ИНДИКАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRIC STATE INDICATOR OF POLYMER INSULATORS (VERSIONS)

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к индикаторам состояния полимерных изоляторов, используемым на воздушных линиях электропередачи высокого напряжения.
Известен индикатор пробоя полимерного изолятора, выполненный на основе тарельчатых изоляторов из закаленного стекла, содержащий управляемый электрод в виде металлического цилиндра, установленный с помощью диэлектрического покрытия соосно стержню впритык к поверхности изоляционной детали, снабженной оптическим пробоем в ее толще [1].
При электрическом пробое полимерного изолятора происходит пробой индикатора, в результате которого разрушается изоляционная деталь из закаленного стекла, что устанавливается визуально. К недостаткам данного технического решения (индикатора) можно отнести следующие проблемные моменты:
- индикация состояния полимерного изолятора осуществляется только на конечной стадии электрического старения, характеризуемого пробоем и связанным с этим аварийным отключением электрической сети;
- электрическое разрушение индикатора может быть следствием перекрытия, но не пробоя изолирующей подвески;
- сложность изготовления индикатора с заданными техническими (электрическими) параметрами.
Известен также высоковольтный подвесной изолятор тарельчатого типа, состоящий из металлической шапки, стержня и изоляционной детали, соединенных между собой цементно-песчаной связкой. Путем последовательного присоединения изоляторов тарельчатого типа к концам полимерного линейного изолятора достигается повышение надежности работы линейной изоляции за счет снижения максимальных напряженностей электрического поля на стороне полимерного изолятора (это наиболее близкое техническое решение по отношению к предложенному) [2].
Частичное повреждение внутренней электрической изоляции полимерного изолятора приведет к увеличению падения напяжения на тарельчатых изоляторах, соответственно, к усилению процессов коронирования на них. Таким образом, тарельчатые изоляторы, сединенные последовательно с полимерным изолятором, выполняют функцию индикатора состояния электрической прочности полимерных изоляторов. Параметром контроля состояния изоляции при таком способе диагностики является интенсивность светового излучения, акустических и выскочастотных электромагнитных шумов - помех, обусловленных коронированием тарельчатого изолятора. Известно, что зависимости этих параметров носят квазилинейный характер от величины приложенного на изолятор напряжения. Существенное возрастание процесса коронирования отмечается лишь перед перекрытием изолятора, и такое обстоятельство затрудняет устанавливать взаимосвязь между фиксируемыми параметрами и глубиною электрического повреждения контролируемого объекта - полимерного изолятора.
2
2
Заявитель и авторы ставили перед собой конкретную цель, а именно существенно повысить чувствительность индикатора на ранней стадии электрического повреждения внутренней изоляции полимерных изоляторов, что в конечном счете позволит значительно сократить временные и материальные затраты на восстановление работоспособности воздушных линий электропередачи. Этот положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков заявляемого индикатора состояния полимерных изоляторов, представленной в ниже следующей формуле изобретения: «индикатор электрического состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатого изолятора, состоящего из металлической шапки, стержня и изоляционной детали, соединенных между собой с помощью цементно-песчаной связки; изоляционная деталь снабжена, по меньшей мере, одним электропроводящим элементом, расположенным на ее поверхности, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора, причем площадь S вышеуказанного электропроводящего элемента выбрана S≥1 см; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен концентрическим и расположен на верхней поверхности изоляционной детали, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен концентрическим и расположен на нижней поверхности изоляционной детали, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора; по меньшей мере, два электропроводящих элемента выполнены концентрическими и расположены на верхней и нижней поверхностях изоляционной детали, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен в виде покрытия; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из тонкого металлического листа; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из электропроводящего композитного материала; по меньшей мере, два концентрических электропроводящих элемента на поверхностях изоляционной детали расположены попарно одно за другим, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из металла механическим или химическим способами; по меньшей мере, один электропроводящий элемент покрыт защитным слоем из кремнийорганического эластомера; индикатор электрического состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатого изолятора, состоящего из металлической шапки, стержня и изоляционной детали, соединенных между собой с помощью цементно-песчаной связки; изоляционная деталь снабжена, по меньшей мере, одним электропроводящим элементом, расположенным на ее поверхности и связанным гальванически с, по меньшей мере, одной металлической деталью тарельчатого изолятора, причем площадь S вышеуказанного электропроводящего элемента выбрана S≥1 см; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен концентрическим, расположен на верхней поверхности изоляционной детали и связан гальванически с, по меньшей мере, одной металлической деталью тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен концентрическим, расположен на нижней поверхности изоляционной детали и связан гальванически с, по меньшей мере, одной металлической деталью тарельчатого изолятора; по меньшей мере, два электропроводящих элемента выполнены концентрическими, расположены на верхней и нижней поверхностях изоляционной детали и связаны гальванически с, по меньшей мере, одной металлической деталью тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен в виде покрытия; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из тонкого металлического листа; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из электропроводящего композитного материала; по меньшей мере, два концентрических электропроводящих элемента на поверхностях изоляционной детали расположены попарно одно за другим и связаны гальванически с, по меньшей мере, одной металлической деталью тарельчатого изолятора; по меньшей мере, один электропроводящий элемент выполнен из металла механическим или химическим способами; по меньшей мере, один электропроводящий элемент покрыт защитным слоем из кремнийорганического эластомера».
