ОПОРНО-ИЗОЛЯЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01B17/42 

Изобретение относится к области электротехники и может быть конкретно использовано в конструкциях опорной изоляции высоковольтных электрических аппаратов.

Известны опорно-изоляционные конструкции высоковольтных электрических аппаратов, изготовленные на основе опорно-стержневых фарфоровых изоляторов, образующих вертикальные одиночные колонны для классов напряжения 110-330 кВ или конструкции ферменного типа для классов напряжения 500-750 кВ [1].

Недостатком таких опорно-изоляционных конструкций является значительная материалоемкость, большие габариты и вес фарфоровых элементов, низкие влагоразрядные характеристики и механическая надежность этих изоляторов, высокая повреждаемость фарфоровых частей изоляторов в процессе транспортирования и монтажа.

Существенное уменьшение габаритов и материалоемкости опорно-изоляционных конструкций, повышение надежности работы в условиях загрязнения и увлажнения, исключение повреждаемости изоляционных частей изоляторов в процессе транспортирования и монтажа, повышение механической надежности в процессе эксплуатации достигается при применении в опорно-изоляционных конструкциях опорных полимерных изоляторов на базе стеклопластиковых полимерных изоляторов на основе стеклопластиковых стержней необходимого сечения.

Однако, стеклопластиковые стержни, как и все полимерные диэлектрики, подвержены электрическому старению в электрических полях высокой интенсивности. Для предотвращения критической деградации электроизоляционных свойств полимерных диэлектриков изготовленные из них элементы (стеклопластиковые стержни изоляторов) необходимо экранировать дополнительными экранами, ограничив напряженность электрического поля в полимерной изоляции опорно-изоляционных конструкций до безопасного уровня. Для срока службы аппаратов 30-35 лет этот уровень составляет 2-3 кВд/см для стеклопластиков, полученных путем протяжки, и 5-8 кВд/см - изготовленных путем намотки. Однако произвольное расположение этих экранов относительно нижнего края верхнего металлического фланца верхнего полимерного изолятора не может обеспечить надежную работу опорно-изоляционных конструкций в течение гарантированного срока службы высоковольтного аппарата. Оптимальное расположение дополнительных попарно-соосных экранов используется в опорно-изоляционных конструкциях форменного типа на базе тонкостержневых полимерных изоляторов [2].

Недостатком такой опорно-изоляционной конструкции является сложность конструкции из-за большого числа единичных полимерных изоляционных элементов и дополнительных экранов, состоящих из двух установленных в одной плоскости тороидальных экранов, один из которых расположен в корпусе, а другой охватывает последний [2]. Применение же в опорно-изоляционной конструкции полимерных единичных изоляторов с большим сечением несущего стержня значительно упрощает конструкцию опорной изоляции высоковольтного аппарата и дополнительного экрана, однако, произвольное расположение его относительно нижнего края верхнего металлического фланца верхнего полимерного единичного изолятора не может обеспечить надежную работу опорно-изоляционной конструкции в течение гарантированного срока службы высоковольтного аппарата.

Задачей настоящего изобретения является создание опорно-изоляционной конструкции высокого напряжения повышенной надежности в эксплуатации в течение требуемого срока службы высоковольтного электрического аппарата.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в опорно-изоляционной конструкции, выполненной из единичных опорных полимерных изоляторов с несущим стержнем с верхними и нижними металлическими фланцами и содержащей дополнительный экран с держателями для крепления его к верхнему фланцу верхнего единичного опорного полимерного изолятора, находящегося под высоким электрическим потенциалом, оптимальное заглубление указанного экрана относительно нижнего края верхнего металлического фланца указанного верхнего изолятора и его оси по отношению к продольной оси последнего выбраны в соответствии с соотношениями:




где ΔН_э - оптимальное заглубление экрана относительно точки пересечения оси верхнего единичного опорного полимерного изолятора и плоскости, перпендикулярной оси указанного верхнего изолятора и располагающейся на уровне нижнего края верхнего фланца указанного верхнего изолятора (точка А на фиг. 3), см;
r_и - радиус несущего стержня верхнего единичного опорного полимерного изолятора (определяется на основе механических расчетов опорно-изоляционной конструкции), см;
ΔZ - расстояние между вертикальной осью опорно-изоляционной конструкции и осью верхнего единичного опорного полимерного изолятора на уровне нижнего края металлического фланца указанного изолятора, см; (ΔZ=0 при соосном вертикальном расположении оси опорно-изоляционной конструкции и единичного(ых) изолятора(ов);
r_э - радиус поперечного сечения экрана, см;
R_э - радиус экрана по его осевой линии, см;
К - постоянный коэффициент, значение которого находится в диапазоне 0,50-0,62.

