Гибридный опорно-стержневой изолятор Российский патент 2023 года по МПК H01B17/14 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к гибридным изоляторам опорно-стержневого типа электрических аппаратов высокого напряжения.

Высоковольтные опорно-стержневые изоляторы предназначены для изоляции и крепления токоведущих частей в электрических аппаратах, комплектных распределительных устройств, токопроводов, распределительных устройств электрических станций и подстанций.

Известен фарфоровый опорно-стержневой изолятор [1] высокого напряжения. Активное применение фарфоровой изоляции в высоковольтной технике объясняется ее особыми свойствами, такими как твердость и механическая прочность, термостойкость, изменяемость электрических свойств от изолятора до полупроводника, высокая коррозионная стойкость, устойчивость к климатическим воздействиям. Изоляционный фарфор имеет высокую электрическую прочность на пробой (Е_пр=100÷250 кВ/см), высокую механическую прочность на сжатие (F_сж=4500 кг/см²), относительно низкую прочность на изгиб (F_изг=700 кг/см²) и растяжение (F_раст=300 кг/см²). На более высокие классы напряжения одиночные колонки изоляторов из фарфора получаются очень высокими и не обеспечивают необходимую механическую прочность на изгиб. Поэтому, при этих напряжениях применяют опорные конструкции чаще всего в виде конусообразного треножника из трех колонок изоляторов. При изгибающих усилиях изоляторы в таких конструкциях работают не только на изгиб, но и на сжатие.

Анализ опыта эксплуатации электрических аппаратов показывает, что доля выходов их из строя по причине отказов фарфоровых изоляторов составляет до 40% от общего числа повреждений. Причем, с ростом класса напряжения этот процент увеличивается. Этому способствуют, в основном имеющиеся на изоляторах скрытые заводские дефекты и развитие этих дефектов в процессе эксплуатации. К недостаткам фарфоровых изоляторов можно отнести также их большую массу, хрупкость, возможность боя посторонними предметами, сложную технологию изготовления ввиду развитой формы поверхности изоляционной детали и связанное с этим наличие дефектов технологического характера, недостаточную поверхностную электрическую прочность изоляторов в условиях интенсивных загрязнений по причине невозможности технически обеспечить достаточно большую длину пути утечки, а также подверженность фарфора загрязнениям.

Указанных выше недостатков опорных изоляторов электрических аппаратов в значительной степени лишены изоляторы из полимерных материалов. Так, известны [2] опорные стержневые полимерные изоляторы наружной установки. Основным несущим элементом полимерных изоляторов является стеклопластиковый стержень, защищенный от внешних атмосферных воздействий кремнийорганическим оребренным покрытием. Конструкция с двух сторон замыкается металлическими фланцами.

Следует отметить, что получение стеклопластиковых стержней большого диаметра, применяемых для изготовления изоляторов на класс механической нагрузки 10 кН и выше, проблематично ввиду ряда технологических трудностей. Вопрос применения вместо стержней стеклопластиковых труб также пока полностью не решен из-за отсутствия экономического и эффективного пути предотвращения возможности электрического пробоя изолятора внутри трубы. Кроме того, при больших статических и динамических механических нагрузках у стеклопластика отмечается значительно большая стрела прогиба, чем у фарфора. Это отрицательно сказывается на надежности работы коммутационных аппаратов из-за малой жесткости изолирующих колонок, например, на разъединителях.

Ниже приведены основные электрические и физико-механические характеристики изоляционных элементов полимерных изоляторов.

Для стеклопластикового стержня:

- электрическая прочность вдоль волокна Е_пр=35÷60 кВ/см (зависит от диаметра);

- механическая прочность на растяжение F_раст=17000 кг/см²;

- модуль упругости при растяжении Е_упр=45000 МПа.

Для силиконового эластомера:

- электрическая прочность Е_пр=22 кВ/мм;

- плотность P_t=1,30÷1,65 г/см³;

- трекинго- и эрозионная стойкость U_t=4,5 кВ.

