ИНДИКАТОР ПРОБОЯ И/ИЛИ ПЕРЕКРЫТИЯ ИЗОЛЯТОРА С ПАТРОНОМ

Область техники, к которой относится полезная модель
Настоящая полезная модель относится к электротехнике, в частности, к устройствам, применяемым на воздушных линиях электропередачи (ВЛ) или другом электрооборудовании для индикации пробоя и/или перекрытия изоляторов.
Уровень техники
Одной из проблем, возникающих при эксплуатации линий электропередачи, является обнаружение перекрытого изолятора. При перекрытии изолятор чаще всего остается работоспособным, однако, электрический разряд может нанести ущерб изолятору, вследствие которого изолятор может в дальнейшем пробиться. Также, перекрытие может быть инициировано пробоем изолятора. В этом случае, изолятор выходит из строя, и линия отключается до замены изолятора на исправный.
Из патента RU2609823 известен оптический индикатор, отображающий состояние гирлянды изоляторов на линии электропередачи. Принцип действия индикатора состоит в том, что он подключается параллельно изолятору или гирлянде изоляторов. В том случае, когда изоляция изоляторов имеет требуемую высокую величину, то к оптическому изолятору оказывается приложено напряжение в линии электропередачи, и он излучает видимый свет.
Однако, когда изоляторы перекрыты, к индикатору приложено значительно меньшее напряжение и он излучает значительно меньше видимого света или не излучает его вообще. Таким образом, по отсутствию видимого излучения из оптического индикатора или по его слабой светимости возможно определить перекрытие изолятора.
Такой оптический индикатор имеет несколько недостатков. Во-первых, для обеспечения работоспособности необходимо подключать такой индикатор параллельно изолятору. Так как индикатор состоит из проводящих и полупроводящих материалов, образующих проводящую ветвь контура, он сам может стать местом развития перекрытия изолятора.
Во-вторых, падение напряжения на участках изолятора может быть связано не с дефектом изолятора, а с утечками тока по поверхности изолятора в результате его загрязнения или увлажнения, что является нормальным рабочим режимом для изолятора.
В-третьих, интенсивность излучения оптического индикатора, субъективно определяемая наблюдателем, будет восприниматься различной в зависимости от интенсивности освещенности окружающего пространства - неба или облаков. Так, например, в яркую солнечную погоду можно не увидеть свечения даже сильно светящегося индикатора, а ночью даже слабо светящийся индикатор будет хорошо виден, поэтому, определение неисправности изолятора по интенсивности свечения индикатора может быть субъективным и неоднозначным.
В-четвертых, описанный оптический индикатор имеет ограниченный срок эксплуатации в связи с тем, что элемент, излучающий видимый свет, имеет конечное количество часов работы. Это означает, что для того, чтобы иметь информацию о состоянии изоляции изоляторов, необходима периодическая замена таких оптических индикаторов или излучательных элементов в них.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является разработка индикатора пробоя и/или перекрытия изолятора линии электропередачи, у которого устранены вышеуказанные недостатки.
Задача полезной модели решается с помощью индикатора пробоя и/или перекрытия изолятора, имеющего элемент крепления, сигнальный элемент, разрушаемый элемент и дугоприемный элемент. Разрушаемый элемент содержит патрон с взрывчатым веществом. Элемент крепления представляет собой кронштейн.
Элемент крепления в предпочтительном варианте выполнен с возможностью установки на изоляторе и/или элементе электроустановки, на котором или около которого установлен изолятор. Сигнальный элемент может иметь плоскую форму, а также может иметь размеры от 40 мм до 1000 мм, или от 40 мм до 400 мм, или от 60 мм до 300 мм, или от 80 мм до 250 мм. Патрон преимущественно является строительным монтажным патроном или пиропатроном. Патрон может быть снабжен элементом инициации взрыва в виде капсюля. Разрушаемый элемент предпочтительно включает в себя электрод, снабженный крепежным элементом. Крепежный элемент может представлять собой отверстие или углубление или выступ или стержень. Отверстие или углубление или выступ или стержень могут быть снабжены резьбой. Между электродом и дугоприемным элементом или между электродом и патроном или между патроном и дугоприемным элементом может быть предусмотрен искровой промежуток. Кроме того, электрод и дугоприемный элемент или электрод и патрон или патрон и дугоприемный элемент могут быть соединены резистором, и/или варистором, и/или проволокой, и/или диодом. Сигнальный и дугоприемный элементы могут быть выполнены в виде единой детали. Дугоприемный элемент может быть выполнен с возможностью принятия тока пробитого изолятора с изоляционного тела через искровой промежуток или с посредством проводника (например, проволоки).