При выполнении опорно-изоляционной конструкции в виде "треноги" с наклонно расположенными единичными опорными полимерными изоляторами угол наклона оси последних α_и к плоскости экрана выбран из соотношения α_и ≥60^o.

Радиус экрана по его осевой линии R_э и радиус его поперечного сечения r_э, выбирают на основе анализа электрического поля. Как показывают исследования, при оптимальном выборе радиуса экрана R_э и его заглубления ΔН_э радиус прутка или трубы r_э, из которого изготавливается экран, должен составлять до 5 мм для экранов всех классов напряжения. Это связано со взаимным влиянием фланца изолятора и экрана: увеличение заряда экрана и, соответственно, увеличение его положительного влияния происходит при r_э≤5 мм. Дальнейшее увеличение r_э, не вызывает роста заряда экрана, так как этот рост компенсируется возрастающим влиянием на экран заряда фланца, т.е. на подавление напряженности одинаково влияют и экран с радиусом 5 мм и радиусом 10 мм. Выбор конструктивных размеров экрана в виде тороида и его заглубления позволит обеспечить снижение напряженности электрического поля в теле верхнего единичного опорного полимерного изолятора вблизи мест его заделки в металлическую арматуру до длительно допустимой величины без увеличения его высоты по электрической прочности в сухом состоянии, повысив надежность при длительной эксплуатации высоковольтного аппарата и существенно снизив эксплуатационные затраты, связанные с диагностикой состояния таких опорно-изоляционных конструкций.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид опорно-изоляционной конструкции электрического аппарата высокого напряжения на 220 кВ, состоящей из двух вертикально расположенных единичных опорных полимерных с несущим стержнем изоляторов; на фиг.2 - общий вид опорно-изоляционной конструкции на напряжение 500 кВ, состоящей из наклонно расположенных единичных опорных полимерных изоляторов с несущим стержнем, образующих форменную конструкцию типа "тренога", на фиг. 3 показано геометрическое расположение дополнительного экрана относительно оси верхнего единичного опорного полимерного изолятора и его нижнего края металлического фланца для общего случая, т. е. когда оси указанных изоляторов наклонно расположены к вертикальной оси опорно-изоляционной конструкции, например, в опорно-изоляционной конструкции типа "тренога"; на фиг.4 приведены зависимости относительного значения напряженности электрического поля е* от отношения ΔН_э/R_э (кривая 1- для ΔZ/R_э= 0, т.е. соосно вертикально расположенных единичных опорных полимерных изоляторов и опорно-изоляционной конструкции; кривая 2 - для ΔZ/R_э=0,45; кривая 3 - для ΔZ/R_э=0,75); на фиг.5 - зависимости оптимального значения отношения ΔH_э/R_э (кривая 4) и минимально допустимого значения ΔH_э/R_э от значения (ΔZ+r_и)/R_э (кривая 5).

Конструктивно опорно-изоляционная конструкция выполнена в виде единичного или набора единичных опорных полимерных с несущим стержнем изоляторов 6 (фиг.1 и 2) и дополнительного экрана 7, закрепленного на верхнем металлическом фланце верхнего единичного опорного полимерного изолятора опорно-изоляционной конструкции, находящегося под высоким электрическим потенциалом, с помощью держателей 8. Единичный опорный полимерный изолятор 6 (фиг.3) состоит из полимерного несущего стержня 9, защитного ребристого трекинго-эрозионно стойкого покрытия 10 и металлических фланцев 11 (нижний фланец изолятора на фиг.3 не показан).

В процессе вычислений варьировалось заглубление экрана ΔН_э, т.е. отношение ΔH_э/R_э. Результаты вычислений представлены на фиг.4, где напряженность электрического поля в зоне закрепления верхнего фланца верхнего единичного опорного полимерного изолятора приведена в относительных единицах е*, т.е. отношение максимальной напряженности электрического поля в указанном верхнем изоляторе после установки экрана заданных размеров к напряженности в неэкранированном указанном верхнем изоляторе. Из полученных кривых видно, что зависимости е*=f (ΔH_э/R_э) при фиксированном отношении (ΔZ+r_и)/R_э имеют минимумы, соответствующие определенным значениям ΔH_э/R_э, т.е. размеры экрана и его расположение относительно нижнего края верхнего фланца указанного верхнего изолятора являются оптимальными и они зависят только от соотношения (ΔZ+r_и)/R_э. На фиг.5 (кривая 4) показана зависимость оптимального отношения ΔН_э/R_э от (ΔZ+r_и)/R_э, полученная по точкам минимумов кривых 1, 2 и 3 из фиг. 4. При практической реализации опорно-изоляционной конструкции с предлагаемым дополнительным экраном по конструктивным соображениям возможны некоторые отклонения от оптимального значения геометрических размеров его расположения, и если допустить увеличение электрической напряженности в указанном верхнем изоляторе на 10%, то отношение ΔH_э/R_э может быть выбрано из диапазона между кривыми 4 и 5 на фиг.5. Аппроксимацией этих кривых и является соотношение (1), где возможный диапазон изменения ΔH_э/R_э задается коэффициентом К (К=0,5...0,62). Кривые на фиг.4 и 5 определены расчетом и хорошо подтверждаются многочисленными экспериментами для верхнего единичного опорного полимерного изолятора при радиусе его стержня r_и, равном 3,6 см.

