ИЗОЛЯТОР С ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к оборудованию для осуществления электропередачи, в частности, для закрепления и изоляции проводов, деталей и узлов, находящихся под напряжением, относительно несущих конструкций, например, деталей и узлов электрических подстанций, опор линий электропередач или опор контактных сетей железных дорог и электрифицированного электротранспорта, то есть к электрическим изоляторам.
Уровень техники
Известен стержневой изолятор по патенту RU 103226, состоящий из стержня, двух оконцевателей, закрепленных на стержне, и защитной оболочки. Данная конструкция, на момент составления заявки, используется большинством производителей полимерных высоковольтных изоляторов.
Недостатком данной конструкции является то, что в случае наличия микродефектов, например, микротрещин на поверхности стержня или посторонних токопроводящих включений в материале стержня, в зонах повышенной напряженности электрического поля, которые обычно находятся в месте входа стержня внутрь оконцевателя, находящегося под напряжением, дефекты являются инициаторами частичных разрядов, которые воздействуют на материал стержня с выделением углерода. Углерод, являясь токопроводящим веществом, сам является инициатором частичных разрядов, вследствие чего происходит лавинообразное образование науглероженной токопроводящей дорожки - трека - на границе раздела стержень/защитная оболочка, который развивается в сторону противоположного оконцевателя, находящегося под другим электрическим потенциалом, например, заземленного. Когда электрическая прочность, вследствие сокращения расстояния между фронтом трека и противоположным оконцевателем, становится ниже напряжения, приложенного к изолятору, происходит пробой изолятора.
Пробитые полимерные изоляторы трудно определимы визуально с земли и поиск пробитых изоляторов занимает много времени, в течение которого электроустановка остается обесточенной и прекращается электроснабжение потребителей.
Раскрытие полезной модели
Задача настоящей полезной модели заключается в повышении надежности изолятора при сохранении возможности использования для его изготовления того же самого оборудования, которое применяется для изготовления обычных изоляторов из уровня техники.
Задача настоящей полезной модели решается с помощью изолятора, содержащего стержни, соединенные между собой с помощью экранирующего соединительного элемента, два оконцевателя, размещенные на свободных (т.е. не соединенных между собой, в частности - с концами других стержней) концах стержней, и, по меньшей мере, одну защитную оболочку, покрывающую стержни и экранирующий соединительный элемент и преимущественно, содержащую ребра. Стержни предпочтительно соединены между собой концами последовательно.
Изолятор может быть снабжен, по меньшей мере, одной птицезащитной юбкой, длина которой от защитной оболочки до края составляет не менее 30 мм. Длина птицезащитной юбки от защитной оболочки до ее края может составлять не менее 40, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 250, или 300 мм. Птицезащитная юбка предпочтительно имеет больший диаметр, чем остальные ребра изолятора при их наличии. Птицезащитная юбка преимущественно имеет диаметр не менее 100 мм и не более 500 мм, или не менее 100 мм и не более 300 мм, или не менее 150 мм и не более 300 мм, или не менее 150 мм и не более 500 мм, или не менее 200 мм и не более 300 мм, или не менее 200 мм и не более 500 мм. Кроме того, птицезащитная юбка предпочтительно может быть расположена на расстоянии от 0 до 200 мм от края защитной оболочки.
В одном из вариантов такой изолятор также может быть описан как изолятор, содержащий изоляционное тело (изоляционный элемент, изоляционная часть), состоящее из, по меньшей мере, двух стержней, соединенных между собой последовательно концами с помощью, по меньшей мере, одного экранирующего соединительного элемента и защитной оболочки (оболочек), покрывающей стержни и экранирующий элемент, два оконцевателя, размещенных на концах изоляционного тела (изоляционного элемента, изоляционной части), например, на стержнях.
В настоящем патенте термины изоляционное тело, изоляционный элемент и изоляционная часть являются синонимами и в дальнейшем могут употребляться как совместно, так и по отдельности, не меняя сути изобретения.
В другом варианте такой изолятор также может быть описан как изолятор, содержащий изоляционные тела, состоящие из стержней, покрытых защитными оболочками, и соединенные между собой последовательно концами с помощью, по меньшей мере, одного экранирующего соединительного элемента. Такой изолятор также содержит два оконцевателя, размещенных на не соединенных между собой концах изоляционных тел. То есть, - на свободных концах изоляционных тел. Оконцеватели предпочтительно размещены на стержнях, в частности, на свободных концах стержней.
Стержни преимущественно выполнены с использованием диэлектрического материала и могут быть, в числе прочих, стеклопластиковыми, например, изготовленными с применением стеклоровинга и эпоксидной и/или полиэфирной смолы.
По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть выполнен с использованием токопроводящего и/или полупроводящего материала. Кроме того, по меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может содержать токопроводящий слой, выполненный с использованием токопроводящего и/или полупроводящего материала. Токопроводящий материал может представлять собой металл и/или токопроводящий полимерный композиционный материал (например, токопроводящую резину, в частности силиконовую или углепластик, который является токопроводящим). Поскольку сам по себе полимерный материал не может быть токопроводящим, для обеспечения токопроводности в полимер добавляют токопроводящие частицы, которые не являются полимерными, и тогда материал по определению становится композиционным, поскольку полимерный материал и неполимерные токопроводящие добавки совместно образуют композицию. В частности токопроводящая резина формируется путем добавления в нетокопроводную резину углерода в больших количествах. В углепластике токопроводность также обеспечивается добавкой углерода, но в виде волокон. Полупроводящий материал может представлять собой полупроводящий полимерный композиционный материал (например, полупроводящую резину, в частности, силиконовую) и/или полупроводник (например, карбид кремния или оксид цинка). В настоящем патенте полимерными композиционными материалами называются многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью, токопроводностью, негорючестью и другими свойствами, придающими композиционному материалу необходимые эксплуатационные качества, недостижимые в случае применения полимера, не содержащего наполнителей.
