ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИЗОЛЯТОРА С ВЫСОКИМ МЕХАНИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ РАСТЯЖЕНИЮ

Область техники, к которой относится полезная модель
Предложенная полезная модель относится к области высоковольтных электрических изоляторов, предназначенных для удержания в воздухе воздушных линий электропередачи. В частности, она относится к высоковольтным изоляторам типа «тарельчатых» изоляторов, которые можно последовательно надевать друг на друга для формирования гирлянды изоляторов, способной удерживать в воздухе высоковольтные электрические провода при горизонтальном или вертикальном (подвешивании) натяжении.
В частности, объектом полезной модели является диэлектрический элемент или диэлектрическая деталь, которыми оборудован изолятор вышеуказанного типа. Как правило, этот элемент представляет собой тело из закаленного стекла, содержащее полую головку, продолженную расширяющейся частью, образующей юбку. Металлический колпак с выемкой в вершине крепят на наружной поверхности головки, а металлический штырь, конец которого выполнен с возможностью соединения в паз с вершиной колпака смежного изолятора в гирлянде изоляторов, крепят во внутренней полости головки.
Как правило, диэлектрический элемент геометрически характеризуется наружным диаметром юбки и шагом (промежуток между изоляторами), который соответствует вертикальному расстоянию между двумя идентичными точками последовательных диэлектрических элементов гирлянды изоляторов. Кроме того, электроизоляционная способность диэлектрического элемента характеризуется измерением его длины пути утечки, определяемой по наружному профилю диэлектрического элемента, то есть равной кратчайшему расстоянию прохождения по поверхности диэлектрического элемента между колпаком и металлическим штырем. Наконец, механической характеристикой изолятора является его механическое сопротивлением растяжению.
Как сам диэлектрический элемент, так и изолятор и вся гирлянда изоляторов должны быть изготовлены с соблюдением требований как электрического, так и механического и химического порядка, а также с соблюдением размерных требований, чтобы отвечать действующим нормам, в частности, международной норме IEC60815. Таким образом, речь идет о соответствующем профилировании диэлектрика каждого изолятора и использовании их достаточного количества в гирлянде, но с учетом пространственных ограничений. Действительно, после установки на место гирлянда изоляторов обычно оказывается либо подвешенной вертикально по отношению к мачте, с которой она связана, будучи по существу параллельной этой мачте, либо закрепленной на мачте в полугоризонтальном положении. Однако как в одном, так и в другом случае предусмотрены минимальные расстояния между гирляндой и мачтой, а также между гирляндой и землей, чтобы сохранять максимальную безопасность даже в сложных метеорологических условиях, таких как ветер, снег. Это значит, что, каким бы ни был уровень загрязнения, нельзя неограниченно увеличивать длину гирлянды, напрямую связанную с числом применяемых изоляторов, и даже ее ширину, напрямую определяемую наружным диаметром юбки диэлектриков.
Таким образом, чтобы разработать новый электрический изолятор для применения при высоком напряжении и сильном загрязнении, должны быть выполнены многочисленные условия, в частности, это касается профиля диэлектрика, который часто является результатом компромисса между достаточно большой длиной пути утечки и уменьшением пространственного габарита, определяемого как диаметром его юбки, так и его шагом.
Уровень техники
Из документа FR 2680041 известен электрический изолятор со стеклянным диэлектриком, используемый в гирляндах изоляторов для высоковольтных проводов под напряжением свыше 90 кВ, который содержит диэлектрический элемент с юбкой диаметром от 320 до 350 мм при шаге от 140 до 150 мм, образующий длину пути утечки от 550 до 575 мм.
Полезной моделью предлагается электрический изолятор типа вышеуказанного «тарельчатого» изолятора, но адаптированный для очень высоких или сверхвысоких напряжений. В этом диапазоне напряжений провода имеют диаметры, превышающие стандарты, и, следовательно, очень большой вес, который должны выдерживать гирлянды изоляторов.
В настоящее время для подвешивания этих проводов применяют множественные гирлянды вышеуказанных изоляторов. Например, для линий сверхвысокого напряжения используют двойную, тройную или четверную гирлянду изоляторов, в которой каждый изолятор имеет сопротивление растяжению порядка 550 кН. Бывают также случаи использования четверной гирлянды изоляторов, в которой каждый изолятор имеет сопротивление растяжению порядка 300 кН, что дает в совокупности сопротивление растяжению порядка 1200 кН.
