О разработке опорных полимерных изоляторов класса напряжения 110 кВ и выше.

В настоящее время в России рядом фирм налажен и активно осуществляется выпуск опорных полимерных изоляторов класса 110 кВ. Например, научно-производственная фирма "Альфа Энерго" разработала и серийно выпускает полимерные опорно-стержневые изоляторы типа ИОСПК-10, предназначенные для изоляции и крепления токоведущих частей в электрических аппаратах, распределительных устройствах электрических станций и подстанций класса  напряжения 110 кВ.

В настоящей статье представлены данные, обосновывающие выбор технических решений при проектировании конструкции изоляторов типа ИОСПК-10, обеспечивающих необходимую жесткость, механическую и электрическую прочность. Кроме того, рассмотрены вопросы выбора геометрии соединительных фланцев.

 Изоляторы ИОСПК-10 используются, в частности, в качестве опорных поворотных изолирующих элементов, поддерживающих токоведущие шины и ножи разъединителей при эксплуатации на открытом воздухе, а также в качестве (или в составе) шинных опор. Конструкция полимерного опорного изолятора должна обеспечивать на необходимом уровне механическую прочность, жесткость и электрическую прочность, что в свою очередь обеспечивается выбором типа изолирующего материала, величиной сечения силового элемента, габаритами конструкций и формой фланцевых соединений.

Известно, что жесткость, механическая и электрическая прочность полимерного опорного изолятора обеспечиваются  в первую очередь выбором типа изолирующего материала, конструкции сечения силового элемента и геометрии фланцевых соединений. Требуемую механическую прочность можно получить, применяя в качестве несущей основы монолитный стеклопластиковый стержень, изготавливаемый с помощью пултрузии, то есть непрерывной протяжкой  стекложгута с одновременной пропиткой полимерным связующим и отверждением его в фильере. Пултрузионный стеклопластик имеет механическую прочность на растяжение, достигающую 100 кН/см2 , прочность на изгиб-70 кН/см2 и модуль упругости 3500 кН/ см2. Сечение стержня (диаметр) должно удовлетворять требованию механической прочности, которое определяется соотношением

где
σ - допустимое механическое напряжение в несущем стержне,кН см2,
М - изгибающий момент, кН см,
W-момент сопротивления сечения, см³.
Для округлого сечения W≈0,1d³.
Кроме того, стержень должен обладать определённой жесткостью, при которой отклонение нагружаемого конца стержня от первоначального положения Δ (см. рис.1), не превышает заданной величины. Жесткость стержня определяется условием

где
∆ - отклонение под воздействием изгибающего усилия F(кН), см. рис.1,
L - длина изолятора, подвергающаяся изгибу, см,
Е - модуль упругости при изгибе, кН/см²,
J - момент инерции сечения, см⁴.

Для круглого сечения

Рис.1 Контроль жесткости опорного изолятора.

В соответствии с действующими в настоящее время нормативами для изоляторов класса 110 кВ и 220 кВ величина отклонения Δ не должна превышать 10 мм , а для изоляторов класса 330 кВ - 20 мм при изгибающем усилии 1.50 кН. Результаты расчётов предельно-допустимых значений диаметров сплошного стержня для изоляторов различного класса напряжения представлены в табл. 1.

Таблица 1

В таблице 1 указаны предельно-допустимые диаметры стержня в числителе - исходя из требований к жесткости, в знаменателе - к прочности. Из таблицы следует, что определяющим фактором при выборе диаметра стержня является условие жесткости, а не условие прочности.

С учётом проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, связанных с определением параметров стержней с соединительных фланцев, в конце 90-х годов был разработан и опробован в серийном производстве класс опорно-стержневых изоляторов типа ИОСПК со стеклопластиковыми стержнями на рабочие напряжения 35-110 кВ.

Изоляторы прошли полный объём испытаний в составе разъединителей РНДЗ, РДЗ, SGF, РГЮ РГД. К настоящему времени изготовлено и поставлено в эксплуатирующие организации более 50000 шт. изоляторов такого типа. Успешная их эксплуатация в условиях широкого спектра дестабилизирую-щих воздействий, включая перепады температур окружающей среды от минус 60^оС до плюс 50^оС, различные классы рабочих сред, механические воздействия и т.д. подтверждают их высокие эксплуатационные характеристики, а габаритно-весовые параметры и существенное сокращение времени технического обслуживания дают им явное преимущество в сравнении с изоляторами других типов.