Токопроводящий и/или полупроводящий материал предпочтительно имеет удельное объемное сопротивление не более 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1 000, или 5 000, или 10000, или 50000, или 100000, или 500000, или 1000000 Ом⋅см или удельное поверхностное сопротивление не более 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1000, или 5000, или 10000, или 50000, или 100000, или 500000, или 1000000 Ом (Ом на квадрат). Длина, по меньшей мере, одного экранирующего соединительного элемента преимущественно составляет не менее 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 7, или 10, или 12, или 15, или 20 см или не менее 70%, или 50%, или 40%, или 30%, или 20%, или 10%, или 7%, или 5%, или 2%, или 1% от длины стержня. Длина, по меньшей мере, одного экранирующего соединительного элемента предпочтительно имеет величину не менее 1, или 2, или 2,5, или 3, или 5, или 8, или 10 диаметральных размеров соединительного элемента.
По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть соединен, по меньшей мере, с одним стержнем с помощью клея. По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может представлять собой металлический соединительный элемент, который может быть соединен, по меньшей мере, с одним стержнем путем обжима металлическим соединительными элементом стержня. По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть выполнен в виде цилиндра или многоугольной призмы или фигуры, составленной из цилиндрических и/или призматических элементов, с отверстиями по торцам. Экранирующий соединительный элемент из технологических или конструктивных соображений может состоять из нескольких деталей. По меньшей мере, две детали, из которых состоит экранирующий соединительный элемент, могут быть соединены между собой неразъемным способом. Стержни (внутри экранирующего соединительного элемента) предпочтительно отделены друг от друга промежутком. Экранирующий соединительный элемент может содержать перемычку или перегородку, отделяющую стержни друг от друга. В частном случае, перегородки может не быть. По меньшей мере, два стержня могут быть отделены друг от друга трекингостойким или токопроводящим материалом или металлом, находящимся в промежутке между стержнями (внутри экранирующего соединительного элемента).
Отклонение от соосности соединенных одним экранирующим соединительным элементом стержней преимущественно не превышает половины суммы поперечных размеров стержней.
По меньшей мере, один стержень может быть выполнен с использованием токопроводящего материала или металла. В дополнение к нему изолятор может содержать, по меньшей мере, два стержня, выполненные с использованием диэлектрического материала. По меньшей мере, один стержень, выполненный с использованием токопроводящего материала или металла, может быть расположен между стержнями, выполненными с использованием диэлектрического материала, или на конце (концах) изолятора. По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть покрыт защитной оболочкой частично, то есть не полностью. Неполное покрытие экранирующих соединительных элементов защитной оболочкой позволяет использовать их в качестве вставки заземления для отвода тока пробоя, что повышает их надежность, а также диагностировать состояние изолятора, замеряя измерительной штангой электрический потенциал соединительного элемента, выявляя пробитые части изолятора (стержни), что также позволяет повысить их надежность. При этом нанесение защитной оболочки на часть соединительного элемента позволяет увеличить разрядные промежутки защитных оболочек на непробитых стержнях. Защитная оболочка может быть сплошной от оконцевателя до оконцевателя. Защитная оболочка может частично покрывать оконцеватели. Стержни из диэлектрического материала предпочтительно покрыты защитной оболочкой. Защитной оболочкой могут быть покрыты и стержни, выполненные с использованием токопроводящего материала или металла. Защитная оболочка предпочтительно изготовлена с использованием кремнийорганической композиции. По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть расположен в средней части изоляционного тела и/или ближе к одному из оконцевателей. Защитная оболочка преимущественно снабжена ребрами (юбками). В настоящей полезной модели термины ребро и юбка являются синонимами и представляют собой выступы на защитной оболочке изолятора, предназначенные для увеличения длины пути утечки тока и разрядного расстояния (кратчайшего расстояния по воздуху между оконцевателями изолятора) с целью повышения электрических характеристик изолятора. Ребра (юбки) могут быть кольцевыми, винтовыми, коническими и др. формы. В дальнейшем по тексту может быть использован как один из указанных терминов, так и оба, не изменяя сути полезной модели.
Техническим результатом полезной модели является одновременное повышение надежности изоляторов, а именно снижение вероятности электрического пробоя, и предотвращение замыкания птицами оконцевателей изолятора, при сохранении возможности использования для его изготовления того же самого (частично или преимущественно всего) оборудования, которое применяется для изготовления обычных изоляторов из уровня техники. Технический результат обеспечивается разделением стержня на две или более частей, соединенных между собой последовательно с помощью экранирующих соединительных элементов и предпочтительно покрытых защитной оболочкой, благодаря чему значительно снижается вероятность пробоя изолятора (то есть изолятор становится более надежным) при сохранении тех же габаритов, что и при изготовлении изолятора с одним стержнем (это позволяет использовать для изготовления то же самое оборудование, преимущественно в полном составе). Неполное покрытие экранирующих соединительных элементов защитной оболочкой позволяет использовать их в качестве вставки заземления для отвода тока пробоя, что повышает их надежность, а также диагностировать состояние изолятора, замеряя измерительной штангой электрический потенциал соединительного элемента, выявляя пробитые части изолятора (стержни), что также позволяет повысить их надежность. При этом нанесение защитной оболочки на часть соединительного элемента позволяет увеличить разрядные промежутки защитных оболочек на непробитых стержнях. При непрерывном покрытии стержней и экранирующего соединительного элемента защитной оболочкой дополнительно снижается вероятность перекрытия изолятора ввиду увеличения длины пути утечки по поверхности изоляционной оболочки, поскольку в таком случае при пробое одного из стержней (развитии трека на всю длину стержня) электрическая прочность наружной изоляции сохраняется за счет сохранения длины пути утечки защитной оболочки. Это особенно важно при эксплуатации изолятора в загрязненном и увлажненном состоянии, когда одним из основных факторов защиты от перекрытий изолятора является длина пути утечки наружной поверхности защитной оболочки. Таким образом, благодаря настоящей полезной модели повышается надежность изолятора при сохранении его технологичности и незначительном повышении себестоимости из-за стоимости экранирующего соединительного элемента и дополнения технологии одной дополнительной операции резания стержня и одной операцией соединения стержней.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также конические птицезащитные юбки, причем как стержни, так и экранирующий соединительный элемент покрыты защитной оболочкой.
