Устройство для защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности Российский патент 2023 года по МПК H01B17/46 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стержневым полимерным изоляторам линии электропередачи и электрических аппаратов, преимущественно средних и более высоких классов напряжений.

Целью предложенного изобретения является повышение срока службы и эксплуатационной надежности работы стержневых полимерных изоляторов в сложных условиях эксплуатации, а именно в условиях увлажнения загрязненной поверхности при рабочем напряжении, упрощение конструкции, снижение металлоемкости, а также совершенствование технологии их изготовления.

Как известно, изолятор наружного исполнения среднего и более высокого классов напряжений работает в условиях естественного загрязнения и увлажнения. При этом, кроме переменных механических воздействий, на изолятор воздействуют также и электрические (длительно номинальные и кратковременно повышенные) нагрузки в нормальных, иногда экстремальных условиях эксплуатации, например, солончаки, тропический и субтропический климат, повышенная влажность и проч. Ясно, что образование перемежающейся слаботочной дуги на поверхности изолятора в условиях увлажнения его загрязненной поверхности при рабочем напряжении неизбежно. При этом, разогреваемая дугой малой мощности увлажненная поверхность быстро подсушивается. В результате подсохшая кольцевая зона расширяется, что приводит к удлинению дуги, вызывающему дальнейшее уменьшение тока и увеличение электрического сопротивления, что также вызывает уменьшение тока. Тепловыделение на поверхности изолятора снижается, поверхность снова увлажняется, по ней восстанавливается ток, и дуга гаснет. Такой режим перемежающейся слаботочной дуги является нормальным для работы любой внешней изоляции в электрических сетях и наблюдается при приложении рабочего напряжения промышленной частоты.

В перемежающемся режиме дуги, температура в ее канале достигает 4000°С и выше. При этом, одна опорная точка дуги, преимущественно на поверхности металлического электрода, остается неподвижной, вследствие чего происходит нагрев металла и соответственно нагревается высокопрочный стеклопластиковый стержень в зоне его соприкосновения с металлом. Уже при достижении температуры 100-120°С на теле стеклопластикового стержня происходит ослабление его механически напряженного состояния (релаксационный процесс), начинается выползание стержня из фланца, разгерметизация и разрушение изолятора. В особо тяжелых условиях эксплуатации, возникшая высокая температура способствует расплаву металла на его границе с изоляционным покрытием. Это приводит к разрушению фланца, падению фазного провода на землю с тяжелыми последствиями. При этом вторая опорная точка дуги перемещается на поверхности изоляционного покрытия у фланца, разрушая изоляцию (термоокислительный процесс) в виде трека (карбонизация) или эрозии (без выделения сажи).

Необходимо отметить, что разрушение изолятора происходит при рабочем (номинальном) напряжении в условиях естественного увлажнения загрязненной поверхности. Размеры указанной слаботочной дуги меняются в пределах 8-15 мм. Полное перекрытие изолятора в указанных выше условиях обычно не происходит.

Иллюстрация разрушения поверхности фланца-оконцевателя (в дальнейшем - фланец), на границе фланец-силиконовое покрытие существующих стандартных полимерных изоляторов показана на фиг. 1б (зона «К»). А на фиг. 1в и 1г показаны фотографии оплавления фланцев изолятора: 1в - фланец расположен под изоляционным покрытием, 1г - фланец над покрытием.

Известен стержневой полимерный изолятор [1], состоящий из высокопрочного стеклопластикового стержня (профиля) с трекинго- и атмосферостойким силиконовым ребристым покрытием, армированным на концах металлическими наконечниками (фланцами). Обжим фланцев на поверхности профиля осуществляется на специальной машине под определенным усилием. На подвесных/натяжных полимерных изоляторах, узел соединения фланца с профилем обеспечивает механическую прочность конструкции на растяжение, а ребристое покрытие при этом обеспечивает защиту поверхности профиля от атмосферных воздействий. Силиконовое покрытие на профиле, и частично на фланцах формуется с помощью специальной инжекционной машины в соответствующей пресс-форме, где одновременно осуществляется высокотемпературная вулканизация. Изолятор снабжен также экранной и дугоотводящей арматурой. Экранная арматура в виде тороида крепится на поверхности металлического фланца изолятора и служит для распределения напряженности электрического поля при отсутствии увлажнения загрязненной поверхности и одновременно отводит дугу короткого замыкания на безопасное расстояние от поверхности изолятора при перенапряжениях. Дугоотводящая арматура в виде рогов служит для отвода дуги короткого замыкания на безопасное расстояние от поверхности изолятора.

Недостатки указанной конструкции изолятора. Совмещенная экранная/дугоотводящая арматура, закрепленная на указанных изоляторах, не может защитить узел соединения стеклопластикового стержня с металлическими фланцами от нагрева и оплавления фланцев вследствие воздействия поверхностных частичных дуговых разрядов при увлажнении загрязненной поверхности под рабочим напряжением из-за малых размеров указанной дуги (до 15 мм). Расстояние от источника образования слаботочной дуги (зона «К» на фиг. 1б) с высокой температурой (граница между изоляционным покрытием и металлическим фланцем) до экранного/дугоотводящего кольца составляет не менее 100-150 мм (на фиг. 1 не показано), что является недоступным для слаботочной дуги с максимальным размером до 15 мм.