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 схематически представлен внешний вид индикатора состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатого изолятора, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 то же, что на фиг. 1, вариант с изображением полимерного изолятора с условным внутренним электрическим повреждением длиною ΔL, расположенному на радиальном расстоянии Δr от шапки; на фиг. 3 приведена зависимость между основным геометрическим параметром индикатора: радиальным расстоянием шапка - электропроводящее покрытие Δr и прогнозируемым уровнем поврежденное внутренней изоляции ΔL на примере полимерного изолятора класса 330 кВ.
2
2
2
Заявляемый индикатор электрического состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатого изолятора, который состоит из металлической шапки 1, стержня 2 и изоляционной детали 3, соединяемых между собой с помощью цементно-песчаной связки; на поверхности изоляционной детали 3 располагается минимум один электропроводящий элемент таким образм, чтобы он не соприкасался с металлическими деталями тарельчатого изолятора (может быть неограниченное количество электропроводящих элементов). Площадь S вышеуказанного электропроводящего элемента выбирается величиной из расчета S≥1 см. Опытными испытаниями и математическими расчетами с помощью программы для вычислительных машин доказано, что пороговое значение площади S электропроводящего элемента индикатора, равное S=1 см, является оптимальным с точки зрения достижения высоких его электрических параметров. Величина S>1 см определяется и ограничивается исключительно технологическими условиями и возможностями серийного производства таких индикаторов.
2
По второму варианту индикатор электрического состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатого изолятора, который состоит из металлической шапки 1, стержня 2 и изоляционной детали 3, соединяемых между собой с помощью цементно-песчаной связки, при этом на поверхности изоляционной детали 3 также располагается минимум один электропроводящий элемент (может быть неограниченное количество электропроводящих элементов), но который уже связывается гальванически с одним (или несколькими) металлическим элементом тарельчатого изолятора (площадь S вышеуказанного электропроводящего элемента также выбирается из условия S≥1 см). Опыты и расчеты показали, что в этом варианте достигается существенное снижение порогового чувствительного напряжения перехода индикатора из пассивного состояния к активному прерывистому искровому разряду при достижении заранее прогнозируемого уровня электрического повреждения полимерноо изолятора.
Электропроводящий элемент шириною  может быть выполнен концентрическим (кольцеобразным) и располагаться на верхней поверхности 4 изоляционной детали 3 или на нижней поверхности 5 изоляционной детали 3 на радиальном расстоянии Δr от шапки 1, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора или, как вариант, связываясь гальванически с металлическими деталями тарельчатого изолятора. Также два электропроводящих концентрических (кольцеобразных) элемента могут одновременно располагаться на верхней 4 и нижней 5 поверхностях изоляционной детали 3, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора или, как вариант, связываясь гальванически с металлическими деталями тарельчатого изолятора, (фиг. 1).
Электропроводящие элементы могут быть выполнены в виде покрытия, из тонкого металлического листа и из электропроводящего композитного материала, кроме того электропроводящие элементы на поверхностях изоляционной детали 3 могут располагаться попарно одно за другим, не соприкасаясь с металлическими деталями тарельчатого изолятора или, как вариант, связываясь гальванически с металлическими деталями тарельчатого изолятора. Электропроводящие элементы выполняются из металла механическим или химическим способами и покрыватся защитным диэлектрическим слоем, например, из кремнийорганического эластомера.