На фиг. 2 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит два экранирующих соединительных элемента и три стержня, а также конические птицезащитные юбки, причем как стержни, так и экранирующий соединительный элемент покрыты защитной оболочкой.
На фиг. 3 представлено распределение напряженности электрического поля на поверхности стержней для изолятора, представленного на фиг. 1. Напряжение приложено к левому оконцевателю изолятора, правый - заземлен.
На фиг. 4 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также конические птицезащитные юбки, причем защитной оболочкой покрыты стержни и частично экранирующий соединительный элемент и оконцеватели.
На фиг. 5 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также прямые птицезащитные юбки поверх экранирующего соединительного элемента, причем как стержни, так и экранирующий соединительный элемент покрыты защитной оболочкой.
На фиг. 6 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также прямые птицезащитные юбки поверх стержней, причем защитной оболочкой покрыты стержни и частично экранирующий соединительный элемент и оконцеватели.
На фиг. 7 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также две прямые птицезащитные юбки поверх оконцевателей, причем защитной оболочкой покрыты стержни, экранирующий соединительный элемент, частично - оконцеватели. То есть, защитная оболочка является сплошной от оконцевателя до оконцевателя.
На фиг. 8 представлен изолятор в соответствии с полезной моделью, изоляционное тело которого содержит один экранирующий соединительный элемент и два стержня, а также две прямые птицезащитные юбки поверх оконцевателей и две прямые птицезащитные юбки поверх стержней рядом с экранирующим соединительным элементом, причем защитной оболочкой покрыты стержни, экранирующий соединительный элемент, частично - оконцеватели, то есть, защитная оболочка является сплошной от оконцевателя до оконцевателя.
Осуществление полезной модели
Далее полезная модель описана со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых изображены возможные варианты реализации полезной модели без исключения других возможных вариантов выполнения полезной модели. Последующее описание и чертеж не предназначены для ограничения объема охраны, который определяется формулой полезной модели, а даны с целью упрощения понимания сущности полезной модели и возможных вариантов его осуществления, которые не исчерпываются представленными на фигурах и в описании. Полезная модель далее описана по отношению к фиксаторному стержневому изолятору, но не ограничивается этим видом и может быть использовано по отношению к любым изоляторам (в т.ч. подвесным, натяжным, опорным и т.п.), где оно может быть применено. Также, приведенные на рисунках виды оконцевателей не ограничивают объем охраны. Они могут иметь различную конфигурацию в зависимости от назначения изолятора.
Описание полезной модели дано для изоляторов в горизонтальной ориентации, показанной на фигурах. Однако такое расположение не ограничивает объем охраны полезной модели и дано лишь в целях упрощения пояснения. В общем случае, определяемом формулой полезной модели, ориентация изолятора не является однозначно заданной и может меняться. В соответствии с изменением ориентации изолятора изменяется и расположение его частей относительно верха, низа и различных сторон.
На фиг. 1 показан изолятор, содержащий два размещенных последовательно стержня 1, отделенные друг от друга промежутком и соединенные между собой с помощью экранирующего соединительного элемента 2, который соединяет по одному концу двух соседних стержней 1. На тех концах стержней 1, которые не соединены между собой и являются, таким образом, свободными от соединений с другими стержнями (концами других стержней), размещены два оконцевателя 3. Стержни 1 покрыты защитной оболочкой 4 (в некоторых вариантах стержни могут частично покрываться защитной оболочкой, благодаря чему у них остается свободное место для установки оконцевателей и/или экранирующих соединительных элементов, что позволяет прочнее установить их на стержнях и, тем самым, повысить надежность изолятора). Защитная оболочка может быть снабжена птицезащитными юбками, отступающими от защитной оболочки на расстояние не менее 30 мм. В описании экранирующие соединительные элементы могут называться соединительными элементами, при этом они продолжают сохранять экранирующие свойства без дополнительного упоминания об этом, если не сказано обратное.
В описании экранирующие соединительные элементы могут называться соединительными элементами, при этом они продолжают сохранять экранирующие свойства без дополнительного упоминания об этом, если не сказано обратное. Поскольку при частичном покрытии защитной оболочкой экранирующих соединительных элементов часть их поверхности остается открытой, такие экранирующие соединительные элементы могут использоваться в качестве вставок заземления для отвода токов пробоя и/или диагностирования состояния изолятора, что повышает его надежность.
На фиг. 2 показан аналогичный изолятор, содержащий три последовательно размещенных стержня 1, отделенные друг от друга промежутками и соединенные между собой с помощью двух экранирующих соединительных элементов 2, которые соединяют по одному концу двух соседних стержней 1. На тех концах стержней 1, которые не соединены с концами других стержней и являются, таким образом, свободными от соединений с другими стержнями (концами других стержней), размещены два оконцевателя 3. Стержни 1 покрыты защитной оболочкой 4. Защитная оболочка может быть снабжена птицезащитными юбками, отступающими от защитной оболочки на расстояние не менее 30 мм. В частном случае изоляционное тело подобного изолятора может состоять из трех стержней, соединенных между собой концами с помощью двух металлических соединительных элементов, как это показано на фиг. 2.
Здесь и далее описание полезной модели и ее возможных вариантов реализации дано по отношению ко всем изоляторам, показанным на фиг. 1-2, 4-8, а также по отношению к изоляторам, содержащим большее количество стержней и экранирующих соединительных элементов (преимущественно не более 5, или 7, или 10, или 15, или 20, или 30, или 40, или 50 стержней и не более 4, или 6, или 9, или 14, или 19, или 29, или 39, или 49 соединительных элементов, соответственно). В случае длинных изоляторов, например, на напряжение 750 кВ, количество стержней, применяемых в изоляционном теле, может достигать 30 штук. В общем случае количество соединительных элементов должно быть на одну штуку меньше количества соединяемых стержней.