Следует также отметить, изоляционное покрытие поверхности фланцев, с одной стороны защищает узел соединения от попадания влаги во внутреннюю полость конструкции, с другой стороны усиливает концентрацию напряженности электрического поля на границе изоляция-металл, способствует еще более быстрому нагреву и оплавлению фланца.

Как видно в [1], на изоляторе не предусмотрена защита от нагрева, оплавления фланца и разрушения изоляции на около фланцевом пространстве от слаботочной дуги частичных разрядов при увлажнении его загрязненной поверхности.

Обозначенная авторами проблема частично решена в [2] путем установки на узле армирования высоковольтного стержневого изолятора малого тороидального диска. Указанный диск способствует герметизации узла соединения высокопрочного изоляционного стержня с металлическим фланцем и, наряду с экранной арматурой, также способствует еще большему снижению напряженности электрического поля вдоль оси изолятора высоких классов напряжений до безопасного уровня в сухую погоду.

Недостатками указанной конструкции являются следующие факторы:

- источник высокой температуры расположен непосредственно на соприкасающихся частях фланца с силиконовым покрытием на расстоянии не более 2,5-3 мм от высокопрочного стеклопластикового стержня (толщина силиконового покрытия у фланца), что является наихудшим вариантом для надежной работы изолятора;

- несъемность малого тороидального диска делает невозможным его замену при повреждении.

Целью настоящего изобретения является исключение вышеуказанных недостатков, а именно отвод источника высокой температуры на максимально безопасное расстояние и возможность замены указанного защитного средства при его повреждении.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности, представляет собой съемный электрод, обеспечивающий возможность его замены, выполненный в виде двух разомкнутых колец, лежащих в параллельных плоскостях и соединенных между собой по меньшей мере одной перемычкой, при этом, малое кольцо обеспечивает возможность фиксации устройства на фланце-оконцевателе изолятора, вплотную к зоне соприкосновения фланец-изоляционное покрытие, а большое - на вершине расширенной части изоляционного покрытия, расположенной над выступом фланца.

Тем самым достигается технический результат - повышение надежности и долговечности работы стержневых полимерных подвесных/натяжных изоляторов преимущественно среднего и более высокого классов напряжений в сложных условиях эксплуатации, снижение металлоемкости защитной арматуры, упрощение конструкции изоляторов.

На прилагаемых к описанию чертежах дано:

Фиг. 1а - стержневой полимерный подвесной/натяжной изолятор ЛЭП;

Фиг. 1б - зона «К» - место оплавления металлического фланца на границе фланец-изоляционное покрытие перемежающимися слаботочными дугами в условиях увлажнения загрязненной поверхности при рабочем напряжении;

Фиг. 1в - фотография термического разрушения фланца, расположенного под силиконовым покрытием;

Фиг. 1г - фотография термического разрушения фланца, расположенного над силиконовым покрытием;

Фиг. 2 - Конструкция устройства для защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности путем отвода высокотемпературной слаботочной дуги от поверхности фланца изолятора на безопасное расстояние. Устройство представляет собой съемный электрод, выполненный в виде двух разомкнутых колец, соединенных между собой перемычкой (в дальнейшем - съемный электрод). На фиг. 2а и 2б показаны возможные варианты исполнения съемных электродов.

Фиг. 3 - Пример установки двух видов съемных электродов (фиг. 3б и 3в) на поверхности подвесного/натяжного изолятора ЛЭП (фиг. 3а) и переход опорной точки дуги с поверхности фланца (см. фиг. 1б, зона «К») на вершину кольца (фиг. 3г, зона «К»).

На чертежах используются следующие обозначения:

1 - высокопрочный стеклопластиковый стержень;

2 - металлический фланец-оконцеватель;

3 - трекинго- и атмосферостойкое покрытие из силикона;

4 -съемный электрод.

В зоне «К» находится опорная точка высокотемпературной слаботочной дуги.

d - внешний диаметр фланца;

D - внешний диаметр расширенной части силиконового покрытия, лежащего над выступом фланца;

d1 - внутренний диаметр малого кольца съемного электрода;

d2 - диаметр проволоки, из которой изготовлен съемный электрод;

D1 - внутренний диаметр большого кольца съемного электрода;

h - высота съемного электрода.

Стержневой полимерный изолятор (фиг. 1а, 3а) состоит из высокопрочного стеклопластикового стержня 1, армированного на концах металлическими фланцами 2 и покрытого трекинго-и атмосферостойким силиконовым композитом 3. Высокопрочный изоляционный стеклопластиковый стержень 1 служит для подвески токопровода на опоре ЛЭП. Металлические фланцы 2 применяются в качестве концевых арматур для высокопрочного стеклопластикового стержня 1. Внешняя силиконовая оболочка 3 используется для защиты высокопрочного стеклопластикового стержня 1 от атмосферных воздействий, а в зоне армирования - для герметизации узла соединения фланцев 2 с высокопрочным стеклопластиковым стержнем 1, защиты от атмосферных воздействий, снижения механических напряжений при изгибающих нагрузках.

