ЛИНЕЙНЫЙ ИЗОЛЯТОР

Полезная модель относится к электроэнергетике, более конкретно, к конструкции линейных изоляторов воздушных линий распределительных электрических сетей напряжением 6-35 кВ, снабженных штыревыми линейными изоляторами и сетей напряжением 110 кВ и более, снабженных подвесными линейными изоляторами.
Известен штыревой линейный изолятор для распределительных сетей до 35 кВ, содержащий рабочую часть, выполненную из фарфора в форме колпака с развитой поверхностью, средства для его крепления на опоре и фиксации токоведущих частей (см. Пенович Е.И. Отыскание мест замыкания на землю в распределительных сетях 6-10 кВ. ML: изд. «Энергия», 1975 г., стр.20).
Рабочая часть штыревого линейного изолятора из фарфора может быть монолитной или сборной из охватывающих друг друга элементов. Колпак изолятора такого типа крепится на крюке с помощью полиэтиленового стакана, токоведущий провод фиксируется мягкой проволокой в канавке его головной части, а крюк закрепляют на деревянной или железобетонной опоре.
Известное устройство имеет недостаточную эксплуатационную надежность из-за возможности пробоя, например, в загрязненной атмосфере. Это может привести к возгоранию деревянных опор, обрыву линии и отключению сельских потребителей. Обслуживающий персонал узнает о наличии поврежденного штыревого изолятора на линии только при полном разрушении рабочей части изолятора, при возгорании или обугливании опоры в районе крюка. В случае пробоя фарфорового штыревого изолятора, закрепленного на железобетонной или металлической опоре, имеющей более низкий уровень изоляции, происходит полное замыкание на землю. Персонал узнает об этом по приборам на подстанции.
Существующие приборные методы определения дефектных изоляторов непосредственно на линии, например, с помощью мегомметров или измерительных штанг с неоновой лампой отличаются недостаточной точностью, сложностью и значительной трудоемкостью. Отсутствие эффективных. методов выявления дефектных штыревых изоляторов на линии, длина которой может достигать сотен километров, зачастую приводит к отказу от профилактических испытаний изоляции в распределительных сетях такого типа.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является подвесной линейный изолятор для распределительных сетей 110 кВ и выше, содержащий рабочую часть, выполненную из диэлектрического материала, имеющую форму тела вращения с развитой поверхностью, и арматуру для ее крепления на опоре (см. авт. свид. СССР №318063, кл. Н01В 17/00, опубл. 1971 г. - прототип).
Рабочая часть подвесного линейного изолятора выполнена из закаленного электротехнического стекла или фарфора в форме тарелки с кольцевыми ребрами различной высоты с ее нижней стороны. Сферическая головка тарелки закреплена в чугунной шапке с помощью цементирующего состава, а стальной стержень аналогично закреплен внутри головки тарелки. С помощью указанных элементов арматуры обеспечивается соединение цепочки линейных изоляторов для крепления токоведущих проводов на высоковольтных опорах ЛЭП распределительных сетей напряжением 110 кВ и выше.
К недостаткам подвесных линейных изоляторов следует отнести высокие механические нагрузки на головку изолятора, способствующие появлению в ней трещин и других дефектов, приводящих иногда к полному разрушении тарелки изолятора, Перекрытие изоляции вдоль гирлянды изоляторов может произойти также по причине появления в тарелке изолятора недопустимых термических напряжений, при длительном воздействии влаги, при образовании на поверхности тарелок угольных или соляных отложений в загрязненной атмосфере и др. Во всех случаях это приводит к снижению омического сопротивления изолятора и создает условия для его пробоя.
С указанной группой недостатков линейных изоляторов связаны и трудности выявления дефектных изоляторов, поскольку от эффективности и надежности средств для их определения в первую очередь зависит бесперебойное функционирование высоковольтных распределительных сетей. Для предотвращения аварийного отключения потребителей все линейные изоляторы на действующей ЛЭП должны подвергаться периодической проверке с целью выявления дефектных изоляторов и замены на исправные. Нарушение работоспособности подвесных линейных изоляторов при полном разрушении тарелки изолятора сравнительно легко обнаружить при прямом визуальном осмотре гирлянды изоляторов без применения специальной аппаратуры.
К сожалению, другие известные методы выявления дефектных линейных изоляторов (по измерению токов утечки, радиообнаружению частичных разрядов и др.) сопряжены с большими трудозатратами и практически малоэффективны.