Отклонение от соосности соединенных одним экранирующим соединительным элементом стержней преимущественно не превышает половины суммы поперечных размеров стержней.
Стержни, экранирующие соединительные элементы и защитная оболочка вместе образуют изоляционное тело изолятора. Металлические оконцеватели, выполненные, например, из стали, чугуна, или алюминия или его сплавов, закреплены на концах изоляционного тела и предназначены для соединения с элементами электроустановки, например, с траверсой опоры линии электропередачи и проводом или элементом крепления провода.
Применение в изоляторе двух или более стержней, последовательно соединенных с помощью экранирующих соединительных элементов повышает надежность изолятора, поскольку применение нескольких стержней значительно снижает вероятность пробоя изолятора, как это поясняется далее.
Между стержнями, в частности, внутри экранирующего соединительного элемента, может быть предусмотрен промежуток, который представляет собой дополнительное препятствие для развития трека в изоляционном теле в случае малой длины экранирующих соединительных элементов, не позволяющих полностью экранировать фронт трека или в тех вариантах, когда экранирующий соединительный элемент охватывает конец стержня не со всех сторон. Для обеспечения полного экранирования фронта трека длина соединительного элемента должна быть не менее 1, или 2, или 2,5, или 3, или 5, или 8, или 10 диаметрального (поперечного) размера (который может быть внутренним или внешним) соединительного элемента - это дополнительно снизит вероятность пробоя изолятора. Кроме того, наличие промежутка и, в некоторых вариантах, перегородки, выполненной, например, из трекингостойкого или токопроводящего материала или металла и находящейся в промежутке между стержнями (внутри экранирующего соединительного элемента) не позволяет применить в условиях производства один стержень с продольным дефектом вместо нескольких стержней, в том числе из разных партий.
В случае наличия микродефектов в стержне, например, длинной микротрещины на поверхности стержня во всю его длину, в зонах повышенной напряженности электрического поля, например, около оконцевателей, на таких микродефектах происходят микроразряды (частичные разряды), которые воздействуют на стержень с выделением углерода (сжигают материал стержня) Углерод, в свою очередь, являясь проводником, инициирует новые микроразряды и, таким образом, по стержню изолятора под защитной оболочкой к противоположному концу развивается трек, представляющий собой науглероженную токопроводящую дорожку. При наличии экранирующего соединительного элемента трек доходит по стержню под экранирующим соединительным элементом до зоны, где напряженность электрического поля равна нулю или недостаточна для образования частичных разрядов на фронте трека и развитие трека прекращается.
Для обеспечения экранирования соединительный элемент преимущественно охватывает концы стержней. Длины охватываемых участков стержней предпочтительно одинаковы для обеспечения одинаковых степеней экранирования и прочностей механического крепления концов стержней. Однако в некоторых вариантах длины участков стержней, охватываемых экранирующим соединительным элементом, могут различаться при условии обеспечения достаточной прочности механического крепления более короткого охваченного концевого участка стержня. Эффект экранирования при этом будет достигаться в большей степени на том стержне, у которого охвачена (и экранирована) большая длина концевого участка стержня.
При больших диаметрах стержней и малых длинах соединительного элемента напряженность поля внутри экранирующего соединительного элемента может не снизиться до нуля или до уровня, не поддерживающего частичные разряды. В этом случае промежуток между стержнями прерывает трек, а перегородка внутри соединительного элемента дополнительно выполняет функцию экрана фронта трека по отношению к другому стержню и трек не переходит на другой стержень Применение экранирующего соединительного элемента, выполненного с использованием полупроводящего или токопроводящего материала (например, металла), предотвращает переход трека на соседний стержень внутри соединительного элемента (под ним).
Таким образом, трек проходит от оконцевателя, находящегося под напряжением, до полупроводящего или токопроводящего (например, металлического) соединительного элемента и останавливается вследствие того, что трек не может развиваться по соединительному элементу и под ним (внутри него) в силу экранирующих свойств материала, из которого он выполнен, из-за которого напряженность электрического поля под ним снижается практически до нуля. Частичные разряды на фронте трека прекращаются, также как и прекращается дальнейшее развитие трека в сторону противоположного заземленного оконцевателя. Стержни между экранирующим соединительным элементом и оконцевателями изготавливаются достаточной длины, чтобы продолжать выполнять изоляционную функцию изолятора даже при наличии трека на одном из стержней между оконцевателем и соединительным элементом или между двумя соединительными элементами. Защитная оболочка также изготавливается достаточной толщины для того, чтобы продолжать выполнять функцию наружной изоляции без ее пробоя между треком и заземленным оконцевателем.
Поскольку при достигнутом уровне техники в области производства стеклопластиковых стержней наличие дефектов, способных вызвать частичные разряды, явление достаточно редкое, кроме того, на стадии входного контроля стержни с дефектами, видимыми невооруженным глазом отбраковываются, то в случае применения двух и более стержней в изоляционном теле вероятность попадания нескольких стержней с дефектами в областях с высокой напряженностью электрического поля в один изолятор сводится практически к нулю.
1
-6
Если вероятность пробоя Р каждого из стержней из-за наличия в них дефектов равна 10, то вероятность пробоя изолятора Р, изоляционное тело которого состоит из двух последовательно соединенных стержней (желательно из разных партий (заготовок), но и для стержней из одной партии или заготовки эти вычисления имеют силу в виду разрыва стержней и дефектов на них и экранирования их соединительным элементом), вычисляется по формуле:
1
1
-6
-6
-12
Р=Р⋅Р=10⋅10=10
-6
n
Таким образом, вероятность пробоя изолятора значительно снижается даже при использовании всего двух стержней. При большем количестве стержней вероятность пробоя изолятора снижается еще больше, до величины (10), где n - количество стержней в изоляторе. Благодаря этому надежность изолятора существенно повышается и изолятор выполняет свою функцию дольше, вплоть до плановой замены, без нарушения работы линии электропередачи.