Анализ приведенных данных фарфоровых и полимерных изоляционных материалов, а также конструкций на их основе, показывает возможности создания новых типов изоляторов с комбинацией фарфора и полимера. Основные из этих характеристик: жесткость фарфора и его высокая механическая прочность на сжатие, гидрофобность и высокая трекинго- и эрозионная стойкость силиконового покрытия. Необходимо также учитывать и высокую механическую прочность на растяжение стеклопластикового стержня, который широко используется на подвесных/натяжных изоляторах высокого напряжения.

В этой связи, одним из оптимальных путей решения вопроса обеспечения электроэнергетической отрасли надежными опорно-стержневыми изоляторами является создание гибридных изоляторов, представляющих собой комбинированную конструкцию из гладкого фарфорового стержня и наружной (ребристой) оболочки из трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического эластомера с металлическими фланцами на концах [3].

Обладая преимуществами стержневого фарфора и полимерных материалов, гибридные изоляторы, в то же время, в значительной степени лишены основных недостатков как тех, так и других. Применение гладкого фарфорового стержня меньшего диаметра позволяет снизить вероятность появления скрытых структурных дефектов, снижающих прочность изолятора, способствует значительному упрощению процесса армирования металлическими фланцами. Известно, что механическая обработка поверхности фарфорового стержня при нарезке на нем ребер способствует обнажению относительно некачественной, внутренней пористой с микротрещинами структуры на участке между ребрами и, тем самым снижению его прочности на изгиб на 30÷35%. Тогда как изготовление фарфорового стержня относительно меньшего диаметра и без механической обработки поверхности способствует существенному увеличению его удельной механической прочности на изгиб, снижению веса.

Использование полимерной оболочки позволяет намного повысить разрядные характеристики изоляторов как из-за гидрофобных свойств эластомера, так и благодаря технической возможности значительно увеличивать длину пути утечки.

Тем не менее, исключить излом изделий из фарфора невозможно. Ясно, что излом центрального фарфорового стержня изолятора будет приводить к падению высоковольтного электротехнического оборудования на землю с тяжелыми последствиями. Этим оборудованием может быть силовой или измерительный трансформатор, высоковольтный выключатель, разъединитель, разрядник, ОПН, отделитель, короткозамыкатель, реактор, сборная шина и пр.

Целью предложенного технического решения является увеличение механической прочности на изгиб гибридных опорно-стержневых изоляторов, повышение надежности их работы путем исключения падения на землю при возможных изломах центрального фарфорового стержня.

Сущность изобретения заключается в том, что гибридный опорно-стержневой изолятор включает фарфоровый стержень с наружной ребристой оболочкой из трекинго- и атмосферостойкого полимерного изоляционного материала, армированный на концах металлическими фланцами, установленными на цемент, фарфоровый стержень выполнен со сквозным осевым отверстием, в которое введено средство преднапряжения указанного стержня, при этом полость между средством и стенкой отверстия заполнена полимерным изоляционным материалом. Средство преднапряжения может включать изоляционный стеклопластиковый стержень, концы которого армированы металлическими оконцевателями с наружной резьбой, две гайки и четыре шайбы.

Техническим результатом применения конструктивных решений, предложенных в заявляемом техническом решении, является повышение механической прочности на изгиб гибридных опорно-стержневых изоляторов, повышение надежности их работы путем исключения падения на землю при возможных изломах центрального фарфорового стержня и тем самым снижение аварийности энергетических объектов, повышение срока их службы.

На фиг. 1 показаны:

1. Фарфоровый стержень с центральным осевым отверстием для установки высокопрочного на растяжение стеклопластикового стержня;

2. Металлические фланцы для монтажа электрических аппаратов на изоляторе;

3. Ребристое покрытие из полимерного изоляционного материала, например, кремнийорганического эластомера, для защиты конструкции от атмосферных воздействий;

4. Высокопрочный на растяжение изоляционный стеклопластиковый стержень для придания сжимающих нагрузок фарфоровому стержню;

5. Полимерный изоляционный материал, например, эластичный силиконовый компаунд, для заполнения внутренней полости фарфорового стержня;

6. Оконцеватели, армирующие концы стеклопластикового стержня;

7. Гайка;

8. Стальная шайба;

9. Шайба из пластмассы или мягкого металла;

10. Цементное заполнение.

