ИЗОЛЯТОР С НЕОРГАНИЧЕСКИМ КОМПОЗИТНЫМ СТЕРЖНЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01B17/00 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным подвесным и опорным стержневым композиционным изоляторам воздушных линий электропередачи (ВЛЭП) и открытых распределительных устройств (ОРУ), рассчитанным на напряжение преимущественно 6-1150 кВ.

Предшествующий уровень техники

В последние годы производство и применение композитных изоляторов в электроустановках высокого напряжения во многих странах неуклонно расширяется. В применении полимерных композитных изоляторов наряду с несомненными достижениями, остается ряд серьезных нерешенных проблем. Поэтому изготовители изоляторов довольно скупо информируют заинтересованных специалистов о своих достижениях и недостатках, сохраняя в секрете не только аспекты технологии и конструктивные особенности изоляторов, но и опыт их эксплуатации.

Среди классических стержневых изоляторов основное место занимают керамические (фарфоровые) изоляторы. Некерамические изоляторы делятся на композитные изоляторы, состоящие из нескольких видов полимеров, и цельные изоляторы - из одного полимерного материала. Наиболее широкое распространение в мире и в России нашли композитные изоляторы. Стандарт МЭК 1109 (1992) распространяется только на линейные композитные изоляторы (подвесные и натяжные изоляторы, междуфазные распорки ВЛ). Основой композитных полимерных изоляторов является стеклопластиковый стержень, состоящий из эпоксидной (фенолформальдегидной, циклоалифатической) смолы и армирующих стеклянных нитей (стеклоровинга). Стандарт МЭК 1109 /1/ был разработан первым, и на его основе создавалась основная масса полимерных композитных изоляторов последнего времени.

Начиная с 60-х годов, конструкция этих изоляторов встречается также в большинстве патентов, связанных со стержневыми полимерными композитными изоляторами. Их всех объединяет общая конструкция: силовой стеклопластиковый стержень, защитная оболочка из трекингостойкого полимера (полиолефин, силикон и др.), металлические фланцы на концах для крепления изолятора. Стеклопластиковый стержень обычно состоит из матрицы на основе термореактивного полимера, например эпоксидного, и армирующих тонких однонаправленных волокон. Метод изготовления стеклопластика со стеклянными нитями детально описан в патенте US 3557447 Jan. 1971. Во всех изоляторах, применяемых в мире сегодня, используется стержень из термореактивного полимера, армированный стеклянными нитями. В частности, в патентах US 4604498 Aug. 1986, US 4212696 Jul. 1980, US 6051796 Apr. 2000, US 3134164 May 1964, US 4246696 Jan. 1981, US 4217466 Aug. 1980, SU 983758 от 23.12.1983 прямо указывается на использование стеклянных волокон и полимерной матрицы в композитном силовом стержне. В патентах японской фирмы NGK Insulators Ltd., например, ЕР 0617433 от 25.03.1994 описывается изолятор с полимерным стержнем, армированным прочными волокнами, без указания на материал стержня. Сам стержень и материал по этому патенту не является объектом охраны. Вообще стеклопластиковый стержень с эпоксидной матрицей и армирующими стеклянными волокнами после введения стандарта IEC 1109 является неотъемлемым элементом композитного полимерного изолятора и не подвергается изменениям, несмотря на существующие проблемы в эксплуатации.

Некоторые типы композитных подвесных изоляторов, изготовленных различными заводами с начала 70-х годов, оказались механически непрочными, что привело к ряду серьезных аварий даже после короткого срока их эксплуатации. Эти отказы в работе изоляторов произошли при механических нагрузках, значительно меньших, чем номинальная, а поверхность разрушения стеклопластика заметно отличалась от наблюдающейся при лабораторных механических испытаниях. Этот вид разрушения, впоследствии получивший название "хрупкого излома", был воспроизведен в лабораторных условиях, когда к стеклопластиковому стержню прилагалась относительно низкая растягивающая нагрузка с одновременным кислотным воздействием. В /2/ даны рекомендации по идентификации хрупкого разрушения стеклопластикового стержня композитных изоляторов. Основные визуально наблюдаемые характеристики хрупкого излома стеклопластика: гладкая (без осколков) поверхность разрушения, в основном расположенная перпендикулярно оси стержня (лишь некоторые волокна выступают из смолы), наличие нескольких одновременно формирующихся по длине стержня плоскостей (трещин) разлома, поверхности разрушения чистые, не видно большого числа разрушенных волокон. В отличие от «хрупкого излома» при обычном разрушении стеклопластика растягивающей нагрузкой видно много разрушенных волокон (не кристаллических, а белых), мелких частиц стекла и смолы, а поверхность разрушения находится под углом 45 градусов к оси стержня.

