ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР ДЛЯ НАРУЖНОЙ УСТАНОВКИ
HIGH-VOLTAGE BUSHING INSULATOR FOR OUTDOOR INSTALLATION

Изобретение относится к области высоковольтной технологии и касается высоковольтного проходного изолятора для наружной установки, содержащего проводник, проходящий вдоль оси, сердечник и электрически изолированный полимерный корпус для защиты от атмосферных воздействий, отформованный на сердечнике. Сердечник содержит электрически изолирующую ленту, которая намотана по спирали вокруг проводника, конденсаторные вводы, расположенные между соседними витками ленты, и отверждаемое полимерное изолирующее связующее, пропитывающее намотанную ленту и конденсаторные вводы. Такой проходной изолятор применяется в высоковольтной технологии, в частности в распределительных устройствах или в высоковольтных устройствах, таких как генераторы или трансформаторы, для напряжений до нескольких сотен киловольт, обычно от 24 до 800 кВ.
Высоковольтный проходной изолятор для наружной установки - это деталь, которая обычно применяется для передачи тока высокого напряжения к высоковольтной наружной линии от герметизированного рабочего элемента высоковольтного устройства, такого как трансформатор или выключатель, через заземленную стенку, как, например, бак трансформатора или корпус выключателя. Для уменьшения электрического поля проходной изолятор для наружной установки содержит сердечник, который способствует регулированию электрического напряжения посредством незаземленных конденсаторных вводов, которые внедрены в сердечник. Сердечник уменьшает градиент поля, а также способствует однородному распределению поля по длине изолятора.
Сердечник конденсаторного проходного изолятора обычно наматывается из прочной оберточной бумаги (так называемой крафт-бумаги) или крепированной крафт-бумаги в качестве прокладки. Конденсаторные вводы изготавливаются или в виде металлических (обычно алюминиевых) листов, или из неметаллических (обычно черной, графитовой пасты) материалов. Вводы расположены коаксиально таким образом, чтобы обеспечить оптимальное соотношение между внешним поверхностным разрядом и внутренней пробивной прочностью. Прокладка бумаги обеспечивает определенное положение вводов и механическую прочность сердечника. Сердечник конденсаторного проходного изолятора пропитан смолой (RIP - бумага, пропитанная смолой). Затем смола впитывается во время нагрева и вакуумной обработки сердечника. Такой RIP проходной изолятор для наружной установки имеет преимущество, состоящее в его сухости (отсутствии масла).
Проходной изолятор для наружной установки содержит наружную часть с диэлектриком, изготовленным либо из фарфора, либо из полимерного материала, устойчивого к атмосферным воздействиям, обычно на основе силикона или эпоксидной смолы, имеющую ребра, которые обеспечивают необходимое расстояние утечки по поверхности для противостояния напряжениям при всех рабочих условиях. В качестве материала диэлектрика традиционно применяется фарфор, однако имеет место постоянно возрастающая потребность в полимерной изоляции. Потребность в полимерной изоляции, главным образом, основана на том факте, что полимерные диэлектрики имеют дополнительное преимущество гидрофобности (водоотталкивания), что приводит к свойству самоочистки и что, таким образом, продлевает срок их службы и значительно снижает дополнительные расходы на техническое обслуживание. Более того, присущее силикону свойство гидрофобности помогает разрушать водные пленки и создавать отдельные капельки, которые уменьшают токи утечки, предотвращают пробой диэлектрика и повышают способность к противостоянию напряжению в условиях влажности и высокой загрязненности, которые типичны для прибрежной или сильно загрязненной среды. Кроме того, проходной изолятор с полимерной изоляцией обладает легким весом и устойчив против вандализма и землетрясений. Помимо этого проходной изолятор защищен от взрывов. Таким образом, распространение жесткого изолирующего корпуса, в частности фарфорового изолятора, и повреждение вспомогательного оборудования, по большей части, исключено.
Предыдущий уровень техники
Высоковольтный проходной изолятор с проводником, продолжающимся вдоль оси, сердечником, коаксиально окружающим проводник, и с электрически изолирующим полимерным корпусом, защищающим от атмосферных воздействий, описан в EP 1284483 A1. Корпус, защищающий от атмосферных воздействий, изготовлен из силикона и отлит непосредственно на внешней поверхности сердечника и продолжается к части поверхности проводника, которая не закрыта от сердечника. Колпачок проходного изолятора, который защищает высоковольтную сторону от атмосферы, становится больше не нужен, и проходной изолятор, таким образом, может быть изготовлен с меньшими затратами. Однако оказалось, что непосредственно отлитые проходные изоляторы для наружной установки создают значительные проблемы во время хранения и работы. В частности, во время длительных периодов хранения и работы коэффициент рассеяния тангенс δ значительно увеличился.
