RU2319242C1

RU2319242C1 - Polymeric support insulator characterized in enhanced reliability

Info

Publication number: RU2319242C1
Application number: RU2006127685/09A
Authority: RU
Inventors: Вадим Валерьевич Старцев
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Арматурно-Изоляторный Завод"
Priority date: 2006-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2008-03-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; support and line insulators for high-voltage substations and power transmission lines.

SUBSTANCE: proposed support insulator has load-bearing insulating body, tracking-resistant protective shell with ribs 2, and metal flanges 1 installed on both ends of insulator. Insulator load-bearing body is made in the form of fiberglass plastic insulating stick 3 and metal power tube 5 connected thereto through nonsplit joint.

EFFECT: enhanced mechanical and electric bending and torsional strength, enhanced stiffness at minimal size and mass.

1 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к электротехнике и касается опорных изоляторов для высоковольтных подстанций и линий электропередачи.The invention relates to electrical engineering and for supporting insulators for high-voltage substations and power lines.

ТерминыTerms

Опорный изолятор - изолятор, используемый в качестве жесткой опоры для электротехнического устройства или отдельных его частей.Reference insulator - an insulator used as a rigid support for an electrical device or its individual parts.

Фланец - арматура изолятора, имеющая отверстия, предназначенные для крепления токоведущего элемента, крепления к фланцу другого изолятора или объекту.Flange - insulator reinforcement having holes designed for fastening a current-carrying element, fastening to the flange of another insulator or object.

Тело изолятора - основа изоляционной части изолятора, обеспечивающая его электрическую и механическую прочность.The body of the insulator is the basis of the insulating part of the insulator, providing its electrical and mechanical strength.

Ребра изолятора - кольцевой или винтовой выступ на теле изолятора, предназначенный для увеличения длины пути утечки тока с целью повышения электрических характеристик.Insulator fins - an annular or helical protrusion on the body of the insulator, designed to increase the length of the current leakage path in order to increase electrical characteristics.

Трекингостойкая оболочка - оболочка предохраняющая тело изолятора от разрушения под воздействием климатических условий, эрозии и протекающих по поверхности токов утечки. Материал трекингостойкой оболочки после частичного выгорания под действием тока утечки не образует электропроводящих остатков и трека.Tracking-resistant casing - a casing that protects the insulator body from destruction under the influence of climatic conditions, erosion, and leakage currents flowing on the surface. The material of the tracking-resistant shell after partial burning out under the influence of the leakage current does not form electrically conductive residues and the track.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Опорные подстанционные изоляторы представляют собой фарфоровый диэлектрический стержень с ребрами по всей длине и металлическими фланцами на концах стержня с элементами крепления. Линейные опорные изоляторы представлены в основном в виде фарфорового диэлектрического стержня с ребрами по всей длине, фланцем для крепления изолятора к ВЛЭП и фланцем или местом для крепления провода.The supporting substation insulators are a porcelain dielectric rod with ribs along the entire length and metal flanges at the ends of the rod with fastening elements. Linear support insulators are represented mainly in the form of a porcelain dielectric rod with ribs along the entire length, a flange for attaching the insulator to the high-voltage line and a flange or place for attaching the wire.

Основными недостатками опорных изоляторов из фарфора являются их низкая механическая прочность при изгибе и хрупкость, неудовлетворительная работа в условиях открытой атмосферы.The main disadvantages of porcelain support insulators are their low mechanical bending strength and fragility, poor performance in an open atmosphere.

В последнее время вместо фарфора в конструкции изоляторов применяется высокопрочный материал - стеклопластик. Преимуществом полимерных изоляторов перед фарфоровьми является их устойчивость к динамическим ударным нагрузкам, высокая прочность при изгибе, высокая электрическая прочность.Recently, instead of porcelain, a high-strength material is used in the design of insulators - fiberglass. The advantage of polymer insulators over porcelain is their resistance to dynamic shock loads, high bending strength, high electrical strength.

Известно достаточно много полимерных изоляторов, содержащих несущий стержень, выполненный из стеклопластика, защитную ребристую трекингостойкую оболочку и металлические оконцеватели, например RU 2074425 от 27.02.1997, RU 2233493 от 2004.07.27.A lot of polymer insulators are known, containing a supporting rod made of fiberglass, a protective ribbed tracking shell and metal terminators, for example RU 2074425 from 02.27.1997, RU 2233493 from 2004.07.27.

Недостатком полимерных изоляторов является, в частности, низкая жесткость опорной конструкции изолятора при воздействии изгибающих нагрузок. Стеклопластик имеет модуль упругости значительно меньший, чем фарфор, и под нагрузкой происходит его большая деформация без разрушения. В сущности, несущий стержень изолятора ведет себя как рыболовное удилище: под действием силы он сильно изгибается, но не ломается и не разрушается. Если изоляторы установлены в разъединители, положительные стороны изолятора из стеклопластика превращаются в отрицательные качества. При больших отклонениях изолятора вертикального положения становится невозможно производить операции «включения-отключения» разъединителей, так как становится невозможно свести ножи разъединителя вместе и осуществить соединение электрической цепи.The disadvantage of polymer insulators is, in particular, the low rigidity of the supporting structure of the insulator when exposed to bending loads. Fiberglass has an elastic modulus much smaller than porcelain, and under load it undergoes a large deformation without fracture. In fact, the supporting rod of the insulator behaves like a fishing rod: under the action of force, it bends strongly, but does not break and does not collapse. If the insulators are installed in the disconnectors, the positive sides of the fiberglass insulator turn into negative qualities. With large deviations of the vertical insulator, it becomes impossible to perform on-off operations of the disconnectors, since it becomes impossible to bring the disconnector knives together and to connect the electrical circuit.