В настоящее время это разрушение изучается во многих странах. На основе этих наблюдений принят следующий механизм хрупкого излома: чаще всего он происходит внутри металлической арматуры изоляторов, где распределение механических напряжений по сечению стержня особенно неравномерно, или на расстоянии 5-10 см выше нижнего оконцевателя, где при отсутствии экранов наблюдается наибольшая напряженность электрического поля. Трещина, начинающая хрупкое разрушение под действием растягивающей нагрузки, медленно распространяется до тех пор, пока вследствие постепенного уменьшения поперечного сечения стержня механическое напряжение возрастет до достаточно высокого уровня, производящего разрыв волокон. Изучение поверхности хрупкого разрушения с помощью микроскопа обнаруживает "линии остановки", где начинаются трещины. Оценка многих хрупких разрушений показывает, что они связаны с низкой механической нагрузкой, медленным распространением трещин, инициацией их на поверхности стеклопластикового стержня. Обязательным фактом, сопровождающим хрупкие разрушения, является наличие контакта со стеклопластиком активных химических веществ, особенно кислотного раствора, т.е. хрупкое разрушение связано с коррозией материала матрицы стеклопластика в сочетании с механической нагрузкой. Когда кислота контактирует сначала со смолой матрицы, а затем со стекловолокнами, происходит ионный обмен между кислотой и стеклянной решеткой. Это приводит к повышенным нагрузкам на поверхности стекловолокна, вызывающим спиральные трещины на поверхности стекла. Как известно, стеклопластиковые стержни композитных изоляторов изготавливаются из стекловолокон, размещенных в полимерной смоле. Высокая механическая прочность стержней определяется стекловолокнами. Трещины начинаются в смоле в результате отсутствия стойкости материала смолы к кислоте или другим неблагоприятным факторам. Если кислота достигает стекловолокна (обычно это происходит вблизи или на поверхности стержня), волокно разрывается в плоскости распространения трещины. Разрывы происходят постепенно: волокно за волокном. Кислота может мигрировать также продольно, вызывая постепенное распространение «хрупкого разрушения» вдоль стержня. При этом по мере распространения трещины механическое напряжение перед трещиной возрастает и поэтому трещина распространяется все быстрее. На заключительной стадии, когда скорость распространения трещины достигает скорости звука в стеклопластике, режим разрушения изменяется от «хрупкого» до нормального.

Рассмотренное явление «хрупкого излома» может наблюдаться в композитных изоляторах, подвергающихся обычным атмосферным воздействиям, поскольку некоторые кислоты различной концентрации могут содержаться в атмосферном воздухе. Азотная кислота может образовываться также на поверхности изолятора при электрических разрядах во влажной среде. Опасность «хрупкого излома» резко возрастает, если ребра защитной оболочки изоляторов повреждаются и обнажают стержень.