Что касается особенностей технологии производства изоляторов ИОСПК, то следует обратить внимание на то, что достигнутый уровень безотказности при эксплуатации обеспечен 100%-ным пооперационным контролем на этапах подготовки производства и изготовления изделий, а также 100%-ными электрическими испытаниями перед отправкой потребителям на условиях независимой экспертизы в одной из испытательных лабораторий ОАО РАО ЕС.

В настоящее время более 50000 изоляторов типа ИОСПК успешно эксплуатируются более 5 лет в 48 энергосистемах России.

Накопленный к настоящему времени опыт на базе промышленного выпуска изоляторов с рабочим напряжением до 110 кВ позволил перейти к научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам, связанным с созданием опорно-стержневых полимерных изоляторов на напряжение 220-330 кВ.

В первую очередь, эти работы касаются выбора параметров опорного элемента.

Как наиболее перспективный с точки зрения габаритно-весовых характеристик и возможностей промышленности в части наиболее быстрого и экономически оправданного обеспечения комплектующими элементами нами был выбран вариант стеклопластиковой трубы.

Применение трубы в качестве несущей основы изолятора ставит задачу поддержания необходимой электрической прочности вдоль поверхности внутренней полости трубы. В практике применения опорных изоляторов с внутренней полостью известны случаи перекрытия вдоль внутренней стенки. Принято считать, что это связано с возможностью диффузионного газообмена между полостью и внешней средой, причём в летний период влага вместе с тёплым воздухом накапливается в полости, а с наступлением холодной погоды конденсируется на её стенках и инициирует пробой вдоль поверхности изолятора. Несмотря на отсутствие исчерпывающих исследований, полностью описывающих этот механизм, можно указать на некоторые закономерности, свойственные процессу накопления влаги внутри изолятора. Прежде всего, оценим массу влаги, содержащуюся в единице объёма влажного воздуха. Она определяется известной формулой

     (1)

где μ=18 - молекулярный вес воды,
B - относительная влажность воздуха,
t - температура,
P₁ - давление насыщающих паров воды при температуре t,
R =8.31710³ Дж/кмоль K - универсальная газовая постоянная.

Например, известно, что при при t=40^oC, величина P₁ составляет P₁=7.37 кПа. Если B=80%, то вычисления по формуле (1) позволяют оценить содержание влаги в воздухе величиной m₁≈41 г/м3. При снижении температуры до 0^oC давление насыщающих паров уменьшается до 0.606 кПа. Если предположить, что B=100%, по формуле (1) в воздухе останется не более m₂≈5 г/м³ влаги. Остальные m≈41-5=36 г/м³ выпадают на стенки полости.

Кроме того, объём цилиндрической полости V пропорционален квадрату радиуса r:

в то время как площадь боковой поверхности пропорциональна первой степени r

где H - высота полости.
При этом количество влаги ν, осевшей на единичной поверхности, пропорционально радиусу полости r :

Это позволяет предположить, что проблема перекрытия вдоль внутренней поверхности полого изолятора тем более значительна, чем больше радиус изолятора, иными словами, чем выше класс напряжения, больше строительная высота и больше момент сопротивления, необходимый для поддержания требуемой жесткости и механической прочности. При r=25 мм, что характерно для изолятора ИОСПК класса 110 кВ, в приведенном выше примере ν=36^.0.025/2=0.45 г/м²=0.045 мг/см². При увеличении радиуса до 85 мм, что характерно для изоляторов класса 330 кВ, количество конденсата на поверхности возрастает до ν=36^.0.085/2=1.53 г/м²=0.153 мг/см².