Эти множественные гирлянды являются тяжелыми, сложными и дорогими, так как они требуют использования большого количества инструментов для подсоединения и крепления. Кроме того, чем сложнее комплект гирлянд, тем сложнее операции по обслуживанию или работа под напряжением.
Были предложены изоляторы с фарфоровым диэлектриком, но они остаются более тяжелыми, чем изоляторы с диэлектриком из закаленного стекла, и, кроме того, они остаются также более габаритными, поскольку имеют больший шаг по сравнению с изолятором с диэлектриком из закаленного стекла. Это объясняется, в частности, тем, что, поскольку максимально допустимые механические напряжения для фарфора ниже, чем для закаленного стекла, то при применении фарфора размер головки диэлектрика изолятора всегда будет больше.
Электрические изоляторы с диэлектриком из закаленного стекла имеют в настоящее время механическое сопротивление растяжению, ограниченное значением в 550 кН.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели состоит в создании электрического изолятора с диэлектриком из закаленного стекла, который может обладать очень высоким сопротивлением растяжению, превышающим 700 кН и доходящим до 900 кН, и который может отвечать требованиям применения при очень высоком и сверхвысоком напряжении, имея при этом минимальные вес и шаг.
Поставленная задача решена в диэлектрическом элементе для высоковольтного изолятора с очень высоким механическим сопротивлением растяжению типа элемента из закаленного стекла, имеющем форму тела вращения вокруг продольной оси, содержащем полую головку, продолженную рифленой юбкой, при этом, согласно изобретению, его профиль выполнен с возможностью образования длины пути утечки, составляющей от 550 до 800 мм, при наружном диаметре юбки, составляющем от 380 до 450 мм, и при шаге, составляющем от 260 до 290 мм и предпочтительно от 270 до 280 мм, при этом диэлектрический элемент имеет вес, составляющий от 10 до 13 кг, причем указанная юбка содержит четыре внутренних кольцевых ребра, в том числе первое ребро, второе ребро, более короткое, чем первое ребро, вдоль продольной оси, третье ребро, компланарное со вторым ребром в плоскости, перпендикулярной к указанной продольной оси, и четвертое ребро, более короткое, чем указанные второе и третье ребра, вдоль продольной оси, что позволяет получать максимальные пути тока утечки. При таком расположении можно одновременно добиться максимальной длины пути утечки, минимального шага и максимальной механической прочности. Эти максимальные характеристики относятся, в частности, к гирляндам изоляторов, установленным с креплением в, по существу, горизонтальном положении, в котором действуют самые большие механические нагрузки. Диэлектрический элемент в соответствии с полезной моделью может иметь следующие отличительные признаки:
- указанная головка имеет высоту, измеренную между ее вершиной и юбкой и составляющую от 100 до 120 мм, наружный диаметр, составляющий от 105 до 120 мм, и внутреннюю полость с внутренним диаметром, составляющим от 55 до 65 мм;
- указанная головка имеет высоту, измеренную между ее вершиной и юбкой и составляющую от 100 до 120 мм, наружный диаметр, составляющий от 105 до 120 мм, и внутреннюю полость с внутренним диаметром, составляющим от 65 до 75 мм;
- указанное первое ребро имеет высоту, измеренную от вершины указанной головки и составляющую от 195 до 205 мм, указанные второе и третье ребра имеют соответствующую высоту, измеренную от вершины головки и составляющую от 175 до 180 мм, указанное четвертое ребро имеет высоту, измеренную от вершины головки и составляющую от 165 до 170 мм;
- указанное первое ребро имеет диаметр, составляющий от 310 до 340 мм, указанное второе ребро имеет диаметр, составляющий от 250 до 270 мм, указанное третье ребро имеет диаметр, составляющий от 190 до 220 мм, указанное четвертое ребро имеет диаметр, составляющий от 140 до 160 мм;
- указанная юбка имеет толщину стенки, составляющую от 11 до 18 мм;
- указанная головка содержит от семи до двенадцати желобков снаружи и от семи до четырнадцати желобков внутри.
