION CONDITION

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и касается диагностики состояния изоляции опорных подстанционных, опорных линейных, консольных, фиксаторных, линейных и подвесных изоляторов для высоковольтных подстанций, линий электропередачи и контактной сети железной дороги.
Предшествующий уровень техники
Надежность и экономичность работы энергосистем в значительной степени определяют технический уровень и качество энергетического оборудования, применяемого на ЛЭП и подстанциях.
Одним из важнейших конструктивных элементов линий электропередачи и открытых распределительных устройств являются изоляторы. Совершенствование и модернизация конструкций изоляторов происходит на протяжении всей истории развития изоляторостроения и электроэнергетики.
-10
Сегодняшние и перспективные задачи проектировщиков изоляторов заключаются в необходимости разработки новых поколений изоляторов повышенной эксплуатационной надежности (до 1 отказов/год для подвесных изоляторов), в значительном расширении номенклатуры выпускаемых изоляторов с целью максимального удовлетворения требований заказчиков и учета разнообразных эксплуатационных условий.
Потребители изоляторов ставят перед разработчиками задачу создания специальных конструкций изоляторов для транспорта (антивандальные изоляторы, изоляторы для контактной сети электрифицированных железных дорог и т.д.) и энергетики. Но главной задачей является обеспечение надежности электроснабжения и надежности работы высоковольтной изоляции.
Изоляторы представляют собой электроизоляционные конструкции, предназначенные для крепления и изоляции токоведущих частей установок, находящихся под потенциалами. Изоляторы классифицируют по напряжению, роду установки, назначению и конструкции.
По напряжению различают изоляторы, предназначенные для эксплуатации в установках высокого и низкого напряжения. Первые, называемые высоковольтными, используются в электроустановках напряжением более 1000 В, вторые - в установках до 1000 В, в том числе и в установках связи.
По роду установки изоляторы могут быть предназначены для использования в защитных помещениях (изоляторы внутренней установки) и для наружной установки. Для наружной установки изоляторы изготавливают с нормальной или усиленной внешней изоляцией. Усиленное исполнение предусматривает увеличение длины пути утечки тока по поверхности изолятора в результате придания ей специальной формы.
По назначению изоляторы подразделяются на аппаратные и линейные. Аппаратные изоляторы служат для крепления токоведущих частей электрических аппаратов и машин.
Линейные используются для крепления и изоляции проводов линий электропередачи и контактных проводов электрифицированных железных дорог.
По конструкции аппаратные изоляторы подразделяются на опорные и проходные. Применяются также и другие конструкции: опорно-штыревые, опорно-стержневые изоляторы.
Линейные изоляторы по конструкции делятся на штыревые и подвесные.
В последнее время широкое распространение получили полимерные изоляторы. Такие изоляторы представляют собой, как правило, стеклопластиковый стержень или трубу, снабженную закрепленной на концах металлической арматурой и защитной оболочкой с ребрами. Изоляторы предназначены для изоляции и крепления элементов высоковольтной ошиновки в распределительных устройствах станций и подстанций, проводов воздушных линий электропередачи, а также используются в качестве междуфазных распорок и т.п.
Известна опорно-изоляционная конструкция в виде опорного полимерного изолятора, содержащего стержень из электроизоляционного материала, например из стекложгута, пропитанного термореактивным компаундом, а также трекингостойкую оболочку и металлические фланцы, описанная во многих патентах RU 2319242, от 10.03.2008 г., RU 2328787 от 10.07.2008 г.
Недостатком всех конструкций изоляторов является отсутствие доступных методов оперативного контроля состояния внутренней изоляции. Исключение составляют подвесные изоляторы из закаленного стекла. Внутренний пробой таких изоляторов можно достаточно легко идентифицировать по разрушению стеклянной изоляционной детали. Благодаря этому эти изоляторы получили большое распространение в электроэнергетике. Однако им присущи многие недостатки: слабая гидрофобность и трекингостойкость в сравнении с кремнийорганической резиной полимерных изоляторов, низкие влагоразрядные характеристики в сравнении с полимерной изоляцией, невозможность изготовления опорной изоляции больших габаритов для подстанций и др. Подвесные изоляторы из закаленного стекла изготавливаются тарельчатого типа для подвески в виде гирлянд на линии электропередачи. Выход одного изолятора из строя в гирлянде можно идентифицировать по разрушенной электроизоляционной детали. Однако разрушение электроизоляционной детали позволяет контролировать состояние только данного изолятора и невозможно по нему определить состояние изоляции всей гирлянды. Также невозможно определить состояние высоковольтной изоляции в случае совместного соединения такого стеклянного изолятора из закаленного стекла, например, с полимерным изолятором. Состояние изоляции полимерного изолятора невозможно определить по состоянию стеклянного изолятора, добавленного к нему в гирлянду. Вообще в настоящий момент невозможно с большой степенью уверенности определить состояние полимерного изолятора. Это является самой серьезной проблемой при применении этого типа изоляторов. Учитывая, что в настоящий момент более половины всех типов высоковольтных изоляторов, применяемых в мире, являются полимерными, невозможность ранней диагностики состояния их изоляции создает большую опасность эксплуатационной надежности электроснабжения.