Надежность изолятора также обеспечивается оконцевателями, которые надежно прикрепляют изолятор к опоре линии электропередачи, а к изолятору провод. Кроме того, надежность изолятора обеспечивают соединительные элементы, без которых изолятор не смог бы сохранять свою целостность. Надежность изолятора обеспечивает и защитная оболочка, которая защищает элементы изолятора от климатического и загрязняющего воздействия, а также увеличивает путь тока утечки по изолятору и разрядный промежуток. По защитной оболочке трек проходить не может, поскольку оболочка выполняется из материалов, не способных к выделению углерода при сжигании, и, таким образом, является трекингостойкой.
Одновременно с надежностью все элементы изолятора обеспечивают возможность использования для его изготовления того же самого оборудования, которое применяется для изготовления обычных изоляторов из уровня техники, поскольку обычные изоляторы имеют тот же состав, за исключением того, что стержень только один, а соединительные элементы отсутствуют. Применяться может как весь комплекс оборудования, так и его часть в зависимости от свойств изоляторов, поскольку усовершенствованный изолятор имеет такие же габариты, те же элементы, причем элементы также сохраняют свои габариты.
Единственное отличие может быть только в диаметральных размерах экранирующих соединительных элементов, как это показано, например, на фиг. 1 и 2, однако экранирующие соединительные элементы в некоторых вариантах могут иметь меньшие или одинаковые со стержнями диаметральные размеры. Оборудование, применяемое производителями изоляторов, позволяет производить монтаж оконцевателей и экранирующих соединительных элементов, а также - изготовление защитной оболочки в широком диапазоне длин и диаметров. Таким образом, для изготовления защитной оболочки может использоваться то же самое оборудование, что и для обычного изолятора.
Таким образом, благодаря настоящей полезной модели повышается надежность изолятора при одновременном сохранении его технологичности и незначительном повышении себестоимости из-за стоимости экранирующего соединительного элемента и дополнения технологии одной дополнительной операцией резания стержня и одной операцией соединения стержней с помощью экранирующего соединительного элемента.
Стержни преимущественно выполнены с использованием диэлектрического материала и могут быть, в числе прочих, стеклопластиковыми, например, изготовленными с применением стеклоровинга и эпоксидной и/или полиэфирной смолы. Диэлектрические стержни, в том числе стеклопластиковые, обеспечивают механическую и электрическую прочность, необходимую для обеспечения требуемой надежности изолятора. Они также обеспечивают возможность применения того же самого оборудования, что используется для изготовления изоляторов в уровне техники.
Экранирующий соединительный элемент может быть выполнен с использованием токопроводящего материала, например, токопроводящего полимерного композиционного материала (например, токопроводящей резины, которая может представлять собой силиконовую резину, или углепластика, который является токопроводящим) и/или полупроводящего полимерного композиционного материала (например, полупроводящей резины, которая может быть силиконовой резиной) и/или может быть выполнен с использованием полупроводящего материала, например, полупроводника (например, карбида кремния или оксида цинка). Кроме того, соединительный элемент может быть выполнен с использованием такого токопроводящего материала, как металл, например, сталь, чугун, алюминий, медь, различные сплавы этих и других металлов, или быть комбинированным из каких-либо перечисленных или других материалов. Соединительный элемент может состоять из указанных или других токопроводящих материалов (например, из одного материала или их комбинации) полностью или частично, обеспечивая экранирующие свойства. Например, соединительный элемент может содержать токопроводящий слой, выполненный с использованием токопроводящего материала. Также, соединительный элемент может быть выполнен из диэлектрического материала, например, стеклопластика и содержать экранирующий слой, выполненный с применением токопроводящего или полупроводящего материала. Соединительный элемент может быть изготовлен из нескольких деталей, например, из металлических элементов, осуществляющих функцию соединения со стержнями, экранирующих элементов, перегородки (перегородок) между стержнями. По меньшей мере, две из этих деталей могут быть соединены между собой неразъемным способом. Также, все эти функции может осуществлять экранирующий соединительный элемент, представляющий собой одну деталь.
Для обеспечения экранирующих функций соединительного элемента токопроводящий и/или полупроводящий материал, используемый при его изготовлении, предпочтительно должен иметь удельное объемное сопротивление не более 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1000, или 5000, или 10000, или 50000, или 100000, или 500000, или 1000000 Ом⋅см или удельное поверхностное сопротивление не более 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1000, или 5000, или 10000, или 50000, или 100000, или 500000, или 1000000 Ом (Ом на квадрат). В то же время удельное объемное сопротивление этого материала предпочтительно должно быть не менее 0,001, или 0,005, или 0,01, или 0,05, или 0,1, или 0,5, или 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1000 Ом⋅см, или удельное поверхностное сопротивление предпочтительно должно быть не менее 0,001, или 0,005, или 0,01, или 0,05, или 0,1, или 0,5, или 1, или 5, или 10, или 50, или 100, или 500, или 1000 Ом (Ом на квадрат).
Длина экранирующего соединительного элемента определяется расчетным путем по критерию падения напряженности электрического поля на стержне с треком внутри него предпочтительно до нуля или до настолько низкого уровня, когда поддержание частичных разрядов на фронте трека оказывается невозможным. В зависимости от диаметра стержня, напряжения электроустановки, удельного объемного сопротивления экранирующего соединительного элемента, его наружного диаметра и его конфигурации, расстояния между оконцевателями и экранирующим соединительным элементом, диэлектрической проницаемости стержня и защитной оболочки длина экранирующего соединительного элемента может составлять не менее 1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 7, или 10, или 12, или 15, или 20 см. Длина соединительного элемента может быть не более 10, или 15, или 20, или 30, или 40, или 50, или 70, или 100 см. В относительных величинах длина экранирующего соединительного элемента преимущественно не менее 70%, или 50%, или 40%, или 30%, или 20%, или 10%, или 7%, или 5%, или 2%, или 1% от длины соединяемого с ним стержня и может быть, например, не более 90%, или 70%, или 50%, или 40%, или 30%, или 20%, или 10%, или 7%, или 5%, или 2% от длины соединяемого с ним стержня.