Существенным недостатком стержней на основе полимерных термореактивных смол (эпоксидных, полиэфирных, фенольных и др.) является их восприимчивость к внешним неблагоприятным воздействиям: солнечной радиации, температуре, атмосферным воздействиям, озону, влаге, электрической дуге, трекингу, коронным разрядам и т.д. Особенно негативно отражается на работе высоковольтных изоляторов не стойкость стеклопластикового стержня к воздействиям поверхностных токов и внутренних частичных разрядов. При прохождении по поверхности эпоксидной или другой полимерной органической смолы токов утечки поверхность подгорает и обугливается. Результатом термического разложения органических смол являются продукты, содержащие углерод, а углерод, как известно, является хорошим электрическим проводником. В результате воздействия поверхностных токов на смолу матрицы стеклопластикового стержня образуется проводящая дорожка, которая быстро приводит к разрушению изолятора, короткому замыканию и пробою изолятора. Этот же механизм с небольшими изменениями действует при частичных разрядах во внутренних полостях изолятора. Именно для защиты стеклопластика применяется на полимерных изоляторах защитные оболочки из трекингостойкой, устойчивой к воздействию токов утечки силиконовой резины. Результатом термического разложения силиконовой резины является диоксид кремния, диэлектрик. А для устранения частичных разрядов внутри применяется вакуумирование при изготовлении и строгий контроль уровня частичных разрядов при контрольных испытаниях перед отгрузкой потребителю готовых изоляторов.

Всех этих недостатков были лишены традиционные керамические изоляторы. Они изготавливались из электротехнического фарфора и имели монолитную конструкцию. Основным недостатком фарфоровых изоляторов является хрупкость, низкая механическая прочность, очень низкая ударная прочность, возможность падения провода при поломке. Все опорные фарфоровые изоляторы имеют слабое место около нижнего металлического фланца. Обычно в этом месте происходит разрушение изолятора при механических нагрузках. Композитные полимерные изоляторы не разрушаются под действием только механических эксплуатационных нагрузок, так как стеклянные армирующие нити имеют прочность на растяжение в несколько раз больше прочности фарфора. Фарфор имеет приемлемую прочность только на сжатие. Стеклопластиковые стержни прекрасно работают на растяжение и изгиб. Их почти невозможно сломать. Под нагрузкой они прогибаются, как стеклопластиковое удилище, но не ломаются. Это свойство стеклопластика и используется в полимерных изоляторах и, в частности, в опорной стержневой изоляционной конструкции RU 2173902 от 1999.12.23, которая является прототипом предлагаемого изолятора.

Цели изобретения

Изобретением решается задача создания изолятора с несущим стержнем, устойчивым к воздействию неблагоприятных факторов эксплуатации и к воздействию механических динамических ударных нагрузок.

Описание и пример реализации

При применении стеклопластиковых композитных изоляторов невозможно полностью исключить разрушения под действием неблагоприятных атмосферных воздействий и полностью исключить возможность «хрупкого излома» и падения изолятора с проводом под напряжением на землю. С другой стороны, не применять высокопрочные композитные материалы невозможно, так как несущий стержень должен выдерживать нагрузки на разрыв более 70 кН, а тяжение проводов воздушных линий электропередачи особенно в аварийном режиме может превышать 400 кН. У опорных изоляторов боковые изгибающие нагрузки достигают величины 10 кН. Стержень, выполненный монолитным без армирования из любого полимера, не может выдержать таких нагрузок. Керамические монолитные материалы обладают всеми необходимыми электрическими свойствами, но не обладают механическими свойствами композитных полимеров. Возникает конфликтная ситуация: композитный материал должен быть и в то же время композитного материала не должно быть. Разрешить этот конфликт удалось в предлагаемом изоляторе. Несущий электроизоляционный стержень выполнен из неорганического композиционного материала, армированного стеклянными волокнами. Матрица, соединяющая стеклянные волокна, выполнена на основе неорганического фосфатного связующего.

