ПОЛИМЕРНЫЙ ИЗОЛЯТОР С КОНТРОЛЕМ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
POLYMER INSULATOR WITH MONITORING OF INSULATION CONDITION

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и касается опорных, штыревых и подвесных полимерных изоляторов для высоковольтных подстанций и линий электропередачи.
Предшествующий уровень техники
Такие полимерные 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 по Патенту РФ №2173902, H01B 17/14 в виде опорного полимерного изолятора, содержащего стержень из электроизоляционного материла, например из стекложгута, пропитанного термореактивным компаундом, а также трекингостойкую оболочку и металлические фланцы.
Недостатком указанной конструкции является отсутствие доступных методов оперативного контроля состояния внутренней структуры изолятора, в особенности при воздействии высокого напряжения.
Известна конструкция подвесного изолятора, содержащая стеклопластиковый стержень, а также трекингостойкую оболочку и металлическую арматуру [ГОСТ 28856-90 Изоляторы линейные подвесные стержневые полимерные. Общие технические условия.].
Недостатком указанной конструкции также является отсутствие доступных методов оперативного контроля состояния внутренней структуры изолятора, причем известны случаи замены полимерных изоляторов на целых линиях электропередачи из-за невозможности найти и идентифицировать один пробитый и потерявший электрическую прочность изолятор.
Цели изобретения
Предлагаемым изобретением решается задача создания изоляции для крепления элементов высоковольтной ошиновки в распределительных устройствах станций и подстанций, проводов воздушных линий электропередачи, создания междуфазных распорок и т.п. Одновременно решается задача повышения надежности энергоснабжения, что связано с высокой приспособленностью изоляторов для контроля внутреннего состояния в процессе эксплуатации, позволяющей своевременно обнаруживать и устранять существующие и возникающие дефекты полимерной изоляции.
Описание
Для решения поставленной задачи, согласно предполагаемому изобретению, используется полимерный изолятор, содержащий несущее электроизоляционное тело изолятора, металлическую арматуру, установленную на обоих торцах изолятора, а также дополнительно контрольный элемент между несущим электроизоляционным телом изолятора и металлическим фланцем. Контрольный элемент выполнен из электроизоляционного закаленного стекла. Элемент из закаленного стекла при нарушении целостности в случае пробоя полностью разрушается. Разрушенный стеклянный элемент сигнализирует о выходе полимерного изолятора из строя и нарушении его изоляционных свойств. Контрольный элемент до разрушения обладает электроизоляционными свойствами, а также развитой поверхностью и юбкой, формирующей воздушный промежуток. Электрическая прочность контрольного элемента меньше, чем электрическая прочность расстояния между местами приложения к нему потенциалов по воздуху, меньше, чем электрическая прочность его воздушного промежутка. Таким образом, при выходе из строя изоляционного тела фазное напряжение линии электропередачи или мгновенное в случае перенапряжений в линии становится приложенным к контрольному элементу. Контрольный элемент имеет достаточный вылет ребер юбки для того, чтобы воздушный промежуток имел более высокую прочность, чем электрическая прочность изоляционного тела, выполненного из закаленного стекла. Толщина стенки из изоляционного стекла выбрана таким образом, чтобы электрическая прочность ее была меньше электрической прочности воздушного промежутка вокруг юбки контрольного элемента. Пробой контрольного элемента с разрушением происходит при более низком напряжении, чем перекрытие его по воздуху.
Заявителям неизвестен полимерный изолятор, содержащий несущее тело изолятора, металлическую арматуру, установленную на обоих торцах изолятора, и контрольный элемент из закаленного стекла между изоляционным телом и фланцем, обладающий вышеперечисленными свойствами.
Описание работы изолятора
Полимерный изолятор работает следующим образом.
Контрольный элемент при изготовлении изолятора установлен между металлическим оконцевателем изолятора и электроизоляционным телом неразъемно. При нормальной работе изолятора контрольный элемент также выполняет небольшую электроизолирующую роль. Значение напряжения пробоя всего изолятора вместе с контрольным элементом значительно больше, чем значение напряжения перекрытия изолятора по воздуху.