Дальнейшие высоковольтные проходные изоляторы, которые соответственно содержат проводник, продолжающийся вдоль оси, и сердечник, коаксиально окружающий проводник, раскрыты в EP 1622173 A1, EP 1798740 A1 и WO 2006/131011 A1. Эти проходные изоляторы соответственно содержат композитный диэлектрик в качестве предварительно изготовленного жесткого корпуса, защищающего от атмосферных воздействий. Сердечник расположен в жестком корпусе, и проводник закрыт при помощи колпачка и установочного фланца.
Производство сердечника содержит этапы намотки изоляционной ленты на проводник, установку конденсаторных вводов между последующими слоями ленты во время намотки, помещения намотанной ленты в пресс-форму, создание вакуума в пресс-форме и пропитки намотанной ленты с изоляционным материалом, состоящим из полимера, который заполнен неорганическим наполнительным порошком. После этого производится отверждение пропитанной ленты. Полученный в результате сердечник охлаждается и при необходимости подвергается механической обработке. Для ускорения этапа пропитки, по меньшей мере, один из слоев ленты (EP 1622173 A1) и/или один из конденсаторных вводов (EP 1798740 A1) содержит отверстия, и/или лента содержит частицы неорганического наполнителя, которыми предварительно наполняют ленту перед выполнением процесса пропитки ненаполненным полимером (WO 2006/131011 A19).
Такие высоковольтные проходные изоляторы для наружной установки дороги, поскольку композитные диэлектрики должны быть изготовлены отдельно и требуют наличия колпачка проходного изолятора. Кроме того, для заполнения зазоров и пор внутри корпусов проходных изоляторов и для предотвращения электрических разрядов и отказов в проходных изоляторах необходим электрически изолирующий материал.
Из WO 2005/006355 A and GB 537268 A известны высоковольтные проходные изоляторы наружной установки с сердечником из гигроскопичного материала, соответственно поглощающего влагу. В этих проходных изоляторах поглощение влаги в сердечнике предотвращается при помощи диффузионного барьера, который контактирует с поверхностью сердечника и который содержит пленку, имеющую низкую водопроницаемость, соответствующую твердой влагонепроницаемой оболочке.
Описание изобретения
Задача изобретения - создать высоковольтный проходной изолятор для наружной установки, который может быть изготовлен легким и экономичным способом и который, в то же время, отличается длительным сроком хранения и сроком службы и высокой надежностью при работе даже в суровых погодных условиях.
Высоковольтный проходной изолятор по изобретению содержит диффузионный барьер для влаги, который включен внутрь сердечника перед отливкой полимерного корпуса, защищающего от атмосферных воздействий. Такой проходной изолятор отличается превосходной стабильностью при хранении и работе в условиях высокой температуры и влажности. Это имеет место благодаря тому, что диффузионный барьер для влаги удерживает ее от проникновения глубоко внутрь сердечника. В противном случае, влага, после того как проходит через полимерный корпус, защищающий от атмосферных воздействий, посредством диффузии, может проникать глубоко в сердечник и может затем сильно влиять на электрические свойства проходного изолятора, в частности на коэффициент рассеяния.
В предпочтительном варианте воплощения проходного изолятора по изобретению диффузионный барьер для влаги содержит, по меньшей мере, часть изоляционной связующей среды, которая заполнена неорганическим наполнительным порошком. Частицы наполнительного порошка значительно уменьшают коэффициент диффузии сердечника, поскольку частицы наполнителя неорганического наполнительного порошка уменьшают эффективную длину диффузионного пробега молекул воды. Таким образом, влага надежно удерживается от проникновения в сердечник простым способом. Проходной изолятор может быть изготовлен легко, и в то же время, могут быть значительно продлены срок хранения и срок эксплуатации проходного изолятора даже во влажных и жарких условиях.
Чтобы получить эффективный барьер против проникновения воды, рекомендуется значительно заполнить полимер частицами неорганического наполнителя. Проходной изолятор со сравнительно длительными сроками хранения и эксплуатации в умеренных погодных условиях получается, когда наполнитель состоит, по меньшей мере, на 20%, а предпочтительно, на 30% по объему от связующего материала перед отверждением. Проходной изолятор с длительными сроками хранения и эксплуатации в суровых погодных условиях реализуется, когда наполнитель содержит от 40% до 50% по объему связующего материала перед отверждением.