Химический процесс, инициирующий твердение фосфатных систем, это кислотно-основное взаимодействие жидкой протонированной среды с твердыми веществами основной природы. Любая реакция кислотно-основного взаимодействия в гетерогенных дисперсных системах типа твердое-жидкое является синтезом вяжущих веществ и материалов. Наиболее простые по составу фосфатные вяжущие образуются системами кислотно-основного взаимодействия оксид-ортофосфорная кислота. Условия проявления вяжущих свойств в фосфатных вяжущих системах изменяются с изменением химических особенностей твердой фазы, как основания. Снижение ионного потенциала катиона в оксиде или работы выхода электрона обуславливает повышение его основных свойств. В соответствии с этим происходит увеличение химической активности оксида по отношению к кислоте и переход от фосфатных систем, отвердевающих только в условиях, стимулирующих химическое взаимодействие компонентов (нагрев, механохимическая активация и т.д.) к системам, твердеющим при нормальных условиях, и далее к объектам, проявляющим вяжущие свойства только при снижении интенсивности взаимодействия твердой фазы и затворителя. Так для оксидов кремния, титана, алюминия, циркония, магния, хрома, кобальта требуется активация процесса взаимодействия с ортофосфорной кислотой для проявления вяжущих свойств. Оксиды железа, никеля, меди твердеют при нормальных условиях. Оксидам магния, цинка, кадмия, кальция, бария требуется пассивация процесса взаимодействия. Исходя из этих свойств, производится подбор оксидов для фосфатных вяжущих. Некоторые природные материалы, используемые в электроизоляционной промышленности, могут использоваться в фосфатных связках. Примером электроизоляционных систем могут являться слюдофосфатные материалы - результат взаимодействия слюдяных минералов (флогопит и мусковит) с алюмохромфосфатными растворами. Наибольшее применение на практике получили магний-, алюминий-, хром-, цирконийфосфатные связки, а также комбинированные связки на их основе и щелочные полифосфатные растворы. Это обусловлено широким диапазоном составов и свойств, хорошими адгезионными и теплофизическими характеристиками связок.

Как показали испытания, применение для изготовления композитных стержней фосфатных связок, позволило значительно увеличить термостойкость, стойкость к дуге, сопротивляемость трекингу и токам утечки изоляторов. Композитные стержни на основе термореактивных смол требовали специальной защиты от неблагоприятных факторов при эксплуатации. Композитные стержни на основе фосфатной матрицы и стеклянных армирующих нитей не требуют мер по защите от воздействий атмосферы, озона, ультрафиолета, осадков и загрязнений. Механические свойства неорганических композитных стержней, в первую очередь, определяются свойствами армирующих волокон, характристиками примененного стеклоровинга. Исходя из этого, основные механические свойства неорганического композитного материала сопоставимы со свойствами полимерных композитов. К основным свойствам, используемым в изоляторах, следует отнести высокую механическую прочность на растяжение и изгиб, стойкость к динамическим ударным нагрузкам, отсутствие хрупкости, отсутствие излома при потере механической прочности и, как следствие, невозможность падения провода на землю.

Высокая стойкость неорганических композитных стержней к неблагоприятным воздействиям позволяет применять их в изоляторах без защитного силиконового или другого покрытия. До сих пор полимерные изоляторы на основе стеклопластикового стержня обязательно требовалось защищать трекингостойкой, устойчивой к атмосфере, электрической дуге, ультрафиолету и т.д. защитной оболочкой из силиконовой резины. В случае нарушения герметичности силиконовой оболочки или ее разрушения (например, в результате поклева птицами) происходило быстрое разрушение стеклопластикового стержня и выход из строя изолятора с его полным разрушением. Предлагаемые изоляторы лишены этого существенного недостатка.

Изоляторы с неорганическим композитным стержнем на основе фосфатных связок обладают всеми преимуществами полимерных композитных изоляторов, но не подвержены воздействию неблагоприятных факторов эксплуатации даже без защитной оболочки.

Технология производства композитного материала на основе неорганических фосфатных связок идентична технологии производства композитов на основе реактопластов, и не представляет сложности. Единственным отличием является применение для материала матрицы фосфатных вяжущих, вместо термореактивных полимерных смол. В частности стержни диаметром до 80 мм изготавливаются методом пултрузии. Метод заключается в протягивании через фильеру пучка тонких стеклянных нитей, пропитанных вяжущим матрицы, и последующим отверждении матрицы в результате необратимой реакции при нагревании в печи до температур от 80 до 300 градусов Цельсия. По данной технологии изготавливается до 85% всех полимерных композитных стержней, армированных стеклянными или другими волокнами, при этом нити также пропитываются полимером, который необратимо затвердевает в результате химической реакции при повышенной температуре от 80 до 180 градусов Цельсия. Увеличение температуры до 300 градусов не представляет сложности.