Проблеме диагностики полимерной изоляции высоковольтных электрических сетей посвящается все больше научных исследований, докладов и публикаций. Это особенно актуально для линий электропередачи ввиду их большой протяженности и труднодоступности участков этих линий для любых видов контроля. Способы контроля состояния линейной изоляции описаны во многих изобретениях и патентах. В частности, в RU 2207581 от 2003.06.27 описан «Способ определения состояния линейной изоляции распределительных сетей и определения места ее повреждения». Большинство способов определения дефектных изоляторов используют сложные и дорогие методы: радиоконтроль, аудиовизуальный контроль с использованием аэроинспекции, анализ спектрального излучения гирлянды, анализ ультрафиолетового излучения и др. Такие методы описаны также в RU 2033622 С1, 23.04.1995 г., GB 1390015 А, 09.04.1975 г., DE 4135425 А1, 25.05.1992, РСТ WO 88/05543 А1, 28.07.1988. Кроме технической сложности этих методов их недостатком является также то, что состояние высоковольтной изоляции в основном ухудшается во время грозы, дождя и других погодных явлений, во время которых обследование линий электропередачи невозможно.
Известны также устройства для определения опоры и гирлянды изоляторов с поврежденной изоляцией, патент SU 1108372 А, 19.01.1983, SU 1051468 А, 15.03.1982. Известно устройство для определения перекрытых гирлянд изоляторов линии электропередачи, патент SU 885934 от 30.11.1980 г. Общим недостатком всех этих устройств является индикация перекрытия изоляторов по внешнему воздушному промежутку. В случае электрического пробоя изоляции внутри устройства не будут работать правильно и идентификация пробитого изолятора невозможна. Все устройства также указывают на свершившийся факт перекрытия воздушного промежутка изоляторов и не могут служить для ранней диагностики состояния изоляции.
Цели изобретения
Предлагаемым изобретением решается задача диагностики состояния изоляции любых изоляционных конструкций, в том числе и полимерных изоляторов, для крепления элементов высоковольтной ошиновки в распределительных устройствах станций и подстанций, проводов воздушных линий электропередачи, создания междуфазных распорок и т.п.
Целью изобретения является простое достаточно дешевое устройство для надежной диагностики состояния изоляции на ранних стадиях ухудшения ее диэлектрических свойств. Устройство также должно быть устойчиво к неблагоприятным погодным условиям, грозовым перенапряжениям, перенапряжениям во время коммутации и исключать ложные срабатывания. Индикация проблемной изоляции должна быть достаточна для обнаружения без специальных приспособлений и устройств и должна сохраняться длительное время до момента верхового или другого планового обследования линии электропередачи или изоляции подстанции. Индикатор должен позволять своевременно обнаруживать и устранять существующие и возникающие дефекты высоковольтной изоляции, заблаговременно до полной потери электроизоляционных свойств изоляции.
Описание
Для решения поставленных целей согласно предлагаемому изобретению используется индикатор, выполненный из электроизоляционного закаленного стекла. При нарушении целостности в случае пробоя индикатор полностью разрушается. Разрушенный стеклянный индикатор сигнализирует о выходе изоляции из строя и нарушении ее изоляционных свойств. Индикатор до разрушения обладает электроизоляционными свойствами, а также развитой внешней поверхностью, формирующей внешний воздушный промежуток. В отличие от обычного стеклянного изолятора внутренняя электрическая прочность индикатора меньше, чем электрическая прочность расстояния между местами приложения к нему потенциалов по воздуху, меньше, чем электрическая прочность его внешнего воздушного промежутка. Таким образом, при совместном использовании индикатора и изолятора при выходе из строя изоляции фазное напряжение линии электропередачи (токопровода) или мгновенное - в случае перенапряжений - становится приложенным к индикатору. Индикатор имеет достаточный вылет ребра для того, чтобы воздушный промежуток имел более высокую прочность, чем электрическая прочность изоляционного тела индикатора, выполненного из закаленного стекла. Толщина внутреннего изоляционного промежутка индикатора из закаленного стекла выбрана таким образом, чтобы электрическая прочность его была меньше электрической прочности внешнего воздушного промежутка вокруг ребра индикатора. Электрический пробой индикатора с разрушением происходит при более низком напряжении, чем перекрытие его по воздуху.