Решаемой задачей полезной модели является создание промышленно применимого линейного изолятора, оснащенного сравнительно простыми средствами для контроля состояния исправных изоляторов в виде светоизлучающих сигнальных индикаторов, которые способствуют, в случае прекращения свечения, выявлению дефектных изоляторов на эксплуатируемых воздушных линиях распределительных электрических сетей при визуальном осмотре гирлянд изоляторов.
Дополнительной к указанной является задача повышения надежности линейных изоляторов путем повышения их мокроразрядного напряжения за счет маломощного подогрева и подсушивания рабочей части изолятора при функционировании указанных светоизлучающих индикаторов. Предлагаемое изменение конструкции фарфоровых и стеклянных линейных изоляторов связано с сравнительно небольшими затратами на их доработку и изготовление.
Решаемая задача достигается тем, что в линейном изоляторе, содержащем рабочую часть, выполненную из диэлектрического материала, имеющую форму тела вращения с развитой поверхностью, и средства для ее крепления на опоре, согласно полезной модели, на боковой или нижней стороне рабочей части изолятора расположен, по крайней мере, один светоизлучающий индикатор, выполненный, преимущественно, в виде газоразрядного источника света для визуальной фиксации работы изолятора, причем светоизлучающий индикатор снабжен средствами для обеспечения питания от рабочего напряжения на изоляторе.
Кроме того, газоразрядный источник света может быть выполнен в виде замкнутой полости в объеме рабочей части изолятора или в виде газоразрядной трубки в форме сферы, тора или его частей, размещенной на поверхности рабочей части, причем внутренняя полость газоразрядного источника света может быть снабжена слоем люминофора и, по крайней мере, одним электродом для инициации газового разряда.
Кроме того, светоизлучающий индикатор может быть выполнен в виде светодиода, снабженного миниатюрным блоком питания для преобразования градиента напряжения на поверхности линейного изолятора в рабочее напряжение светодиода.
Такое выполнение линейного изолятора позволяет решить поставленную задачу создания промышленно применимого линейного изолятора, оснащенного светоизлучающим сигнальным индикатором для контроля исправных изоляторов и выявления дефектных при визуальном осмотре гирлянд изоляторов на эксплуатируемых воздушных линиях распределительных электрических сетей.
Одновременно решается задача существенного повышения надежности линейных изоляторов путем повышения мокроразрядного напряжения путем их подогрева при функционировании светоизлучающих индикаторов. Мощность, выделяемая при работе индикатора, может достигать нескольких Вт и более. При этом практически сохраняется известная технология изготовления фарфоровых и стеклянных изоляторов, для которых используется предложенное техническое решение.
Выполнение светоизлучающего индикатора в виде газоразрядного источника света, расположенного на боковой или нижней стороне рабочей части изолятора, обеспечивает мало затратную визуальную фиксацию работы изолятора и эффективное выявление дефектных изоляторов на эксплуатируемых ЛЭП. При этом светоизлучающий индикатор в предложенном исполнении не нуждается в дополнительном источнике питания. В первой модификации газоразрядный источник света может быть выполнен в виде замкнутой полости в объеме рабочей части прозрачного стеклянного изолятора. Другая модификация устройства предполагает выполнение источника света в виде отдельной газоразрядной трубки кольцевой или иной формы, размещенной на нижней поверхности тарелки фарфорового или стеклянного изолятора между ее ребрами.
Для различных типов линейных изоляторов и разных условий эксплуатации указанные газоразрядные источники света могут иметь форму сферы, тора или его частей. В случае сферических газоразрядных источников света диаметром 5-10 мм их количество может соответственно варьироваться в зависимости от диаметра тарелки изолятора, что обеспечивает контроль ее целостности по всему периметру. Кольцевая газоразрядная трубка, вклеенная в нижнюю часть тарелки фарфорового изолятора, также обеспечивает полный контроль целостности изолятора. Аналогичные задачи решают несколько газоразрядных трубок в скорме, частей тора, размещенных между ребрами тарелки изолятора. Дополнительное использование слоя люминофора на внутренних поверхностях газоразрядных источников света в значительной степени увеличивают их светоотдачу и способствует решению поставленной задачи.