Поставленная задача решена в высоковольтном электрическом изоляторе с очень высоким механическим сопротивлением растяжению типа «тарельчатого» изолятора, содержащего, согласно изобретению, такой диэлектрический элемент, на котором жестко закреплены металлический колпак и металлический штырь, причем высоковольтный изолятор имеет сопротивление растяжению, превышающее 700 кН.
Поставленная задача решена в гирлянде высоковольтных электрических изоляторов с очень высоким механическим сопротивлением растяжению, при этом, согласно изобретению, она содержит несколько вышеуказанных высоковольтных изоляторов, последовательно надетых друг на друга.
Поставленная задача решена также в электрической установке, содержащей провод электропередачи, поддерживаемый в воздухе вышеуказанной гирляндой высоковольтных электрических изоляторов с очень высоким механическим сопротивлением растяжению.
Краткое описание чертежей
Предложенная полезная модель и ее преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показан высоковольтный изолятор с очень высоким механическим сопротивлением растяжению, содержащий диэлектрический элемент в соответствии с полезной моделью;
на фиг.2 показан диэлектрический элемент, изображенный на фиг.1, вид в разрезе;
на фиг.3 очень схематично показана электрическая установка в соответствии с полезной моделью, содержащая гирлянду высоковольтных изоляторов с очень высоким механическим сопротивлением растяжению в соответствии с полезной моделью.
Осуществление полезной модели
Как показано на фиг.1, высоковольтный изолятор 1 в соответствии с полезной моделью содержит диэлектрический элемент 2, на котором при помощи цемента или раствора (например, типа «Портланд» или глиноземистого цемента, или сульфоалюмината кальция) закреплены металлический колпак 3 с выемкой в вершине и металлический штырь 4.
Как показано на фиг.1, выемка в вершине металлического колпака 3 имеет форму, соответствующую форме свободного конца металлического штыря 4, для обеспечения их взаимного захождения друг в друга с целью образования гирлянды последовательно соединенных изоляторов.
Согласно полезной модели, этот высоковольтный изолятор 1 выполнен таким образом, что имеет очень высокое сопротивление растяжению, превышающее 700 кН, при этом его металлический колпак 3 может иметь вес около 11 кг, а металлический штырь 4 может иметь вес около 2,5 кг, при этом вес цемента составляет примерно 0,85 кг.
Диэлектрический элемент 2 этого высоковольтного изолятора 1, детально показанный на фиг.2, представляет собой выполненное из закаленного стекла тело вращения вокруг продольной оси A, содержащее цилиндрическую полую головку 6 с осью A и рифленую юбку 7, расширяющуюся и коаксиально продолжающую головку 6.
Головка 6 имеет, например, наружный диаметр, составляющий примерно от 105 до 120 мм, в данном случае равный 117 мм, и внутренний диаметр (диаметр внутренней цилиндрической полости), составляющий примерно от 55 до 65 мм. Предпочтительно головка 6 имеет внутренний диаметр, составляющий примерно от 65 до 75 мм, в данном случае равный 67,5 мм+/-1 мм, что позволяет добиться оптимальных механических характеристик. При таких интервалах конкретных значений достигают оптимального компромисса между достаточно большой длиной пути утечки, уменьшением пространственного габарита и хорошей механической прочностью. Толщина наиболее узкой стенки в вершине головки 6 составляет около 20 мм, в данном случае равна 19 мм.
Как показано на фиг.2, как на наружной поверхности головки 6, закрепленной на металлическом колпаке 3, так и на внутренней поверхности полости головки 6, закрепленной на металлическом штыре 4, выполнен ряд желобков в достаточном количестве. В примере, показанном на фиг.2, выполнено от семи до двенадцати желобков снаружи головки и от семи до четырнадцати желобков внутри головки 6. Высота h головки 6, измеренная между ее вершиной и верхом юбки 7, составляет примерно от 100 до 120 мм и предпочтительно примерно от 105 до 115 мм и в данном случае равна 111 мм.
На уровне сопряжения головки 6 и юбки 7 внутри юбки 7 выполнен усилительный выступ 8.
Высота H диэлектрического элемента 2, измеренная между вершиной головки 6 и самой нижней точкой юбки 7, составляет примерно от 190 мм до 210 мм и в данном случае равна 201 мм. Юбка 7 имеет наружный диаметр DJ в плоскости PJ не менее 350 мм и предпочтительно составляющий от 380 до 450 мм, в данном случае равный 400 мм.