Для того чтобы сам экранирующий соединительный элемент не стал источником частичных разрядов в стержне, приводящих к образованию трека, его конфигурация должна быть рассчитана по критерию допустимой напряженности электрического поля в материале стержня или на границе раздела стержень/защитная оболочка. Допустимая напряженность электрического поля зависит от типа и качества применяемого материала стержня и определяется опытным путем или содержится в декларируемых поставщиком технических параметрах материала стержня. Снижение напряженности электрического поля в материале стержня до допустимых уровней может быть достигнуто путем увеличения диаметра экранирующего элемента, увеличения радиусов закругления отверстия под стержень на торце соединительного элемента и другими параметрами конфигурации экранирующего элемента. В случае если технологически или конструктивно представляется нецелесообразным совмещать функции обеспечения механической прочности изолятора и экранирующих функций экранирующего соединительного элемента, выполненного в виде единой детали, экранирующий соединительный элемент может быть изготовлен из нескольких деталей.
По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть соединен, по меньшей мере, с одним стержнем с помощью клея. Применение такого способа соединения стержней не создает препятствий для использования обычного оборудования для производства изоляторов.
По меньшей мере, один металлический соединительный элемент может быть соединен, по меньшей мере, с одним стержнем путем обжима металлическим соединительными элементом стержня. Применение такого способа соединения стержней не создает препятствий для использования обычного оборудования для производства изоляторов, поскольку является наиболее часто используемым при производстве изоляторов. Также, соединение стержня с металлическим соединительным элементом может быть получено путем осевой запрессовки стержня в отверстие соединительного элемента с меньшим диаметром, чем диаметр стержня. Такой способ соединения позволяет использовать экранирующие соединительные элементы со сложной наружной поверхностью, не позволяющей производить их опрессовку.
По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть выполнен в виде цилиндра или многоугольной призмы или фигуры, состоящей из цилиндров и многоугольных призм (цилиндрических и/или призматических элементов) с отверстиями по торцам, соосными продольной оси изолятора. В таком случае, изоляционное тело может состоять, по меньшей мере, из двух стержней, соединенных между собой последовательно концами с помощью, по меньшей мере, одного экранирующего соединительного элемента, покрытого защитной оболочкой. В ряде случаев стержни могут быть размещены в экранирующем соединительном элементе с некоторым отклонением от соосности, при этом отклонение от соосности не должно превышать поперечного размера стержня или в случае стержней разного поперечного размера - не должно превышать половины суммы поперечных размеров стержней. Экранирующий соединительный элемент обеспечивает охват концов соединяемых стержней, благодаря чему поверхности на концах стержней, а также микродефекты на них экранируются стенками соединительного элемента по всему периметру и, тем самым создается препятствие для развития трека по поверхности стержня и его перехода на соседний стержень. Благодаря этому снижается вероятность пробоя изолятора при обеспечении достаточной механической прочности соединения благодаря охвату стержней экранирующим соединительным элементом по всему периметру, что означает дополнительно повышение надежности изолятора. Кроме того, применение экранирующего соединительного элемента не создает препятствий для использования обычного оборудования для производства изоляторов. Конфигурация экранирующего элемента не ограничивается описанным вариантом и может быть любой в целях обеспечения экранирующих функций и обеспечения технологичности.
Экранирующий соединительный элемент может содержать перемычку или перегородку, отделяющую стержни друг от друга. Эта перемычка может дополнительно фиксировать промежуток между стержнями, предотвращая исчезновение промежутка и, тем самым, повышая надежность изолятора. Перемычка может быть частичной, например, в виде небольшого стержня, пластины, или выполненной заодно с соединительным элементом в виде сплошной перегородки, полностью отделяющей стержни друг от друга, как это показано в соединительных элементах 2 на фиг. 1 и 2-8. Перемычки предпочтительно выполнены с использованием полупроводящего или токопроводящего материала (например, металла). В описанных вариантах можно сказать, что промежутки между стержнями заполнены перемычками или перегородками. В некоторых вариантах экранирующие соединительные элементы могут не иметь внутри перегородку, отделяющую стержни друг от друга, если размеры экранирующего соединительного элемента обеспечивают нулевой уровень напряженности электрического поля на торцах стержней внутри соединительного элемента (определяется расчетом электрического поля. См. фиг. 3).
Стержни могут быть отделены друг от друга трекингостойким или токопроводящим материалом или металлом, находящимся в промежутке между стержнями, который не входит в состав перемычки экранирующего соединительного элемента. Этот материал дополнительно фиксирует промежуток между стержнями, предотвращая исчезновение промежутка и создавая препятствие развитию трека, тем самым, повышая надежность изолятора. В описанных вариантах можно сказать, что промежутки между стержнями заполнены трекингостойким или токопроводящим материалом (которым может быть, в том числе, клей) или металлом.
По меньшей мере, один стержень может быть выполнен с использованием трекингостойкого диэлектрического материала. Это дополнительно снижает вероятность пробоя изолятора, так как устраняется возможность распространения трека по стержню, тем самым повышая надежность изолятора.
По меньшей мере, один стержень, может быть выполнен с использованием металла, когда нужно увеличить длину изолятора наиболее дешевым способом без необходимости увеличения его электрической прочности. В дополнение к такому стержню изолятор может содержать, по меньшей мере, два стержня, выполненные с использованием диэлектрического материала. Металлический стержень предпочтительно располагается между диэлектрическими стержнями, но может быть соединен и с одним из оконцевателем. В таких случаях можно считать, что металлический стержень входит в состав экранирующего соединительного элемента, который также может быть выполнен с использованием металла.