В заявляемом техническом решении, указанный изолятор снабжается дополнительными устройствами для защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности, представляющими собой съемные электроды 4 (фиг. 2), обеспечивающие возможность их замены при термических разрушениях. Съемные электроды 4 служат для отвода высокотемпературной дуги на безопасное расстояние, снижения напряженности электрического поля вдоль оси изолятора.

Съемные электроды 4 выполнены в виде двух разомкнутых колец, лежащих в параллельных плоскостях и соединенных между собой по меньшей мере одной перемычкой. Указанные кольца могут иметь разный размер, при этом внутренний диаметр малого кольца обозначен как d1, а внутренний диаметр большого кольца - D1. Высота съемного электрода - h.

Фланец 2 изолятора, имеющий внешний диаметр d, включает выступ, закрытый силиконовым покрытием 3. Внешний диаметр расширенной части силиконового покрытия 3, лежащего над выступом фланца 2 обозначен как D.

Высота h съемного электрода 4 определяется расстоянием по оси изолятора от вершины расширенной части силиконового покрытия 3 до границы, где это покрытие заканчивается (фиг. 3).

Съемный электрод 4 фиксируется на изоляторе так, что большое кольцо располагается вблизи вершины расширенной части силиконового покрытия 3 (допускается небольшой отступ в сторону от фланца 2), а малое кольцо - на фланце 2, вплотную к зоне соприкосновения фланец-изоляционное покрытие, при этом D и D1 могут быть равны, а d1 для обеспечения надежной фиксации должен отвечать следующему соотношению:

d1 = (0,90 … 0,95) d

Съемный электрод 4 может быть изготовлен из упругого металла, например, стальной проволоки, диаметр которой обозначен как d2 (фиг. 2). Таким образом, за счет упругости металла, обеспечивается надежный электрический контакт между съемным электродом 4 и фланцем 2.

Установка на изолятор описанных электродов 4 способствует отводу высокотемпературной дуги, возникающей при увлажнении загрязненной поверхности под рабочим напряжением, от поверхности фланца 2 (фиг. 1б, зона «К») на вершину большого кольца электрода 4 (фиг. 3г, зона «К»).

На фиг. 2. представлены 2 варианта исполнения съемного электрода 4 для предотвращения оплавления металлических фланцев 2 на границе фланец-изоляционное покрытие перемежающимися слаботочными дугами в условиях увлажнения загрязненной поверхности при рабочем напряжении: фиг. 2а - одиночное большое кольцо; фиг. 2б - двойное большое кольцо. Возможны и другие варианты исполнения электродов, реализующие заявленный технический результат. Съемные электроды 4 могут быть изготовлены, например, из упругой проволоки диаметром d2=3-4 мм.

Установка предложенной нами конструкции съемного электрода 4 на фланцах 2 полимерных подвесных/натяжных изоляторов надежно защищает поверхность фланца 2 от нагрева образующимися перемежающимися дугами малого размера на границе металл-изоляция в условиях увлажнения его загрязненной поверхности при рабочем напряжении. Неизбежная дуга своим неподвижным основанием будет нагревать и оплавлять не фланцы 2 изолятора, а большое кольцо съемного электрода 4, при этом электрод 4 в случае необходимости можно легко заменить на новый.

Аналоги:

1. 3FL Silicone Long Rod Insulators for Distribution and Transmission overhead Power Lines. Light weith-strong performance.

2. Catalog 24 Insulators / KyungRuang Lee - Academia.edu, https://www.academia.edu/38602069/Catalog_24_İnsulators.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стержневым полимерным изоляторам линии электропередачи и электрических аппаратов. Технический результат заключается в повышении надежности и долговечности работы стержневых полимерных изоляторов. Технический результат достигается за счет использования устройства защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности. Устройство защиты представляет собой съемный электрод, обеспечивающий возможность его замены, выполненный в виде двух разомкнутых колец, лежащих в параллельных плоскостях и соединенных между собой перемычкой. Кольцо меньшего диаметра обеспечивает возможность фиксации устройства на фланце-оконцевателе изолятора вплотную к зоне соприкосновения фланец - изоляционное покрытие, а кольцо большего диаметра - на вершине расширенной части изоляционного покрытия, расположенной над выступом фланца. 3 ил.

Устройство для защиты стержневых полимерных изоляторов от повреждения частичными поверхностными разрядами при увлажнении загрязненной поверхности, представляющее собой съемный электрод, обеспечивающий возможность его замены, выполненный в виде двух разомкнутых колец, лежащих в параллельных плоскостях и соединенных между собой по меньшей мере одной перемычкой, при этом кольцо меньшего диаметра обеспечивает возможность фиксации устройства на фланце-оконцевателе изолятора вплотную к зоне соприкосновения фланец - изоляционное покрытие, а большего диаметра - на вершине расширенной части изоляционного покрытия, расположенной над выступом фланца.