Чтобы получить плотный и, следовательно, эффективный диффузионный барьер для влаги, наполнительный порошок имеет две фракции частиц с различными средними размерами, из которых частицы первой фракции имеют больший средний диаметр, чем частицы второй фракции, и расположены в виде плотной упаковки, а частицы второй фракции заполняют промежутки между частицами первой фракции. Плотное заполнение достигается, если средний диаметр частиц во второй фракции составляет от около 10 до около 50% от среднего диаметра частиц в первой фракции и если количество второй фракции составляет от около 5 до около 30% по объему от количества первой фракции. Плотность, а следовательно, эффективность диффузионного барьера для влаги может быть дополнительно улучшена, если присутствует дополнительная фракция сферических частиц наполнителя, чей средний диаметр составляет от около 10 до около 50% от диаметра частиц второй фракции.
Водяной пар, проникший через полимерный корпус, защищающий от атмосферных воздействий, посредством диффузии в значительной степени удерживается от проникновения в сердечник, если диффузионный барьер для влаги содержит слой, который вызывает стойкую адгезию между сердечником и корпусом, защищающим от атмосферных воздействий. Рекомендуется делать такой слой в форме стимулятора адгезии на основе адгезионного полимера, содержащего материал, ограничивающий диффузию.
Проводник обычно выполняется в виде стержня, трубы или проволоки.
Лента обычно наматывается в виде спирали, образуя, таким образом, множество соседних слоев, и изготавливается из волокон, в виде бумаги или сети. Соответствующие волокна являются органическими или неорганическими. Органические волокна обычно включают в себя натуральные волокна, такие как целлюлоза, полимерные волокна на основе термического твердения, такие как полиэстер, или на основе термопластичности, такие как арамид (NOMEX ), полиамид, полиодефин, например РЕ, полибензимидазол (PBI), полибензобизоксазол (PBO), полипропилен сульфид (PPS), меламин и полиимид. Неорганические волокна обычно включают в себя стекло, лаву, базальт и глинозем. Бумага предпочтительно представляет собой крепированную бумагу или бумагу, содержащую отверстия. Затем связующий материал может быть очень быстро и равномерно распределен в сердечнике. Быстрое и равномерное распределение связующего материала может быть достигнуто также, когда лента содержит частицы наполнительного порошка, которым предварительно заполнена лента или изоляционная связующая среда перед пропиткой намотанной ленты неотвержденным полимером.
Конденсаторные вводы устанавливаются в сердечник после определенного количества витков таким образом, что располагаются на определенном радиальном расстоянии от оси. Конденсаторные вводы могут перемежаться отверстиями, которые облегчают и ускоряют проникновение связующего материала в намотанную ленту.
Значительно облегчает и ускоряет проникновение связующего материала в намотанную ленту комбинация прокладки и конденсаторных вводов.
2
2
3
2
2
3
4
4
Полимер может представлять собой смолу на основе силикона, эпоксидной смолы, в частности гидрофобной эпоксидной смолы, ненасыщенного полиэстера, винилэстера, полиуретана или фенола. Предпочтительно, частицы наполнителя представляют собой диэлектрик или полупроводник. Частицами наполнителя могут быть частицы SiO, AlO,BN, Al, BeO, TiB, TiO, SiC, SiN, BC, ZnO или подобные, или их смеси. Также возможно иметь смесь различных частиц в полимере.
Дополнительные преимущества и применения изобретения представлены на чертеже и в части описания, которая следует.
Краткое описание чертежа
На фигуре показан вариант осуществления высоковольтного проходного изолятора для наружной установки в соответствии с изобретением с осевым частичным разрезом справа.
Ссылочные позиции, использованные на фигуре, и их обозначения сведены в список ссылочных позиций. В общем случае, подобным или функционально подобным деталям присвоены одинаковые позиции. Описанный вариант воплощения подразумевается в качестве примера и не ограничивает изобретение.