Падение напряженности электрического поля на контрольном элементе максимально, так как он установлен первым от оконцевателя. В нормальном состоянии при рабочем состоянии изоляционного тела полимерного изолятора величина падения напряжения на контрольном элементе будет недостаточной для его пробоя и разрушения. В случае ухудшения электроизоляционных свойств несущего изоляционного тела полимерного изолятора на контрольном элементе значение падения напряженности электрического поля будет увеличиваться. При достижении значения падения напряжения на контрольном элементе больше внутренней электрической прочности контрольный элемент разрушается, сигнализируя о выходе из строя изолятора. В конструкцию всех изоляторов заложен принцип того, что воздушный промежуток любого участка изолятора имеет меньшую электрическую прочность, чем соответствующий участок тела изолятора. Контрольный же элемент напротив имеет электрическую прочность меньше, чем воздушный промежуток вокруг него. В результате такой композиционный изолятор при постепенном разрушении 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 контрольные элементы будут разрушены, сигнализируя о произошедшем перекрытии изоляторов. При этом сами изоляторы будут полностью работоспособными и линия электропередачи может эксплуатироваться далее. Разрушенный контрольный элемент не уменьшает электрическую прочность изолятора. Механическая прочность изолятора с разрушенным контрольным элементом должна быть не ниже нормированной.
Реализация изобретения и пример работы изолятора с контролем внутренней изоляции
На предприятии-заявителе были изготовлены партии полимерных изоляторов на напряжение 35кВ, 110 кВ, 220кВ опорного и подвесного исполнения с контрольными элементами из закаленного электротехнического стекла. Контрольные элементы были изготовлены специально таким образом, чтобы напряжение перекрытия их было меньше напряжения внутреннего пробоя. Контрольный элемент сконструирован таким образом, что при разрушении остаток сохраняет прочность на уровне 70-75% от первоначальной. Механическая прочность контрольного элемента для подвесных изоляторов выбиралась изначально больше на 30-35% нормированного, для того, чтобы после разрушения она соответствовала нормированному.
Первую партию изоляторов 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 контрольного элемента на мелкие осколки. При отсутствии перекрытия разрушения не происходило. Подвесные изоляторы после разрушения контрольного элемента подвергали воздействию растягивающей механической нагрузки на нормированное тяжение 70 кН. Во всех случаях изоляторы механические испытания выдержали, падения провода не отмечено. Опорные изоляторы подвергали механическим испытаниям на кручение и горизонтальное отклонение. Во всех случаях изоляторы испытание выдержали.
Вторую партию изоляторов 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 1/4 часть изолятора, далее 1/3 часть изолятора, далее 1/2 часть изолятора, далее 2/3 части изолятора и 3/4 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 половины длины изоляционного тела. Изоляторы после отключения напряжения остались работоспособными. Механические испытания проводились, как в первой партии.
Результаты испытаний полимерных изоляторов подтверждают возможность их применения в электроэнергетике и предприятиях.
Заявляемый полимерный изолятор может найти применение для изоляции и крепления элементов высоковольтной ошиновки в распределительных устройствах станций и подстанций, проводов воздушных линий электропередачи, а также в качестве междуфазных распорок и т.п. Применение таких изоляторов позволит увеличить надежность энергоснабжения потребителей электроэнергии.
Конструкция устройства поясняется чертежами
Сущность изобретения поясняется Фиг.1, 2.
На Фиг.1 изображен подвесной полимерный изолятор, включающий несущее изоляционное тело 1, металлическую арматуру 2 и контрольный элемент 3. На фиг.1 также отмечен воздушный промежуток для контрольного элемента из закаленного стекла 4.
На Фиг.2 изображен опорный стержневой полимерный изолятор, включающий несущее изоляционное тело 1, металлическую арматуру 2 и контрольный элемент 3. На фиг.2 также отмечен воздушный промежуток для контрольного элемента из закаленного стекла 4.
Фланцы и оконцеватели, а также форма и конструкция изоляционного тела могут иметь отличный вид от изображенных на чертежах, что не изменяет существа предлагаемого изолятора.