Заявляемый высоковольтный гибридный опорно-стержневой изолятор представляет собой комбинированную конструкцию из гладкого фарфорового стержня 1 с металлическими фланцами 2 на концах и наружной ребристой оболочкой 3 из полимерного изоляционного материала, например, трекинго- и атмосферостойкого кремнийорганического эластомера. Полость между фарфоровым стержнем 1 и фланцами 2 заполнена цементом 10. Указанный фарфоровый стержень 1 выполнен со сквозным осевым отверстием, в котором размещен высокопрочный изоляционный стеклопластиковый стержень 4. Полость между стержнем 4 и стенкой отверстия в стержне 1 заполнена полимерным изоляционным материалом, например, эластичным силиконовым компаундом 5. Концы стержня 4 армированы металлическими оконцевателями 6 с наружной резьбой. Фарфоровый стержень 1 заключен между шайбами 9, 8 и гайками 7. Для исключения образования скола на хрупком фарфоровом стержне 1 при сжатии между металлическими гайками 7, между стержнем 1 и металлической шайбой 8 установлена дополнительная шайба 9 из пластмассы или мягкого металла.

Существенное повышение механической прочности на изгиб гибридного опорно-стержневого изолятора, исключение его падения при возможных изломах, осуществляется за счет осевой сжимающей нагрузки, приложенной к фарфоровому стержню 1, средством преднапряжения, включающим стеклопластиковый стержень 4 малого сечения (не более 1 см²), оконцеватели 6, гайки 7, а также шайбы 8 и 9. Усилие сжатия регулируется путем поворота гаек 7.

Аналоги

1. Патент RU 2172034.

2. Патенты RU 2074425 и RU 2233493. Изолятор ОСК-6-110-В-4 УХЛ1 http://www.em.dn.ua/iz/polymer/ster/osk-6-110-v4.htm.

3. Гибридные опорно-стержневые изоляторы

https://www.ppcinsulators.com/ru/products/hybrid-line-post-insulators/

Hybrid Insulator http://ctcinsulator.com/en/products.php?sortid=11.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к гибридным изоляторам опорно-стержневого типа электрических аппаратов высокого напряжения. Технический результат - повышение механической прочности на изгиб гибридных опорно-стержневых изоляторов. Технический результат достигается тем, что гибридный опорно-стержневой изолятор включает фарфоровый стержень с наружной ребристой оболочкой из трекинго- и атмосферостойкого полимерного изоляционного материала, армированный на концах металлическими фланцами, установленными на цемент, по меньшей мере две гайки и две шайбы. Фарфоровый стержень выполнен со сквозным осевым отверстием, в которое введено средство преднапряжения сжатием указанного стержня, содержащее изоляционный стеклопластиковый стержень, концы которого армированы металлическими оконцевателями с наружной резьбой. При этом фарфоровый стержень заключен между шайбами и гайками, а полость между стеклопластиковым стержнем и стенкой отверстия в фарфоровом стержне заполнена полимерным эластичным изоляционным материалом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гибридный опорно-стержневой изолятор, включающий фарфоровый стержень с наружной ребристой оболочкой из трекинго- и атмосферостойкого полимерного изоляционного материала, армированный на концах металлическими фланцами, установленными на цемент, отличающийся тем, что фарфоровый стержень выполнен со сквозным осевым отверстием, в которое введено средство преднапряжения сжатием указанного стержня, содержащее изоляционный стеклопластиковый стержень, концы которого армированы металлическими оконцевателями с наружной резьбой, по меньшей мере две гайки и две шайбы, при этом фарфоровый стержень заключен между шайбами и гайками, а полость между стеклопластиковым стержнем и стенкой отверстия в фарфоровом стержне заполнена полимерным эластичным изоляционным материалом.

2. Изолятор по п. 1, отличающийся тем, что стеклопластиковый стержень имеет сечение не более 1 см².