Изобретение работает следующим образом:
Как отмечалось, на стандартном изоляторе с повышением напряжения процессы ионизации протекают относительно плавно, коронирующие нити растекаются по всей поверхности изоляционной детали, поэтому токи коронирования не превышают десятки микроампер, вплоть до самого перекрытия изолятора. Организация электропроводящих поверхностей 4 и 5 на изоляционной детали 3, по сути, создает участок с повышенной электрической емкостью в изоляционной детали 3 стеклодетали, то есть, условие протекания высокочастотных токов (см. фиг. 1). С увеличением разности потенциалов между шапкой 1 и стержнем 2, обусловленной электрическим старением полимерного изолятора, происходит перекрытие изоляционных промежутков «шапка 1 и электропроводящее покрытие 4; стержень 2 и электропроводящее покрытие 5». При этом токи перекрытия замыкаются через тело изоляционной детали 3 между покрытиями 4 и 5, вследствие чего создается условие концентрации искровых каналов коронирования, но в то же время, не переходящих в дуговую стадию, поскольку токи ограничены емкостным сопротивлением. По аналитическим оценкам импульсы токов превышают десятки миллиампер, в результате световые, акустические, а также высокочастотные электромагнитные излучения многократно усиливаются. Зажигание искрового разряда происходит практически мгновенно при достижении критического напряжения с частотою приложенного напряжения. Таким образом, предложенный индикатор обладает эффектом триггера с собственным пороговым напряжением перехода пассивного состояния в активное состояние, коррелируемым с глубиною электрического повреждения изоляции полимерного изолятора.
В качестве основы индикатора используются стандартные тарельчатые изоляторы из закаленного стекла или из фарфора по механической прочности не меньшей, чем прочность контролируемого полимерного изолятора. Возможно изготовление специального изолятора тарельчатого типа. Электропроводящие покрытия на поверхностях изоляционной детали создаются с помощью известных технологий металлизации поверхности керамических и стеклянных изделий. Например, вакуумной технологии или путем напыления окиси титана. Защитное покрытие осуществляется методом гидрофобизации поверхности высоковольтных изоляторов кремнийорганическим компаундом холодного отвердения, нашедшего широкое применение в электроэнергетке.
Предлагаемый индикатор электрического состояния полимерных изоляторов на основе тарельчатых изоляторов, присоединяемых последовательно к контролируемому полимерному изолятору для диагностики состояния внутренней изоляции, обеспечивает высокую надежность индикации на поверхностях изоляционной детали тарельчатого изолятора за счет нанесения на них концентрических (кольцеобразных) покрытий из электропроводящего материала. При этом достигается эффект триггера, одномоментного перехода из состояния пассивного коронирования индикатора к активному прерывистому искровому разряду при достижении заранее прогнозируемого уровня электрического повреждения полимерноо изолятора.
Источники информации:
[1]. Описание изобретения к патенту №2479057, Н01В 17/46, заявлено 10.11.2011, опубликовано 10.04.2013.
[2]. Описание изобретения к авторскому свидетельству №1607628, Н01В 17/04, заявлено 05.12.1988, опубликовано 20.08.1995.
[3]. Журнал «Энергетика и электрификация». Киев - 2009. - №4. - С. 29-33.
[4]. Европейский патент №WO 2011089544 А2 «Индикатор пробоя изолятора», Н01В 17/46, опубликован 28.07.2011.
[5]. Патент США №2011011621 А1 «Индикатор пробоя изоляции», Н01В 17/46, опубликован 20.01.2011.
[6]. Описание изобретения к патенту РФ №2392679 «Индикатор состояния высоковольтной изоляции», Н01В 17/00, заявлено 10.06.2009, опубликовано 20.06.2010.
[7]. Описание изобретения к патенту РФ №2479057 «Индикатор пробоя полимерного изолятора и полимерный изолятор с индикацией пробоя», Н01В 17/46, заявлено 10.11.2011, опубликовано 10.04.2013.
[8]. Описание изобретения к патенту РФ №2408104 «Штыревой изолятор с контролем внутренней изоляции», Н01В 17/46, заявлено 10.06.2009, опубликовано 27.126.2010.