Следует принять во внимание то, что конденсат оседает на стенках неравномерно, образуя зоны повышенной плотности, где пробой вдоль поверхности более вероятен. Наиболее вероятной причиной для этого является неравномерность теплоотвода от внешней поверхности трубы, однако нельзя полностью исключать и более сложные эффекты, приводящие к формированию и преимущественному росту капель в отдельных точках поверхности. Непосредственное наблюдение за процессом конденсации влаги на стенках цилиндрической полости, выполненной из какого-либо прозрачного материала (например, из стекла или прозрачной пластмассы) позволяет установить, что эта неравномерность может привести к увеличению концентрации влаги в отдельных зонах, более чем на порядок превышающей указанные средние величины.

С другой стороны, путём несложных экспериментов нетрудно установить, что на вертикальной плоскости из кремнийорганической резины невозможно удержать капли влаги при концентрации, превышающей 10 мг/см². Это значение является, таким образом, верхней оценкой для опасного уровня концентрации влаги на поверхности. В тех же экспериментах установлено, что слияние мелких капель с образованием потёков активно происходит и при концентрации, порядка 1.0 мг/см², то есть при уровне, незначительно превышающем указанный выше для существующих изоляторов класса 110 кВ с учётом неравномерности распределения конденсата. Это позволяет сделать вывод о том, что проблема конденсации влаги на внутренней поверхности трубы, существующая при классе напряжения 110 кВ, будет возрастать и приобретать всё большее значение при переходе к высшим класса напряжения, связанном с необходимым увеличением диаметра полости.

Известны различные способы борьбы с указанными явлениями, в том числе естественная вентиляция полости, нанесение защитного покрытия на её поверхность, установка внутренних рёбер и т.д. Наиболее эффективным из них, с нашей точки зрения, является заполнение полости каким-либо диэлектриком, что делает невозможным конденсацию влаги на стенках. При этом возможны два варианта действий:

     а) вытеснение воздуха из полости, например, при заполнении полости минеральным маслом, или другим диэлектриком

     b) применение заполняющего диэлектрика в виде пены, что является, по существу, разбиением объёма на множество малых отсеков.

В первом случае накопление влаги во внутренней полости затруднено ввиду высокой плотности заполняющего материала и его низкой способности накапливать влагу. К недостаткам этого варианта следует отнести большой расход материала заполнения и увеличение веса и стоимости изолятора.

Во втором случае, диффузия влаги может быть лишь незначительно затруднена наличием тонких диэлектрических перегородок между пузырьками пены, однако, как показано выше, малый объём пузырьков исключает образование опасной концентрации влаги на стенках пузырька. Кроме того, при этом исключена возможность формирования потёков влаги на стенках внутренней полости. Достоинством этого способа является незначительный расход материала заполнения и относительно малый вес готового изолятора. В ООО "Альфа Энерго" для этой цели применяется вспененный силиконовый каучук, сочетающий широкий температурный диапазон с высокой адгезией к стенкам стеклопластиковой трубы. В настоящее время в ООО "Альфа Энерго" налажено производство изоляторов ИОСПК класса 110 кВ и разработан изолятор класса 220 кВ на основе стеклопластиковой трубы с заполнением силиконовой пеной.

Опытные образцы изоляторов успешно прошли исследовательские испытания в лабораториях ОАО РАО ЕС и в настоящее время находятся в стадии всесторонних конструкторских испытаний. Разработаны и реализуются мероприятия по проведению межведомственных испытаний в объёмах действующих нормативных документов.

Применение диэлектрического заполнения внутренней полости не предусмотрено действующими нормами испытаний. Например, в [1] содержится рекомендация по испытанию материала трубы на устойчивость против проникновения воды, в соответствии с которой образцы трубы длиной 30 мм должны быть подвергнуты кипячению в течение 100 час. При этом сделана оговорка, что с наружной поверхности образцов должен быть предварительно удалён защитный слой. Очевидно, такая же оговорка должна быть сделана и относительно материала, заполняющего полость трубы, поскольку испытания относятся именно к материалу трубы. Для контроля возможности накопления влаги и пробоя внутри трубы достаточно испытаний, предусмотренных [2] (кипячения всего изолятора в течение 42 часов с последующим приложением нормированного напряжения).