Экранирующие соединительные элементы 2 могут быть частично покрыты защитной оболочкой 4, как это показано на фиг. 4 и 6. В таком случае часть их поверхности остается открытой, такие экранирующие соединительные элементы могут использоваться в качестве вставок заземления для отвода токов пробития и/или диагностирования состояния изолятора, что повышает его надежность. При этом нанесение защитной оболочки на часть соединительного элемента позволяет увеличить разрядные промежутки защитных оболочек на непробитых стержнях. Однако предпочтительно они, также как и стержни 1 находятся под защитной оболочкой 4 полностью, как показано на фиг. 1, 2, 5, 8 и 9. Это также повышает надежность изолятора, поскольку в случае сплошной защитной оболочки от оконцевателя до оконцевателя при пробое одного из стержней (развитии трека на всю длину стержня) электрическая прочность наружной изоляции сохраняется за счет сохранения длины пути утечки защитной оболочки. Это особенно важно при эксплуатации изолятора в загрязненном и увлажненном состоянии, когда одним из основных факторов защиты от перекрытий изолятора является длина пути утечки наружной поверхности защитной оболочки. В вариантах, когда экранирующие соединительные элементы не покрыты защитной оболочкой или не полностью покрыты защитной оболочкой длина пути утечки изолятора сокращается при пробое одного из стержней на величину, равную длине пути утечки защитной оболочки, покрывающей пробитый стержень. Наиболее полно этот дополнительный технический результат достигаются в том случае, когда защитная оболочка 4 является сплошной от оконцевателя 3 до оконцевателя 3 и предпочтительно частично покрывает оконцеватели, как это показано на фиг. 1, 2 и 4, 5, 6, 7, 8.
Стержни покрыты защитной оболочкой, толщина которой предпочтительно больше толщины стенки экранирующего соединительного элемента - это обеспечивает то, что соединительный элемент не выступает из защитной оболочки и может быть полностью покрыт ей (слоем меньшей толщины, чем над слой над стержнем) при сохранении диаметрального размера изолятора, что позволяет использовать для изготовления такого изолятора уже имеющееся оборудование.
В некоторых случаях толщина защитной оболочки над экранирующим соединительным элементом может быть такой же, как и толщина защитной оболочки над стержнями, или даже больше. В этом случае для изготовления такого изолятора также можно использовать уже имеющееся оборудование, поскольку в форме для литья будет достаточно заменить только вставку, находящуюся в том месте, где будет формироваться защитная оболочка над экранирующим защитным стержнем.
Защитная оболочка предпочтительно изготовлена с использованием кремнийорганической (силиконовой) композиции. Это предотвращает развитие трека по поверхности защитной оболочки, поскольку кремнийорганическая композиция является трекингостойкой. Таким образом, выполнение защитной оболочки с использованием кремнийорганической композиции дополнительно повышает надежность изолятора.
По меньшей мере, один экранирующий соединительный элемент может быть расположен в средней части изоляционного тела изолятора. Кроме того, экранирующий соединительный элемент также может быть расположен ближе к оконцевателю, находящемуся под напряжением, что позволяет снизить длину трека от оконцевателя, с которого наиболее вероятно образование трека, до экранирующего соединительного элемента и тем самым сохранить внутреннюю электрическую прочность оставшейся непробитой части изолятора на высоком уровне. Это дополнительно повышает надежность изолятора.
Защитная оболочка преимущественно снабжена ребрами (юбками). Ребра увеличивают длину пути утечки тока, что повышает надежность изолятора. В случаях перенапряжений, например, при воздействии грозового или коммутационного импульсов, величины которых в разы превышают номинальное напряжение, защитная оболочка, покрывающая соединительный экранирующий элемент, может пробиться, если один из стержней пробит. Для обеспечения электрической прочности внешней изоляции по воздуху при перенапряжениях в случае пробоя одного из стержней изолирующий элемент при необходимости может иметь по меньшей мере одно ребро (или юбку, например, птицезащитную) большего диаметра, увеличивающее разрядный промежуток по воздуху до величин, при которых разрядное напряжение по воздуху для оставшейся непробитой части изолятора выше нормированных стандартами значений разрядных напряжений для данного класса номинальных напряжений. Для обеспечения этой задачи ребро должно находиться в промежутке между предполагаемым местом пробоя защитной оболочки на соединительном экранирующем элементе и непокрытым защитной оболочкой оконцевателем непробитой части изолятора. Наиболее вероятное место пробоя защитной оболочки на соединительном элементе определяется расчетным методом исходя из сопоставления разности напряженностей электрического поля на поверхности соединительного элемента и на поверхности защитной оболочки над соединительным элементом с напряжением пробоя защитной оболочки в этом месте. Расчетным методом также может быть запроектировано специальное «слабое» место в оболочке, покрывающей соединительный элемент, которое может быть пробито при перенапряжениях для того, чтобы ребро увеличенного размера было установлено в наиболее оптимальном месте для увеличения разрядного промежутка по воздуху. Таким образом, увеличенное ребро (юбка) может находиться на защитной оболочке, покрывающей стержень, на защитной оболочке, покрывающей соединительный элемент или на защитной оболочке, покрывающей оконцеватель. Ребро увеличенного диаметра может быть одно или два в каждом промежутке между предполагаемым местом пробоя на соединительном элементе и непокрытой защитной оболочкой частью оконцевателя, соединенного с соединительным элементом непробитым стержнем. Увеличенное ребро может располагаться перпендикулярно продольной оси изолятора или под углом к нему. Форма ребра может быть кольцеобразная, коническая или более сложной формы. Диаметр увеличенного ребра может находиться в пределах от 100 до 600 мм, а угол наклона к продольной оси изолятора от 90 до 30 градусов.