Техническим результатом настоящей полезной модели является обеспечение одновременно простой, прочной, надежной в работе и удобной в обслуживании конструкции индикатора перекрытия изолятора. Указанный технический результат достигается за счет применения в разрушаемом элементе индикатора патрона, который обеспечивает простоту конструкции и надежность срабатывания (разрушения) разрушаемого элемента, а за счет соединения сигнального и дугоприемного элементов с элементом крепления с помощью разрушаемого элемента обеспечивается прочность и удобство в обслуживании индикатора, в частности, установка и замена индикатора. Удобство в обслуживании индикатора также обеспечивается кронштейном. Все указанные в настоящем описании технические результаты, в том числе и дополнительные, достигаются в соответствии с настоящей полезной моделью одновременно и неразрывно друг от друга.
Краткое описание чертежей
На фигуре показан индикатор перекрытия изолятора в разрезе.
Осуществление полезной модели
Далее полезная модель описывается со ссылкой на сопровождающую фигуру, на которой изображен один из возможных вариантов реализации 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 фигуре и в описании. Полезная модель далее описана по отношению к подвесному полимерному изолятору, но не ограничивается этим видом и может быть использована по отношению к любым изоляторам (в т.ч. опорным, неполимерным и т.п.), где она может быть применена.
Описание полезной модели дано для индикатора в ориентации, показанной на фигуре, в соответствии с которой сигнальный элемент расположен внизу, а разрушаемый элемент наверху. Однако такое расположение не ограничивает объем охраны изобретения и дано лишь в целях упрощения пояснения. В общем случае, определяемом формулой полезной модели, ориентация индикатора не является однозначно заданной и может меняться. В соответствии с изменением ориентации индикатора изменяется и расположение его частей относительно верха, низа и различных сторон.
На фигуре указаны следующие элементы: 1 – кронштейн; 2 - сигнальный элемент; 3 – изоляционный элемент; 4 - дугоприемный элемент; 5 - полость внутри разрушаемого элемента, в которой происходит разряд; 6 - токопроводящий элемент с высоким сопротивлением (проволока, резистор, диод); 7 - электрод; 8 – патрон; 9 - дополнительный электрод; 10 - хомут кронштейна; 11 - изоляционный элемент изолятора; 12 - оконцеватель изолятора.
Предлагаемый в соответствии с настоящей полезной моделью в одном из основных вариантов реализации индикатор пробоя и/или перекрытия изолятора, показанный на фигуре, содержит элемент крепления 1, сигнальный элемент 2, разрушаемый элемент и дугоприемный элемент 4. Разрушаемый элемент содержит изоляционный элемент 3, выполненный с использованием диэлектрика и механически соединяющий дугоприемный элемент 4 и электрод 7 с одновременным их электрическим разделением.
В показанном на фигуре варианте индикатора изоляционный элемент 3, дугоприемный элемент 4 и электрод 7 конструктивно выполнены как раздельные между собой детали, механически соединенные с помощью сигнального элемента 2, который охватывает их, но в других вариантах осуществления полезной модели изоляционный элемент 3, дугоприемный элемент 4 и электрод 7 могут быть выполнены в виде единой детали, а сигнальный элемент 2 может крепиться только к изоляционному элементу 3 и/или дугоприемному элементу 4 – благодаря этому упрощается конструкция индикатора, что дополнительно повышает его прочность, надежность и удобство в обслуживании. В некоторых вариантах изоляционный элемент может отсутствовать, а электрическое разделение дугоприемного элемента 4 и электрода 7 или патрона 8 и электрода 7 или патрона и дугоприемного элемента может осуществляться, например, с помощью части сигнального элемента, если он выполнен с использованием диэлектрика.