Осуществление изобретения
Проходной изолятор, показанный на фигуре, практически симметричен относительно оси симметрии 1. В центре проходного изолятора расположен удлиненный опорный проводник 2, который выполнен в виде монолитного металлического стержня или металлической трубы. Металлический стержень является электрическим проводником, который соединяет активную часть герметичного прибора, например трансформатора или переключателя, с наружным компонентом, например линией электропередачи. Если опорный корпус 2 выполнен в виде металлической трубы, эта труба также может быть использована в качестве электрического проводника, но может также быть связана с концом кабеля, который входит снизу в трубу, и проводник которого электрически соединен с корпусом 2. Проводник 2 частично окружен сердечником 3, который также симметричен относительно оси симметрии 1. Сердечник 3 содержит изоляционную ленту 4 (показана справа фигуры), которая намотана вокруг проводника 2 и которая пропитана отверждаемым связующим материалом на основе полимера, заполненным неорганическим наполнительным порошком. Наполнительный порошок содержит приблизительно 45% к объему связующего материала перед отверждением. Конденсаторные вводы 5 (показаны справа фигуры) расположены между соседними витками ленты 4. Снаружи сердечника 3 имеется опорный фланец 6, который позволяет крепить проходной изолятор к заземленному кожуху герметичного устройства. В рабочих условиях проводник 2 будет находиться под высоким потенциалом, а сердечник 3 обеспечивает электрическую изоляцию между проводником 2 и фланцем 6. С той стороны проходного изолятора, которая обычно расположена снаружи заземленного кожуха, сердечник 3 окружает электрически изолирующий корпус 7 для защиты от атмосферных воздействий. Электрически изолирующий корпус 7 изготовлен из полимера на основе силикона или водоотталкивающей эпоксидной смолы. Корпус 7 содержит ребра и расположен на сердечнике 3 таким образом, что он расположен от верха опорного фланца 6 вдоль прилегающей внешней поверхности сердечника 3 к верхнему концу 8 корпуса 2. Связующий слой, который нанесен на покрытые поверхности деталей 2, 3 и 6, улучшает адгезию корпуса 7. Корпус 7 защищает сердечник 3 от старения, вызванного радиацией (УФ) и атмосферными воздействиями, и обеспечивает хорошие изолирующие свойства во время всего срока службы проходного изолятора. Форма ребер выполнена таким образом, что они имеют поверхность, самоочищающуюся во время попадания дождя. Это позволяет избежать скапливания пыли или загрязнений на поверхности ребер, которое может влиять на изолирующие свойства и приводить к электрическому разряду вокруг поверхности изолятора.
Лента 4 выполнена в виде сети на основе полиэстера. Связующий материал содержит в качестве полимера эпоксидную смолу, которая отверждена ангидридом, а в качестве наполнителя применен порошок кварцевого стекла. Размеры частиц порошка составляет до 64 мкм и три фракции со средними размерами частиц в 2, 12 и 40 мкм соответственно.
Проходной изолятор в соответствии с фигурой и эталонный проходной изолятор хранились в водопроводной воде при температуре 25±3°C. Оба проходных изолятора были полностью погружены в водопроводную воду. Эталонный проходной изолятор отличался от проходного изолятора по изобретению материалом ленты и связующей среды. Лента эталонного проходного изолятора была изготовлена из гофрированной бумаги. Связующая среда эталонного проходного изолятора имела тот же самый полимерный материал, что и связующая среда проходного изолятора по изобретению, но без наполнительного порошка. Время от времени проходные изоляторы доставали из воды, обдували сжатым воздухом и сушили на воздухе в течение 2 или 3 часов. После этого измерялся коэффициент рассеяния у обоих проходных изоляторов в соответствии с IEC 60137 на частоте 50 Гц.
Результаты измерений представлены в таблице ниже.
Срок хранения [часы]
Тангенс дельта (коэф. рассеяния) эталонного проходного изолятора [%]
Тангенс дельта (коэф. рассеяния) проходного изолятора по изобретению [%]
0
0,38
0,11
65
6,26
0,14
110
12,92
0,14
227
17,75
0,14
387
43,16
0,48
573
30,85
0,44
691
45,48
0,49
923
48,21
0,52
1183
54,52
0,50
1848
76,42
0,56
2489
119,60
0,53
Таблица показывает, что проходной изолятор по изобретению даже после хранения в течение более ста дней в суровых условиях имел коэффициент рассеяния менее 1%. Кроме того, коэффициент рассеяния достигал столь малой величины уже после нескольких недель и оставался практически постоянным с этого времени. С другой стороны, коэффициент рассеяния эталонного проходного изолятора после нескольких недель достигал величины, которая в 100 раз выше, чем соответствующая величина у проходного изолятора по изобретению, и которая продолжала значительно увеличиваться с течением времени.
Таким образом, связующий материал сердечника проходного изолятора по изобретению действует как барьер для диффузии влаги, который в значительной степени ограничивает диффузию молекул воды внутрь сердечника и который обеспечивает то, что коэффициент рассеяния проходного изолятора по изобретению остается в значительной степени низким даже при жестких внешних условиях.
Список ссылочных позиций
1 ось
2 проводник
3 сердечник
4 лента
5 конденсаторный ввод
6 опорный фланец
7 корпус, защищающий от атмосферных воздействий
8 верхний конец проводника 2