Не менее важным компонентом конструкции изолятора является соединительный фланец. Для надёжной работы изолятора конструкция соединительного фланца должна обеспечивать максимальное снижение напряженности электрического поля в области его сочленения с изолирующим элементом. Надёжная работа изоляторов ИОСПК при воздействии высокого напряжения достигнута тщательным анализом электрического поля и принятыми мерами по снижению его напряженности до допустимого уровня.

На рис. 2 показан фрагмент расчётной модели опорного изолятора класса 220 кВ в области высоковольтного фланца. Потенциал высоковольтного фланца принят равным наибольшему рабочему фазовому напряжению (146 кВ для класса напряжения 220 кВ). Относительная диэлектрическая проницаемость кремнийорганического покрытия принята равной 4.0, стеклопластика - 5.0.

Основными особенностями принятой формы высоковольтных фланцев являются

     a) большие радиусы кривизны поверхности на нижнем торце

     b) использование диэлектрического промежутка длиной 3-5 мм между металлом фланца в его нижней части и поверхностью стеклопластика.

Результаты расчётов приведены на рис.2 в виде эпюр распределения напряженности и в табл.2.

Принятая форма высоковольтного фланца обеспечивает отсутствие частичных разрядов как в твёрдом диэлектрике, так и в воздухе на поверхности металлического электрода. Это подтверждается результатами высоковольтных испытаний, из которых следует, что реально достижимый уровень частичных разрядов не превышает 2 пКл.

Разработанный в ООО "Альфа Энерго" опорный изолятор класса напряжения 220 кВ имеет следующие технические характеристики:

     - строительная высота 2100/ 2200/ 2200 мм,

     - вес 65 кг,

     - внешний диаметр стеклопластиковой трубы 60 мм,

     - минимальная разрушающая нагрузка при приложении силы как показано на рис.1, кН,

     - максимальное отклонение при изгибающем усилии кН не более 25 мм.

Изолятор выгодно отличается от фарфоровых аналогов низким весом и безопасностью в эксплуатации. Выполненные из алюминиевого сплава фланцы не подвержены коррозии.

В настоящее время изготовлено более 200 изоляторов типа ИОСПК-10-220, значительная часть которых успешно эксплуатируются в различных энергосистемах России. Например, на рис.3 показаны полимерные изоляторы класса 220 кВ, установленные на подстанции Очаково ОАО "Мосэнерго" в составе линейных разъединителей.

Таблица 2.

Напряженность электрического поля (кВ/мм эффективного значения) на элементах расчётной модели рис.4 для опорного изолятора класса 220 кВ.

В табл. 3 представлены сравнительные характеристики изоляторов различных производителей. Как можно видеть, практически по всем показателям изолятор ИОСПК не уступает изоляторам других типов, имея при этом наименьшую массу.

     - разработанные в ООО "Альфа Энерго" опорные изоляторы ИОСПК класса 110 кВ и 220 кВ удовлетворяют предъявляемым требованиям по условиям механической прочности и деформационной способности (жесткости)

     - особенности конструктивного исполнения изоляторов производства ООО "Альфа Энерго" позволяют ограничить интенсивность частичных разрядов уровнем не более 2 пКл

     - высокое качество выпускаемых изделий подтверждено длительным опытом эксплуатации более чем 15000 изоляторов. Сравнение изоляторов типа ИОСПК с изоляторами других производителей (табл. 3) говорит об их преимуществе.

Литература.

     1. Композитные изоляторы - полые изоляторы для электрического оборудования наружной и внутренней установки - Определения, методы испытаний, критерии приёмки и рекомендации по конструкции. Публикация МЭК 61462.

     2. Изоляторы опорные полимерные наружной установки на напряжение 6-220 кВ. Общие технические требования. ГОСТ Р 52082-2003.

Рис.2. Расчётная модель опорного изолятора класса 220 кВ (фрагмент).

Рис. 3 Полимерные изоляторы класса 220 кВ в составе разъединителя наружного исполнения на подстанции Очаково.

Таблица 3.

     * Изоляторы серии ИОСПК НПФ "Альфа Энерго" прошли полный объем испытаний в составе разъединителей РНДЗ, РДЗ, SGF,РГ и РГД.