Заявителю неизвестен индикатор из закаленного стекла, обладающий вышеперечисленными свойствами.
Описание работы индикатора
Работа индикатора описывается на примере диагностики подвесного линейного изолятора.
Индикатор установлен как дополнительный элемент в изолирующей подвеске, состоящей из арматуры, полимерного подвесного изолятора, индикатора и арматуры, поддерживающей провод линии электропередачи. При нормальной работе индикатор также выполняет небольшую изолирующую функцию. В частности, увеличивает общую длину пути утечки изолирующей подвески, совокупности «полимерный изолятор + индикатор».
Падение напряженности электрического поля на индикаторе максимально, так как он установлен первым между проводом и изолятором. В нормальном состоянии при рабочем состоянии изоляционного тела полимерного изолятора величина падения напряжения на индикаторе будет недостаточной для его пробоя и разрушения. В случае ухудшения электроизоляционных свойств несущего изоляционного тела полимерного изолятора на индикаторе значение падения напряженности электрического поля будет увеличиваться. При достижении значения падения напряжения на индикаторе больше внутренней электрической прочности индикатор разрушается, сигнализируя о выходе из строя изолятора. В конструкцию всех изоляторов заложен следующий принцип: воздушный промежуток любого участка изолятора имеет меньшую электрическую прочность, чем соответствующий участок тела изолятора. Индикатор же напротив имеет электрическую прочность меньше, чем внешний воздушный промежуток вокруг него. В результате совокупность «полимерный изолятор + индикатор» при постепенном разрушении полимерного изолятора в определенный момент будет иметь совокупную прочность воздушного промежутка остатка полимерного изолятора и внутреннюю электрическую прочность контрольного элемента, равную мгновенному значению напряжения в линии электропередачи. В этот момент произойдет пробой контрольного элемента с его разрушением и перекрытие рабочего остатка полимерного изолятора по воздуху. Неисправный изолятор можно легко идентифицировать на линии после ее отключения в результате короткого замыкания. В случае, если остаток полимерного изолятора имеет электрическую прочность более фазного напряжения, линию электропередачи возможно эксплуатировать далее после успешного повторного включения. Так как в линии электропередачи, особенно на напряжения до 110 кВ, импульсы перенапряжения, в 2-3 раза превосходящие значение фазного напряжения, встречаются достаточно часто, следует ожидать, что большинство изоляторов после пробоя контрольного элемента и перекрытия остатка полимерного изолятора могут эксплуатироваться и далее. При плановом обследовании линии такие изоляторы будут выявлены и заменены на новые. При этом, учитывая разброс значений перекоммутации, трудно количественно определить величину первоначального разрушения полимерного изолятора. При прямом ударе молнии или грозовом перенапряжении, в десятки раз превосходящем фазное напряжение, даже абсолютно целые изоляторы будут перекрыты по воздушному промежутку между оконцевателями, а индикаторы будут разрушены, сигнализируя о произошедшем перекрытии изоляторов. При этом сами изоляторы будут полностью работоспособными и линия электропередачи может эксплуатироваться далее. Разрушенный индикатор не уменьшает электрическую прочность изолятора. Для нормальной эксплуатации изолирующей подвески индикатор должен иметь после разрушения механическую прочность не ниже необходимой для эксплуатации линии электропередачи. Это достаточно просто выполняется в случае заключения индикатора, например, в металлическую арматуру по аналогии со стеклянными тарельчатыми изоляторами, у которых после разрушения изоляционной детали механическая прочность уменьшается только на 30%.
Реализация изобретения и пример устройств, работающих на заявленном методе
На предприятии-заявителе были изготовлены партии полимерных изоляторов на напряжение 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ подвесного исполнения. Также изготовлены индикаторы из закаленного электротехнического стекла. Индикаторы были изготовлены специально таким образом, чтобы напряжение перекрытия их было меньше напряжения внутреннего пробоя. Индикатор сконструирован таким образом, что при разрушении остаток сохраняет прочность на уровне 70-75% от первоначальной. Механическая прочность индикатора для подвесных изоляторов выбиралась изначально на 30-35% больше нормированного для того, чтобы после разрушения она соответствовала нормированному значению.
Первую партию изоляторов вместе с индикаторами на все классы напряжения испытывали грозовыми импульсами в соответствии с нормативными документами (Правила устройств электроустановок). В частности, для класса напряжения 35 кВ подавался импульс положительной полярности значением 190 кВ, для класса напряжения изоляторов 110 кВ подавался импульс напряжения значением 480 кВ, для класса напряжения 220 кВ на изоляторы подавался импульс напряжения положительной полярности значением 960 кВ. Во всех случаях при перекрытии изоляторов по воздуху происходило разрушение индикатора на мелкие осколки. При отсутствии перекрытия разрушения не происходило.