Здесь следует отметить, что газоразрядные трубки, используемые в предложенном устройстве в качестве газоразрядных источников света, могут быть заполнены различными газами, в том числе, с низким потенциалом ионизации при давлении менее мм. рт.ст., обеспечивающем возникновение в полости трубки различных форм тлеющего разряда. Нахождение газоразрядных источников света- в электромагнитном поле с градиентом потенциала до 100 кВ/м и выше, характерном для условий эксплуатации линейных изоляторов высоковольтных ЛЭП, обеспечивает, в том числе при отсутствии специальных электродов, объемную ионизацию газа и развитие различных форм разряда в рабочем объеме указанных элементов изолятора.
В подтверждение возможности функционирования предложенного устройства без дополнительных электродов можно также указать на известную способность светоотдачи промышленных люминесцентных источников света переменного тока, находящихся во внешнем электрическом поле вблизи источника напряжения 10-20 кВ без их подключения к питающей цепи.
Конструктивное выполнение газоразрядного источника света с использованием в его рабочей полости одного, двух или нескольких электродов, в свою очередь, обеспечивает на отдельных режимах эксплуатации линейных изоляторов более эффективное поддержание газового разряда, в том числе, за счет дополнительных видов его инициации (см., например, Актон Д., Свифт Д. Газоразрядные приборы с холодным катодом, пер. англ., М. - Л., 1965 г.).
Третий вариант устройства со светоизлучающим индикатором в виде светодиода, снабженного миниатюрным блоком питания для преобразования градиента напряжения на поверхности или в объеме рабочей части линейного изолятора в рабочее напряжение светодиода также обеспечивает решение поставленной выше задачи.
На фиг.1 представлено сечение подвесного линейного изолятора с встроенным в стеклянное тело газоразрядным источником света, на фиг.2 показан фрагмент фарфорового изолятора с вклеенной газоразрядной трубкой, на фиг.3 представлен фрагмент фарфорового изолятора с светодиодным источником света.
Линейный изолятор содержит рабочую часть, выполненную из диэлектрического материала, имеющую форму тарелки 1 с развитой нижней поверхностью в виде кольцевых ребер 2 различной высоты. Сферическая головка 3 тарелки 1 изолятора закреплена в чугунной шапке 4 с помощью цементирующего состава 5, а стальной стержень 6 аналогично закреплен внутри головки тарелки 1. С помощью указанных элементов арматуры обеспечивается соединение цепочки линейных изоляторов для крепления токоведущих проводов на высоковольтных опорах (не показаны). На нижней стороне тарелки 1 изолятора в теле второго из кольцевых ребер 2 расположен светоизлучающий индикатор в виде кольцевого газоразрядного источника света 7 для визуальной фиксации работы линейного изолятора. В данном случае газоразрядный источник света 7 может быть выполнен без электродов или с одним или двумя кольцевыми электродами в виде электропроводных покрытий (не- показаны). На фиг.1 рабочая часть подвесного линейного изолятора выполнена из закаленного электротехнического стекла для обеспечения визуального наблюдения встроенного в ребро тарелки 1 излучения газоразрядного источника света 7.
На фиг 2 представлен фрагмент фарфоровой тарелки 8, для которой газоразрядный источник света 9 выполнен в виде прозрачной кольцевой газоразрядной трубки, имеющей, например, форму тора, размещенного на нижней поверхности фарфоровой тарелки 8 между ее кольцевыми ребрами. При этом газоразрядный источник света 9 закреплен между ребрами тарелки 8 с помощью цементирующего состава 5. В обоих случаях (фиг.1 и 2) внутренняя поверхность газоразрядных источников света 7, 9 может иметь покрытие в виде слоя люминофора.
Для фарфорового изолятора 8 возможно также применение светодиодных источников света 10, закрепленных в нижней части тарелки 8 между кольцевыми ребрами с помощью цементирующего состава 5 (фиг.3). В этом случае количество источников света 10 может варьироваться в широких пределах, определяемых размерами изолятора и светодиодов. Для независимого функционирования группа светодиодов или каждый светодиод могут быть снабжены миниатюрным блоком питания 11 для преобразования градиента напряжения на поверхности линейного изолятора в рабочее напряжение светодиода 10. Блок питания 11 и светодиод 10 при этом должны быть защищены от несанкционированного пробоя при указанных градиентах напряжения на линейном изоляторе, например, с помощью электростатических экранов (не показаны).