Конкретный пример определения заглубления экрана для одноствольной опорно-изоляционной конструкции на напряжение 220 кВ, изображенной на фиг.1:
ΔZ= 0, т.к. ось верхнего единичного опорного полимерного изолятора совпадает с осью всей опорно-изоляционной конструкции;
r_и=3,8 см (определен по условиям механических расчетов):
r_э= 0,5 см принят на основании условий, что r_э, нецелесообразно увеличивать больше 5 мм;

для конкретного типа опорного полимерного изолятора ИОСПК-25/450-УХЛ1 и его конструктивных размеров верхнего фланца R, может быть принят равным 8,5 см, а приняв К=0,6 и подставив численные значения в (1), получим величину заглубления экрана:

Применение предлагаемого изобретения позволит повысить надежность работы опорно-изоляционных конструкций высоковольтных аппаратов при длительных условиях (30-35 лет) эксплуатации.

На основании решения трех Департаментов РАО "ЕЭС России" (Департамент стратегии развития и научно-технической политики, Департамент электрических сетей и Департамент генеральной инспекции электрических сетей и станций) конструкции разъединителей и шинных опор высокого напряжения с использованием заявляемого изобретения должны быть освоены в самое ближайшее время с целью повышения надежности и исключения электротравматизма, связанного с поломкой фарфоровых изоляторов традиционных разъединителей.

Источники информации
1. Отраслевой каталог 02.81.01-88 "Шинные опоры ШО35-750 кВ". М.: Информэлектро, 1982.

2. Патент РФ 1415244, 1986, H 01 B 17/42.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях опорной изоляции аппаратов высокого напряжения. В опорно-изоляционной конструкции высокого напряжения, содержащей единичные опорные полимерные изоляторы с несущим стержнем с верхними и нижними металлическими фланцами, дополнительный экран с держателями для крепления его к верхнему фланцу верхнего полимерного изолятора, находящегося под высоким электрическим потенциалом, оптимальное заглубление указанного дополнительного экрана относительно нижнего края верхнего металлического фланца верхнего изолятора и его оси по отношению к продольной оси последнего выбраны в соответствии с соотношениями. Техническим результатом является повышение надежности работы опорно-изоляционной конструкции высоковольтных аппаратов при длительных условиях эксплуатации. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Опорно-изоляционная конструкция высокого напряжения, содержащая единичные опорные полимерные изоляторы с несущим стержнем с верхними и нижними металлическими фланцами, дополнительный экран с держателями для крепления его к верхнему фланцу верхнего единичного опорного полимерного изолятора, находящегося под высоким электрическим потенциалом, отличающаяся тем, что оптимальное заглубление указанного экрана относительно нижнего края верхнего металлического фланца указанного верхнего изолятора и его оси по отношению к продольной оси последнего выбраны в соответствии с соотношениями




где К - постоянный коэффициент, значение которого находится в диапазоне 0,50÷0,62;
ΔН_э - оптимальное заглубление экрана относительно точки пересечения оси верхнего единичного опорного полимерного изолятора и плоскости, перпендикулярной оси указанного верхнего изолятора и располагающейся на уровне нижнего края верхнего фланца указанного верхнего изолятора опорно-изоляционной конструкции, см;
r_и - радиус несущего стержня верхнего единичного опорного полимерного изолятора, см;
ΔZ - расстояние между вертикальной осью опорно-изоляционной конструкции и осью верхнего единичного опорного полимерного изолятора на уровне нижнего края верхнего металлического фланца указанного верхнего изолятора, см;
r_э - радиус поперечного сечения экрана, см;
R_э - радиус экрана по его осевой линии, см. 2. Опорно-изоляционная конструкция по п. 1, отличающаяся тем, что угол наклона оси указанных изоляторов α_и относительно плоскости экрана выбран из соотношения α_и≥ 60^o.