Юбка 7 диэлектрического элемента 2 содержит внутренние кольцевые ребра N1, N2, N3, N4, коаксиальные друг с другом и с периферическим краем 7А юбки 7. Согласно частному примеру профиля диэлектрического элемента 2, юбка 7 содержит четыре внутренних кольцевых ребра N1, N2, N3, N4, из которых два смежных ребра являются компланарными в плоскости, перпендикулярной к оси A.
Ребра N1-N4 имеют в сечении слегка конусный профиль. Диаметр DN1 первого ребра N1 в плоскости PN1 составляет от 310 до 340 мм и в данном случае равен 323 мм. Диаметр DN2 второго ребра N2 в плоскости PN2 составляет от 250 до 270 мм и в данном случае равен 263 мм. Диаметр DN3 третьего ребра N3 в плоскости PN3 составляет от 190 до 220 мм и в данном случае равен 203 мм. Диаметр DN4 четвертого ребра N4 в плоскости PN4 составляет от 140 до 160 мм и в данном случае равен 148,5 мм.
Толщина стенки юбки 7 составляет от 11 до 18 мм. На уровне периферического края 7A до ребра N1 толщина юбки равна 11 мм. Между ребрами N1 и N2 толщина юбки равна 12 мм. На уровне ребер N2 и N3 толщина юбки равна 13 мм. Между ребрами N3 и N4 толщина юбки равна 15 мм. Между ребром N4 и выступом 8 толщина юбки равна 18 мм.
Как показано на фиг.2, ребро N2 является более коротким, чем ребро N1, вдоль оси A, ребро N3 имеет такую же длину, что и ребро N2, и ребро N4 является более коротким, чем ребра N2 и N3.
Ребро N1 имеет высоту, измеренную от вершины головки 6, составляющую от 195 до 205 мм, в данном случае равную 201 мм. Ребра N2 и N3 имеют соответственно высоту, измеренную от вершины головки 6, составляющую от 175 до 180 мм, в данном случае равную 175,5 мм. В целом эти два ребра могут иметь разную длину, но она все же должна находиться в этом интервале, если не ставится задача одновременно достичь условий максимальной длины пути утечки, минимального шага и максимального механического сопротивления растяжению. Ребро N4 имеет высоту, измеренную от вершины головки 6, составляющую от 165 до 170 мм, в данном случае равную 167 мм.
На фиг.2 также видно, что наружный край 7A юбки 7 является компланарным в плоскости PJ с ребрами N2 и N3. Высота края 7A юбки 7, измеренная от вершины головки 6, составляет, таким образом, от 175 до 180 мм и в данном случае равна 175,5 мм.
При такой конфигурации ребер N1-N4, головки 6 и периферического края 7A юбки 7 диэлектрический элемент 2 высоковольтного изолятора 1 имеет длину пути утечки, составляющую от 550 до 800 мм, предпочтительно составляющую от 650 до 700 мм и в данном случае равную 680 мм. Шаг P изолятора составляет от 260 до 290 мм и предпочтительно от 270 до 280 мм.
Согласно этой конфигурации, вес диэлектрического элемента 2 из закаленного стекла составляет от 10 до 13 кг, что делает возможным его формовку и его закалку с применением существующих инструментов и обеспечивает сохранение физических характеристик и качества производства.
Если принять во внимание вес металлического штыря 4, металлического колпака 3 и цемента 5, то общий вес высоковольтного изолятора 1 может составлять от 24 до 30 кг, предпочтительно от 25 до 28 кг.
На фиг.3 показана электрическая установка 10, содержащая электрический провод 11, удерживаемый на опоре типа мачты 13 гирляндой 12 высоковольтных изоляторов 1, надетых последовательно друг на друга.
При оптимизированном высоковольтном изоляторе 1 в соответствии с полезной моделью, имеющем путь утечки 680 мм и шаг 270 мм при наружном диаметре юбки 400 мм и общем весе 26,165 кг, из которых 11 кг приходится на закаленное стекло, получают гирлянду изоляторов длиной 17,1 метров, образованную 63 изоляторами, что дает общий путь утечки 42880 мм. Гирлянда изоляторов этого типа обеспечивает полную совместимость, например, с линиями постоянного тока напряжением 800 кВ.