Элемент крепления 1 в показанном на фигуре варианте представляет собой металлический кронштейн, который снабжен хомутом 10 для крепления на изоляторе, например, на оконцевателе 12 изолятора, или на элементе электроустановки, например, на шейке пестика серьги, к которому прикрепляется изолятор, или на элементе электроустановки, около которого установлен изолятор, находящемся под тем же электрическим потенциалом, что и верхний оконцеватель изолятора. В некоторых случаях крепежные элементы кронштейна могут быть выполнены в виде других конструктивных изделий, обеспечивающих крепление одновременно как на изоляторе, так и на элементе электроустановки для обеспечения более прочного крепления и/или надежного электрического контакта индикатора. Хомут 10, как один из вариантов крепежного узла, обеспечивает достаточно простое, удобное в обслуживании и надежное прикрепление кронштейна и индикатора в целом.
Кронштейн представляет собой конструкцию, обеспечивающую возможность расположения сигнального элемента индикатора не на изоляторе, а сбоку от него за счет того, что сам кронштейн крепится к изолятору (и/или к элементу электроустановки), а к кронштейну прикрепляются разрушаемый и сигнальный элементы, и кронштейн обеспечивает прочность, необходимую для удержания этих элементов и индикатора в целом в стороне от изолятора.
Элемент крепления выполняет как функцию механического прикрепления индикатора, так и электропроводящую функцию от изолятора и/или электроустановки к индикатору (разрушаемому элементу). Преимуществом применения кронштейна является то, что индикатор (его разрушаемый и сигнальный элементы) устанавливается около изолятора, то есть в стороне от него на небольшом расстоянии от изолятора или даже вплотную концом сигнального элемента или дугоприемного элемента к изолятору, если это необходимо для обеспечения обнаружения пробоя изолятора. Это обеспечивает удобство обслуживания индикатора одновременно с удобством обнаружения сработавшего индикатора, поскольку индикатор находится на некотором расстоянии от изолятора.
Сигнальный элемент 2 может иметь плоскую форму или плоской может быть его часть, как это показано на фигуре. На фигуре индикатор показан в разрезе и плоскость сигнального элемента перпендикулярна плоскости чертежа. Для обеспечения заметности индикатора сигнальный элемент может иметь размеры от 40 мм до 1000 мм, например, от 40 мм до 400 мм, или от 60 мм до 300 мм, или от 80 мм до 250 мм. Сигнальный элемент может иметь выделяющийся цвет: красный, желтый, оранжевый или другие, например черный, серый, белый и т.п. Такие размеры и цвета сигнального элемента позволяют невооруженным глазом с земли легко определить его наличие или отсутствие на изоляторе.
Сигнальный элемент может быть изготовлен из диэлектрика, например, силикона, или из металла – в последнем варианте он может также выполнять функции дугоприемного элемента, то есть, одновременно быть сигнальным элементом и дугоприемным элементом. Это обеспечивает дополнительную надежность индикатора и простоту его конструкции. В то же время выполнение сигнального элемента из диэлектрика, особенного эластичного, такого как силикон, обеспечивает безопасность объектов, находящихся внизу при падении сигнального элемента.
Разрушаемый элемент содержит патрон 8, в том числе пиропатрон или монтажный строительный патрон, у которого в полностью или частично металлическом корпусе (гильзе) расположен порох. Патрон может быть снабжен элементом инициации взрыва, который может включать в себя цепь, подающую электрический импульс на взрывной заряд. Кроме того, элемент инициации взрыва может включать в себя чувствительное к внешним воздействиям взрывчатое вещество, например, в виде капсюля патрона. Внешним воздействием может быть электрическое, магнитное, искровое, механическое или тепловое воздействие. Такое воздействие может быть длительным (в частности, нагрев, в том числе протекающим током или искровой дугой) или импульсный (например, это может быть механический, электрический или магнитный импульс).