Возможно применение процесса из двух стадий. На первой стадии происходит пропитка армирующих волокон фосфатным связующим, вытягивание через фильеру и предварительная сушка. На второй стадии стержни помещают в печь с температурой, необходимой для активации процесса кислотно-основного взаимодействия фосфатного вяжущего (например, 300 градусов Цельсия), где происходит окончательное отверждение неорганического композита.

Возможно изготовление изделий и другими методами, традиционно принятыми в производстве полимерных композитных материалов. Такими методами являются: намотка армирующих нитей, предварительно пропитанных фосфатным связующим, на оправку, выкладка предварительно пропитанного в фосфатном связующем материала из армирующей ткани или хаотичного пучка нитей, прессование заготовок из пропитанного тканевого или однонаправленного армирующего материала в пресс-формах с подогревом.

Методом намотки создают наиболее прочные конструкции при минимальном весе, что достигается ориентацией армирующих волокон в направления действия главных нагрузок. На предприятии-заявителе были опробованы все методы изготовления композиционных материалов на основе фосфатных связующих. Основным типом связки, применявшимся при изготовлении опытных партий изделий, были алюмофосфатные связки и алюмохромфосфатные связки. Состав материала для изготовления несущих стержней изоляторов обычно был следующий: алюмохромфосфатная связка или алюмофосфатная связка с молярным соотношением P₂O₅/Al₂O₃ в пределах 3,0-3,2-8-25%, порошок оксида алюминия с содержанием Al₂O₃ не менее 95% и зернистостью М5-М20 до 70%, армирующие стеклянные волокна из стекла марки Е - от 15% до 70%.

Несущие стержни для изоляторов, на основе фосфатных связок, в отличие от стеклопластиковых обладают рядом свойств, необходимых и проявляющихся при эксплуатации высоковольтных изоляторов с нагрузкой. При изготовлении на предприятии - заявителе опытной партии высоковольтных изоляторов на напряжение 110 кВ, 220 кВ и проведении последующих исследований было доказано, что цель изобретения достигнута.

Изоляторы, изготовленные на основе неорганического композитного стержня, успешно выдержали воздействие загрязнений растворами минеральных кислот, щелочей и солей. Испытания изоляторов проводились в экстремальных для эксплуатации условиях согласно рекомендациям CIGRE [3] и международному стандарту IEC1102 [1]. При дополнительных сравнительных испытаниях на воздействие органических кислот изоляторы показали лучшие результаты, чем аналогичные изоляторы, изготовленные на основе стеклопластиковых стержней. Воздействие таких кислот в реальных условиях эксплуатации не встречается. Все вредные воздействия согласно общепринятым методикам испытаний полимерных высоковольтных изоляторов были применены при испытаниях и изоляторы успешно выдержали эти испытания.

Для ужесточения условий испытаний изоляторы изготовили без защитных силиконовых оболочек. В результате испытаний этих изоляторов была выявлена возможность работы изоляторов под напряжением без защитной силиконовой оболочки. В соответствии с программой ускоренных испытаний расчетный период работы изолятора составил более 10 лет. При этом надо учитывать, что высоковольтный изолятор на основе стеклопластикового стержня без защитной оболочки разрушается в течение от 1 дня до 3 месяцев.

Механические испытания показали более высокие характеристики при растягивающих нагрузках. При воздействии длительных динамических изгибающих и растягивающих усилий изоляторы, изготовленные на основе неорганического композитного стержня, показали результаты, превосходящие в 15-20 раз характеристики изоляторов изготовленных из электротехнического фарфора. При воздействии динамических нагрузок усталостные разрушения в предлагаемых стержнях изолятора наступали значительно позднее, чем в фарфоровых. Это дает возможность прогнозировать значительное увеличение срока службы этих изоляторов, так как подвесные изоляторы при вибрации проводов и опорные изоляторы в составе разъединителей испытывают именно динамические нагрузки.