Линейный изолятор функционирует следующим образом. -
Процесс изготовления тарелки 8 и арматуры 4, 5, 6 фарфоровых линейных изоляторов в соответствии с фиг.2 и фиг.3 остается неизменным, за исключением вспомогательной технологии производства, и монтажа на нижней части тарелки 8 кольцевых газоразрядных источников света 9 или светодиодных источников света 10. Производство указанных компонентов в настоящее время развито сравнительно широко, легко поддается переналадке и автоматизации.
Изготовление линейного изолятора в соответствии с фиг.1 связано с модернизацией участков горячего формования рабочей части 1 изолятора, включающей газоразрядные полости 7. Тем не менее ожидаемый технико-экономический эффект -от применения предложенной полезной модели может значительно превысить затраты на производство таких линейных изоляторов, особенно при учете затрат, сопутствующих случаям аварийных ситуаций на линиях, использующих традиционные изоляторы.
Готовые подвесные линейные изоляторы одного из предложенных типов собирают в гирлянду посредством чугунных шапок 4 и стальных стержней 6. Гирлянда верхним концом крепится к опоре ЛЭП, а к нижнему концу гирлянды крепится высоковольтная жила.
Число линейных изоляторов в гирлянде (от 1 до 20 шт.и более) обеспечивает необходимый уровень изоляции токоведущих проводников, при этом конструктивные элементы арматуры и тарелки изолятора рассчитываются на нагрузку, соответствующую массе жилы в пролете между опорами ЛЭП. Смонтированные на опорах ЛЭП гирлянды линейных изоляторов могут иметь различное количество изоляторов предложенного типа - от единиц до полного заполнения гирлянды. Это зависит как от положения предложенного изолятора в гирлянде, так и от других внешних факторов. Для опор, работающих в сложных географических и климатических условиях количество изоляторов, снабженных светоизлучающими индикаторами, может быть максимальным, а для менее напряженных условий - минимальным.
Для распределительной линии, находящейся в эксплуатации, в предложенных линейных изоляторах, работающих в расчетных режимах, возникает самопроизвольный тлеющий разряд, сопровождаемый свечением газового столба и бомбардируемого зарядами люминофора в газоразрядном источнике света 7, 9. Их свечение свидетельствует об исправности изоляторов и, в известной степени, о качестве изоляции всей гирлянды. Кроме того, при функционировании светоизлучающих индикаторов предложенного типа происходит существенное повышение надежности линейных изоляторов из-за повышения мокроразрядного напряжения за счет их подогреве теплом, выделяемым при работе индикатора.
Вследствие высоких статических и динамических нагрузок, а также иных причин, в тарелках 1, 8 изоляторов могут появиться трещины, приводящие к их полному разрушению и выходу изоляторов из строя. При этом происходит частичное или полное разрушение кольцевой разрядной трубки и прекращение функционирования газоразрядных источников света 7, 9. При частичной потере изоляции в гирляндах, например, при длительном воздействии влаги или образовании на поверхности тарелок 1 токопроводящих отложений в загрязненной атмосфере возникают условия для местного перекрытия отдельных изоляторов в гирлянде, приводящих, в том числе, к изменению характеристик работы светоизлучающих индикаторов, то есть к уменьшению уровня свечения индикатора.
Для стеклянных или фарфоровых линейных изоляторов 1, 8, оснащенных несколькими светодиодными источниками света 10, их функционирование обеспечивается миниатюрным блоком питания 11, преобразующим перепад напряжения между приемными электродами (не показаны) на блоке питания 11 в рабочее напряжение светодиода 10. В этом случае блок питания 11 светодиодов 10 может содержать только один делитель напряжения или более сложную схему преобразования напряжения.
Перекрытие изоляции вдоль гирлянды линейных изоляторов вследствие их разрушения, при длительном воздействии влаги или при наличии отложений в загрязненной атмосфере приводит к полному или частичному снижению уровня свечения встроенных контрольных индикаторов 7, 9, 10, что позволяет сравнительно надежно и с минимальными затратами обеспечить контроль рабочего, предаварийного или аварийного состояния ЛЭП.
Предварительные исследования на модельных объектах в условиях рабочего напряжения 10-110 Кв, проведенные на экспериментальной базе ОИВТ РАН показали целесообразность и эффективность использования предложенного технического решения в части применения методов визуального контроля состояния линейных изоляторов. Внедрение предложения позволит создать достаточно эффективную и надежную систему мониторинга состояния линейных изоляторов для обеспечения бесперебойного функционирования высоковольтных распределительных сетей различного класса.