Изолятор может быть снабжен, по меньшей мере, одной птицезащитной юбкой (ребром) большего диаметра, чем остальные, расположенной на расстоянии L от края защитной оболочки с целью увеличения изоляционного расстояния по воздуху для защиты птиц от замыкания телом оконцевателей изолятора. Расстояние L выбирается из диапазона 0-200 мм, а диаметр юбки из диапазона 100-500 мм. Юбка может иметь коническую форму с углом наклона к продольной оси изолятора 30-90 градусов. Птицезащитная юбка может быть телом вращения относительно оси стержня или не быть таковым. Поверхности юбки могут быть образованы комбинацией плоских, конических, цилиндрических, сферических, торообразных и более сложных поверхностей. Юбка может выступать перпендикулярно оси стержня как, например, юбки 5 на фиг. 5-8 или с наклоном к ней, как на фиг. 1, 2 и 4. Для юбок любых конфигураций, как простых, так и сложных, угол наклона прямой, лежащей в одной плоскости с осью стержня, проведенной через основание юбки и край юбки со стороны ближайшего края защитной оболочки, может составлять 20-135 градусов к продольной оси стержня (изолятора). Точкой в основании юбки, через которую проводится прямая, считается теоретическая точка пересечения цилиндрической части защитной оболочки с продолжением поверхности, образующей поверхность юбки со стороны ближайшего края защитной оболочки без учета радиуса скругления между этими поверхностями, и с плоскостью, в которой лежат прямая и ось стержня и/или изолятора. Длина отрезка, лежащего на этой прямой, ограниченного указанной точкой в основании юбки и краем юбки в настоящем патенте считается расстоянием от края юбки до его основания или отступом ребра от защитной оболочки. Юбка может выступать за пределы защитной оболочки, покрывающей стержень или оконцеватель в продольном направлении изолятора, как на фиг. 1, 2 и 4, и в этом случае длина защитной оболочки с птицезащитными юбками больше длины защитной оболочки, не имеющей птицезащитных юбок. Это повышает надежность изолятора, так как при наличии птицезащитных юбок увеличивается длина изоляционной части и/или разрядный промежуток и вероятность его перекрытия птицей снижается, что повышает надежность эксплуатации линии электропередачи. Так же, как отмечено выше, благодаря наличию птицезащитной юбки, которая представляет собой ребро увеличенного диаметра, обеспечивается повышение надежности изолятора ввиду увеличения электрической прочности внешней изоляции по воздуху при перенапряжениях в случае пробоя одного из стержней.
Птицезащитная юбка должна отступать от защитной оболочки на расстояние не менее 30 мм - то есть ее длина, измеряемая от места прикрепления к защитной оболочке до ее края, должна быть не менее 30 мм. Также этот признак может быть сформулирован так, что край птицезащитной юбки должен быть расположен на расстоянии не менее 30 мм от защитной оболочки в том случае, когда юбка расположена перпендикулярно защитной оболочке и/или продольной линии изолятора.
Наличие такой юбки предотвращает замыкание птицами оконцевателей изолятора и/или соединенных с ними элементов электроустановок, находящихся под рабочим напряжением линии электропередачи, вследствие того, что такая большая юбка либо закрывает оголенные части изолятора или элементов электроустановок (когда, например, юбка наклонена), либо препятствует расположению частей тела птицы (в частности, крыльев) около оголенных частей изолятора или элементов электроустановок (когда юбка наклонена или перпендикулярна защитной оболочке и/или продольной линии изолятора) и, тем самым, защищает птиц от поражения электрическим током.
В частных вариантах указанное выше расстояние (длина) в 30 мм может увеличиваться до величины не менее 40, или 50, или 75, или 100, или 150, или 200, или 250, или 300 мм, что будет улучшать защиту птиц от удара током ввиду дополнительного увеличения защитного расстояния. Предпочтительно такое расстояние (длина) не превышает 500 мм. Во всех этих вариантах юбка может быть круглой, секторной или другой формы, обеспечивающей защиту птиц от протекания электрического тока.
В тех случаях, когда птицезащитные юбки являются круглыми, они могут иметь диаметр не менее 100 мм и не более 500 мм, или не менее 100 мм и не более 300 мм, или не менее 150 мм и не более 300 мм, или не менее 150 мм и не более 500 мм, или не менее 200 мм и не более 300 мм, или не менее 200 мм и не более 500 мм.
При изготовлении изоляторов по любому из вышеописанных вариантов желательно, чтобы стержни, отделенные друг от друга одной операцией резания, были использованы для изготовления разных изоляторов. Это обеспечивает снижение вероятности пробоя изоляторов, поскольку при наличии на разрезаемом стержне протяженного локального дефекта отделенные друг от друга стержни также могут иметь части этих локальных дефектов, если разрезание стержня происходило вместе его нахождения. Если отделенные друг от друга операцией резания (например, путем пиления) окажутся в одном изоляторе, то вероятность его пробоя резко повысится, поскольку оба стержня имеют один и тот же дефект, получившийся из одного протяженного дефекта, разрезанного при отделении стержней друг от друга.
Для исключения нахождения в одном изоляторе стержней с одинаковыми локальным дефектами, необходимо стержни, отделенные друг от друга одной операцией резания (то есть, образовавшиеся из участков, находившихся в едином стержне рядом и потому могущих иметь один и тот же дефект), использовать для изготовления разных изоляторов - тогда они не окажутся в одном изоляторе. Это повысит надежность изоляторов, поскольку снизится вероятность пробоя нескольких стержней в одном изоляторе.
Представленные на сопровождающих фигурах и детально описанные в описании варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности полезной модели и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны, определяемый последующей формулой полезной модели. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих достижение технического результата, а также дополнительных технических результатов отдельных вариантов осуществления полезной модели. В результате комбинации отдельных вариантов также могут достигаться и другие дополнительные технические результаты.