В некоторых вариантах, например, в показанном на фигуре, в разрушаемом элементе, в полости 5 может быть предусмотрен искровой промежуток, расположенный около чувствительного к внешним воздействиям взрывчатого вещества или элемента инициации взрыва (например, капсюля патрона). В варианте, показанном на фигуре, искровой промежуток создается между донцем патрона 8 и электродом 7.
Помимо механических соединений между элементами устройства также предусмотрены и электрические соединения некоторых элементов. В частности, электрически могут соединяться патрон с электродом разрушаемого элемента. На фигуре показан вариант, когда патрон 8 электрически соединен с дополнительным электродом 9, который соединен с дугоприемным элементом. Кроме того, патрон может быть электрически не соединен ни с одним из электродов и дугоприемным элементом, а закреплен в изоляционном или сигнальном элементе так, чтобы его капсюль или сам патрон были расположены около искрового промежутка между электродами или электродом и дугоприемным элементом. Также может быть предусмотрен вариант, когда патрон электрически соединен с кронштейном и электрически отделен от дугоприемного элемента. Электрические соединения могут осуществляться прижатием, пайкой, сваркой, скручиванием, зажимом или привинчиванием элементов или соединяющих их проводников. Кроме того, электрические соединения могут содержать искровые промежутки.
Электрод и дугоприемный элемент или электрод и патрон или патрон и дугоприемный элемент электрически могут быть соединены резистором, и/или варистором, и/или проволокой, и/или диодом. На фигуре показан вариант использования проволоки 6. Токопроводящий элемент в виде резистора, варистора, проволоки, диода преимущественно обладает высоким сопротивлением и шунтирует разрядный промежуток в камере 5 разрушаемого элемента для придания дугоприемному элементу 4 того же электрического потенциала, что и электроду 7 в целях предотвращения случайного срабатывания индикатора в результате импульсных скачков напряжения или статического электричества и для обеспечения надежности срабатывания индикатора.
Благодаря токопроводящему элементу 9 предотвращается накопление разности потенциала между электродом разрушаемого элемента и дугоприемным элементом, тем самым, предотвращаются ложные срабатывания. Когда же на дугоприемный элемент попадает дуга при перекрытии изолятора или ток короткого замыкания при пробое изолятора, токопроводящий элемент разрушается под действием этого тока большой величины и появляются условия для обеспечения воздействия на взрывной заряд. В частности, происходит пробой искрового промежутка и, как показано на фигуре, в полости 5 дуга загорается между электродом 7 и патроном 8.
Дугоприемный элемент 4 предпочтительно является металлическим и в некоторых вариантах может быть объединен с сигнальным элементом 2. В некоторых вариантах дугоприемный элемент может быть выполнен с возможностью принятия тока пробитого изолятора с изоляционного тела через искровой промежуток или посредством проводника (например, проволоки).
Расположение дугоприемного элемента индикатора по отношению к изолятору должно быть таким, чтобы напряженность поля на дугоприемном элементе была выше, чем на оконцевателе с экраном (или без экрана), на котором или возле которого закреплен индикатор. Преимущественно, дугоприемный элемент индикатора, должен быть расположен ближе к противоположному оконцевателю изолятора или другому элементу электроустановки, находящемуся под тем же потенциалом, что и противоположный оконцеватель изолятора, чем оконцеватель с экраном (или без экрана), на котором или возле которого закреплен индикатор, как на приведенной фигуре. В частности, для обеспечения надежной работы индикатора элемент крепления и дугоприемный элемент предпочтительно расположены на противоположных сторонах индикатора.
Поскольку, напряженность электрического поля на дугоприемном элементе определяется не только его расположением в пространстве, но и формой самого дугоприемного элемента, например, радиусами закруглений его конца, то, в ряде случаев, дугоприемный элемент может быть установлен на одинаковом или даже несколько большем расстоянии  от противоположного оконцевателя изолятора, чем оконцеватель с экраном (или без экрана), на котором или возле которого закреплен индикатор. Напряженность поля на дугоприемном элементе определяется на этапе проектирования индикатора и изолятора с индикатором расчетным методом.