Результатом использования предлагаемого изолятора на основе неорганического стержня является отсутствие «хрупкого излома» в подвесных изоляторах, устойчивость к воздействиям неблагоприятных факторов в эксплуатации. На предприятии - заявителе были изготовлены стержни методом пропитки армирующих волокон связующим фосфатной матрицы под давлением. Для производства стержней использовались стеклянные нити производства ОАО «Тверьстеклопластик», в качестве связующего использовался состав из алюмофосфатного связующего с молярным соотношением и Р₂O₅/Al₂О₃ в пределах 3-3,5 и порошок оксида алюминия с содержанием α-Al₂О₃ не менее 95% и зернистостью М5-М20. В результате длительных испытаний, имитирующих условия возникновения «хрупкого излома», не было выявлено ни одного случая такого типа разрушения. Контрольные образцы изоляторов со стеклопластиковым стержнем показали разрушение в 3-х случаях из 10-ти стеклопластиковые стержни изготавливались по той же технологии с применением для армирования стеклянного ровинга производства ОАО «Тверьстеклопластик» и в качестве связующего - эпоксидной смолы ЭД-20 с отвердителем ПЭПА (полиэтиленполиамин). Испытания проводились в течение 8 месяцев по методике CIGRE [3].

Главным результатом использования стержня на основе неорганической фосфатной связки является высокая устойчивость изолятора на его основе ко всем видам неблагоприятных воздействий: ультрафиолет, озон, кислоты, влага, электрическая дуга, токи утечки, трекинг, эрозия и др. Изолятор может работать с сохранением работоспособности без защитных оболочек и покрытий. При этом механические характеристики изолятора, стойкость к динамическим ударным нагрузкам, вибрациям сопоставима с полимерными композитными изоляторами на основе стеклопластикового стержня.

На основе вышесказанного можно сделать вывод о значительном улучшении электрических, эксплуатационных и механических характеристик предлагаемых изоляторов в сравнении с традиционными на основе стеклопластикового несущего стержня. Также в предлагаемых изоляторах исключена возможность «хрупкого излома» и падения провода по этой причине на землю.

Конструкция изолятора поясняется чертежами

На всех чертежах следующие обозначения:

1 - фланцы изолятора для крепления к арматуре и опоре,

2 - электроизоляционный композитный стержень на основе матрицы с фосфатным связующим,

3 - силиконовая защитная оболочка,

4 - армирующие высокомодульные волокна,

5 - неорганическая матрица композитного стержня на основе фосфатной связки.

Фиг.1 - вид композитного подвесного изолятора с композитным стержнем, на основе неорганической матрицы из фосфатного связующего.

Фиг.2 - вид композитного опорного изолятора на основе стержня с неорганической матрицей из фосфатного связующего.

Фиг.3 - вид электроизоляционного стержня, состоящего из неорганической фосфатной матрицы и высокомодульных волокон.

Использованные публикации:

1. IEC 1109 (1992 г.). Composite insulators for a.c. overhead lines with a nominal voltage greater than 1000 V. Definitions, test methods and acceptance criteria.

2. Guide for the identification of brittle fracture of composite insulator FPR rod. Working Group 03 of CIGRE Study Committee 22. Electra, 1992, №143, 61-65.

3. CIGRE Study Committee 22, W.G. 10, 1983. Technical basis for nominal requirements for composite insulators. Electra, №88, 1983, 89-114.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным подвесным и опорным стержневым композиционным изоляторам воздушных линий электропередачи и открытых распределительных устройств. В изоляторе, содержащем выполненный из композиционного материала стержень, армированный стеклянными волокнами, матрицей композиционного материала несущего стержня является неорганическое фосфатное связующее, выбранное из группы: магний, алюминий, хром, цирконийфосфатные связующие, комбинированные связующие на их основе и щелочные полифосфатные растворы. Техническим результатом является придание изолятору стойкости к неблагоприятным воздействиям при эксплуатации, увеличение надежности и продление срока службы. 3 ил.

Изолятор, содержащий несущий стержень, выполненный из композиционного материала, армированного стеклянными волокнами, отличающийся тем, что матрицей композиционного материала несущего стержня является неорганическое фосфатное связующее, выбранное из группы: магний, алюминий, хром, цирконийфосфатные связующие, комбинированные связующие на их основе и щелочные полифосфатные растворы.