1
3
4
4
Вторую партию изоляторов с индикаторами на все классы напряжения испытывали искусственным моделированием частичного разрушения полимерной изоляции. Для этого часть электроизоляционного тела полимерного изолятора заземляли оборачиванием вокруг него заземленного проводника. Сначала заземляли / часть изолятора, далее 1/3 часть изолятора, далее 1/2 часть изолятора, далее 2/3 части изолятора и / части изолятора. Таким образом, моделировалось постепенное разрушение полимерной электроизоляционной части изолятора. Испытанию подвергались изоляторы на каждом этапе. Испытание проводилось напряжением промышленной частоты значением, соответствующим для каждого класса напряжения. В частности, для класса 35 кВ - напряжением 62 кВ, на класс напряжения 110 кВ - значением 220 кВ, на класс напряжения 220 кВ - значением 420 кВ. У всех изоляторов произошло перекрытие с разрушением (пробоем) контрольного элемента при заземлении примерно половины длины изоляционного тела. Изоляторы после отключения напряжения остались работоспособными. Механические испытания проводились, как в первой партии.
Результаты испытаний полимерных изоляторов подтверждают возможность применения индикаторов для ранней диагностики состояния высоковольтной изоляции.
Заявляемый индикатор может найти применение для индикации состояния изоляции и крепления элементов высоковольтной ошиновки в распределительных устройствах станций и подстанций, проводов воздушных линий электропередачи, а также индикации состояния междуфазных распорок и т.п. Применение таких индикаторов позволит увеличить надежность энергоснабжения потребителей электроэнергии.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3, 4.
На фиг.1 изображен пример индикатора 1, установленного под опорный стержневой полимерный изолятор 3, включающего металлическую арматуру 2. На фиг.1 также отмечен воздушный промежуток для индикатора 4, а также внутренний изоляционный промежуток индикатора А. Индикатор в этом простом случае представляет собой лист закаленного стекла, электрическая прочность воздушного промежутка 4 которого больше внутренней электрической прочности промежутка А. При выходе из строя опорного изолятора, установленного наверху индикатора, к индикатору будет приложено все большее и большее напряжение, и так как электрическая внутренняя прочность индикатора меньше электрического прочности воздушного промежутка, он разрушится на мелкие осколки при достижении напряжения на нем больше величины электрической внутренней прочности. Это будет указывать на выход из строя изолятора. При этом сам изолятор может еще не до конца потерять электроизоляционные свойства. Например, индикатор может сработать во время всплеска перенапряжения во время перекоммутации, а рабочее напряжение изолятор может продолжать изолировать. Тем самым достигается ранняя диагностика.
На фиг.2 изображен индикатор 1, установленный между металлической арматурой 2. На фиг.2 также отмечен воздушный промежуток для индикатора 4, а также внутренний изоляционный промежуток А. Индикатор в этом случае представляет собой диск с закрепленными металлическими оконцевателями для крепления индикатора. Конфигурация диска из закаленного стекла такова, что электрическая прочность воздушного промежутка 4 больше электрической прочности внутренней изоляции А.
На фиг.3 изображен пример применения индикатора 1, прикрепленного к полимерному подвесному изолятору 3 с помощью оконцевателей 2. На фиг.3 обозначен воздушный промежуток для индикатора 4 и для изолятора 5. При нормальной работе электрическая прочность воздушного промежутка индикатора 4 и изолятора 5 меньше внутренней электрической прочности совокупности изолятора и индикатора. При выходе из строя изолятора внутренняя электрическая прочность индикатора меньше, чем прочность воздушного промежутка, и индикатор разрушается, сигнализируя о выходе из строя изолятора.
На фиг.4 изображен подвесной полимерный изолятор, к которому параллельно подключен индикатор состояния изоляции 1. Индикатор выполнен в виде запаянной колбы из закаленного стекла, внутри которой находятся электроды. Противоположные электроды соединены электрически. Это необходимо для выполнения условия, когда внутренняя прочность индикатора должна быть меньше электрической прочности снаружи по воздуху. В случае выхода из строя изоляции, неохваченной индикатором, все напряжение линии электропередачи будет приложено к участку изолятора, параллельно которому подключен индикатор. Так как напряжение пробоя внешнего воздушного промежутка 4 больше напряжения пробоя двух участков А, произойдет внутренний пробой по участку А и индикатор из закаленного стекла разрушится. Участок изолятора, параллельно которому был подключен индикатор, будет продолжать работать до момента обнаружения поврежденного изолятора и его плановой замены.
Оконцеватели, а также форма и конструкция изоляционного тела могут иметь вид, отличный от изображенных на чертежах, что не изменяет сущности предлагаемого индикатора.