Индикатор позволяет определить перекрытый электрической дугой изолятор по отсутствию сигнального элемента на индикаторе.
Перекрытия изоляторов могут возникать по следующим причинам: грозовой разряд, инициировавший силовую дугу; из-за сильных загрязнений; из-за интенсивного мокрого снега, полностью облепившего изолятор; из-за постороннего воздействия, например, из-за птиц или посторонних предметов, занесенных птицами или ветром (также, в мировой практике известны случаи перекрытия по паутине покрытой росой); из-за пробоя изолятора. Таким образом, отсутствие сигнального элемента на индикаторе говорит лишь о факте перекрытия. Причину перекрытия можно определить визуальным осмотром изолятора и анализом погодных условий.
В случае, если перекрытие произошло из-за пробоя изолятора, то такой изолятор должен быть демонтирован и заменен на новый. В остальных случаях демонтировать изолятор нет необходимости. В случае перекрытия из-за загрязнений изолятор должен быть очищен согласно руководству по эксплуатации изолятора. Сработавший индикатор должен быть заменен на новый.
Таким образом, индикатор пробоя и/или перекрытия изолятора может сработать как от перекрытия, так и от пробоя изолятора и показывать как перекрытие, так и пробой. Пробой изолятора, как правило, приводит к дальнейшему перекрытию изолятора дугой по воздуху, и в этом случае индикатор будет одновременно показывать как пробой, так и перекрытие изолятора.
Индикаторы могут применяться для различных видов изоляторов, в том числе поддерживающих, опорных, подвесных, фиксирующих, натяжных полимерных, стеклянных и других видов как изоляторов, так и гирлянд изоляторов или изолирующих подвесок. Не смотря на высокую надежность, массовое применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи сдерживается трудоемкостью определения пробитых изоляторов, поскольку визуально без применения оптических приборов пробитый полимерный изолятор на линии электропередачи 110-750 кВ, подвешенный на высотах от 15 до 40 м от земли, можно определить только с близкого расстояния и невозможно с земли.
Верховые осмотры с применением подъемной техники или летательных аппаратов, оборудованных видеокамерой, достаточно трудоемки и требуют много времени и финансовых затрат. В отличие от полимерного, стеклянный изолятор при пробое разрушается с утратой его стеклянной части, что легко определяется с земли визуально без использования приборов или техники. Таким образом, несмотря на то, что надежность полимерного изолятора существенно выше, а цена, как правило, ниже стеклянного, потребитель отдает предпочтение стеклянным изоляторам.
Создание индикатора, который позволяет определять состояние полимерных изоляторов так же просто, как и стеклянных, может коренным образом изменить соотношение среди видов линейных изоляторов в пользу полимерных, что позволит на практике реализовать их другие положительные качества и, в частности, энергосбережение.
-3
-4
-6
На сегодняшний день простые и надежные индикаторы пробоя для полимерных изоляторов отсутствуют. Как отмечалось выше, оптические индикаторы ненадежны, недостоверны и имеют ограниченный ресурс работы. Индикаторы пробоя с использованием элемента из закаленного стекла на основе серийных изолирующих элементов стеклянных тарельчатых изоляторов обладают низкой надежностью. Стеклянные изоляторы склонны к самопроизвольному разрушению при электродинамических нагрузках, от старения или от внутренних напряжений, полученных при изготовлении. Интенсивность отказов стеклянного тарельчатого изолятора (разрушение тарелки) составляет от 10 до 10 отказов в год, а полимерного изолятора – 10 отказов в год. То есть, надежность полимерного изолятора в 100 -1000 раз выше стеклянного. Это значит, что на 1000 случаев срабатывания индикатора на основе стеклянного изолятора будет только от 1 до 10 пробоев полимерного изолятора, а достоверность индикации таким устройством от 0,1% до 1%.
Проблему обнаружения пробоя полимерного изолятора удается решить с помощью настоящего изобретения. Пробой в полимерном изоляторе развивается от места повреждения защитной оболочки 11 изолятора в зоне с повышенной напряженностью электрического поля возле оконцевателя, находящегося под напряжением (для линейных подвесных изоляторов – возле нижнего оконцевателя) к заземленному оконцевателю 12 (верхнему). В зоне повреждения защитной оболочки под действием напряженности электрического поля во влажной среде начинают образовываться частичные разряды, которые, воздействуя на материал стеклопластикового стержня, образуют науглероженную токопроводящую дорожку – трек в стержне или по границе раздела стержня с защитной оболочкой, которая развивается в сторону заземленного оконцевателя.
В обычном изоляторе, не снабженном индикатором пробоя, трек достигает заземленного оконцевателя и образуется электрический пробой изолятора, сопровождающийся дуговым разрядом – силовой электрической дугой, которая длится до срабатывания автоматической защиты на подстанции и отключения напряжения на линии электропередачи.
В полимерном изоляторе, снабженном индикатором в соответствии с настоящей полезной моделью, последовательность событий иная. Когда напряжение пробоя изоляции между фронтом трека и электродом, к которому присоединен сигнальный элемент, становится меньше фазного напряжения за счет развития трека в сторону устройства и уменьшения изоляционного промежутка, происходит электрический пробой изоляционного промежутка между электродом и фронтом трека. Ток проходит от нижнего оконцевателя изолятора через трек, через дугу в промежутке между фронтом трека и электродом (непосредственно или через дугоприемный элемент), через электрод и далее через разрушаемый элемент и второй электрод разрушаемого элемента к заземленному оконцевателю.
Таким образом, при попадании дуги на дугоприемный элемент замыкается электрическая цепь между нижним и верхним оконцевателем изолятора через нижний и верхний электроды разрушаемого элемента, кронштейн и через токопроводящий элемент, шунтирующий искровой промежуток между электродом и патроном или между электродами при его наличии. Токопроводящий элемент разрушается под действием тока короткого замыкания и инициирует дугу в искровом промежутке во внутренней полости разрушаемого элемента. Дуга внутри корпуса нагревает патрон и приводит его в действие – патрон взрывается с образованием большого количества газов, создающих высокое давление в полости разрушаемого элемента. Разрушаемый элемент не выдерживает давления и разрушается в наиболее слабом месте.
Таким образом, при прохождении тока через разрушаемый элемент он вызывает взрыв патрона и разрушает разрушаемый элемент. Сигнальный элемент (или его нижняя часть) отсоединяется от верхнего оконцевателя и падает под своим весом вниз. В тех вариантах, когда инициация взрыва осуществляется не искровым разрядом и дугой, инициация взрыва может осуществляться с помощью других видов воздействия, описанных в заявке или известных из уровня техники.
В конструкции индикатора может быть предусмотрена возможность предохранения сигнального элемента от падения на землю с помощью гибкой связи (например, троса, который может быть диэлектрическим) или шарнирного соединения, которое также может быть диэлектрическим, сигнального элемента с элементом индикатора, изолятора или элементом электроустановки. В этом случае сигнальный элемент повисает на тросе или проворачивается на шарнире, меняя свое положение в пространстве. Отсутствие сигнального элемента или изменение его положения в пространстве сигнализирует о том, что изолятор был пробит или перекрыт силовой электрической дугой.
Представленный на сопровождающей фигуре и детально описанные в описании варианты осуществления предназначены для упрощения понимания сущности полезной модели и не должны толковаться как ограничивающие объем охраны полезной модели, определяемый последующей формулой полезной модели. Описанные варианты могут объединяться и комбинироваться в любых сочетаниях, обеспечивающих реализацию принципа действия, возможность визуального определения перекрытия изолятора, в том числе на значительном расстоянии от него, и достижение технического результата, заключающегося в обеспечении прочной, надежной и удобной в обслуживании конструкции индикатора перекрытия изолятора. В результате комбинации отдельных вариантов могут достигаться дополнительные технические результаты.