С целью увеличения жесткости изоляторов изоляционные стержни увеличивают в диаметре до достижения допустимых величин отклонения под воздействием изгибающей силы. ГОСТ Р 52082-03 «Полимерные опорные изоляторы наружной установки на напряжение 6-220 кВ. ОТУ» устанавливает величину отклонения, предельно допустимую для изолятора 110 кВ при высоте 1100 мм при воздействии усилия 1.5 кН не более 15 мм. Величина отклонения описывается формулой D=F*L/3*E*J, где D - величина отклонения, F - усилие изгиба, L - длина изолятора (плечо), Е - модуль упругости, J - коэффициент формы, рассчитывающийся как J=3,14*d⁴/64. Как видно из формул, величина отклонения обратно пропорциональна четвертой степени диаметра. Но с увеличением диаметра во второй степени растет объем и масса изделия и дорогих полимерных материалов (V=3.14*L*d²). В целях облегчения изолятора несущий монолитный стержень во многих изоляторах заменили стеклопластиковой полой трубой, как, например, в US 2001/0040046 Jun.4, 2001. Но это приводит к возможным пробоям изолятора внутри полой трубы при конденсации влаги, кроме этого, расход и масса силиконовой защитной оболочки при замене стержня трубой не снижается. Также для труб больших диаметров требуются металлические фланцы больших размеров. Все это приводит к достаточно высокой стоимости изолятора. Также надо учесть ухудшение электрических характеристик изоляторов при увеличении размеров защитных ребер.In order to increase the stiffness of the insulators, the insulating rods are increased in diameter to achieve acceptable deviation values under the influence of bending force. GOST R 52082-03 “Polymeric support insulators of outdoor installation for a voltage of 6-220 kV. OTU ”sets the deviation value, the maximum permissible for the insulator 110 kV at a height of 1100 mm when exposed to a force of 1.5 kN not more than 15 mm. The deviation value is described by the formula D = F * L / 3 * E * J, where D is the deviation value, F is the bending force, L is the insulator length (shoulder), E is the elastic modulus, J is the shape coefficient, calculated as J = 3 14 * d ^4/64. As can be seen from the formulas, the deviation is inversely proportional to the fourth power of the diameter. But with an increase in diameter, the volume and mass of the product and expensive polymeric materials grow to a second degree (V = 3.14 * L * d ² ). In order to facilitate the insulator, the supporting monolithic rod in many insulators was replaced with a fiberglass hollow pipe, as, for example, in US 2001/0040046 Jun.4, 2001. But this leads to possible breakdowns of the insulator inside the hollow pipe during moisture condensation, in addition, flow and weight silicone protective shell when replacing the rod with a pipe is not reduced. Also, large diameter pipes require large metal flanges. All this leads to a rather high cost of the insulator. It is also necessary to take into account the deterioration of the electrical characteristics of insulators with an increase in the size of protective ribs.

Как видно из формулы, еще одним способом уменьшить прогиб изолятора под действием заданной нагрузки является увеличение модуля упругости стержня изолятора или изготовление его композитным из нескольких материалов. Этот способ используется в опорном изоляторе (RU 2173902, 2001.09.20), тело которого состоит из двух изоляционных элементов, осевого в виде стеклопластикового прутка и наружного в виде трубы вокруг первого из стеклотекстолита. Это техническое решение является наиболее близким к заявляемому и выбрано в качестве прототипа. Основным недостатком этих конструкции является наличие двух соединенных твердых тел, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. В результате при резких сменах окружающей температуры возможно расслоение тела изолятора и, как следствие, потеря электроизоляционных свойств.As can be seen from the formula, another way to reduce the deflection of the insulator under the action of a given load is to increase the elastic modulus of the insulator rod or to make it composite of several materials. This method is used in a supporting insulator (RU 2173902, 2001.09.20), the body of which consists of two insulating elements, an axial one in the form of a fiberglass rod and an outer one in the form of a pipe around the first of fiberglass. This technical solution is the closest to the claimed and selected as a prototype. The main disadvantage of these designs is the presence of two connected solids having different coefficients of thermal expansion. As a result, during sharp changes in ambient temperature, the stratification of the insulator body is possible and, as a result, the loss of electrical insulation properties.

Цель изобретенияThe purpose of the invention

Изобретением решается задача создания опорного изолятора для изоляции и крепления токоведущих частей в распределительных устройствах станций и подстанций, который может использоваться в качестве опорных поворотных изолирующих элементов, поддерживающих токоведущие шины и ножи разъединителей при эксплуатации на открытом воздухе, а также обеспечение не только высокой механической и электрической прочности на изгиб и кручение, но и высокой жесткости при минимальных размерах и массе изолятора.The invention solves the problem of creating a support insulator for insulation and fastening of live parts in switchgears of stations and substations, which can be used as support rotary insulating elements supporting live busbars and disconnector knives for outdoor use, as well as providing not only high mechanical and electrical bending and torsion strength, but also high rigidity with minimum dimensions and weight of the insulator.

Описание и пример реализацииDescription and implementation example

Для решения поставленной задачи предлагается опорный изолятор, имеющий, по крайней мере, один элемент, содержащий несущий изоляционный стержень, защитную трекингостойкую оболочку и металлические оконцеватели, установленные на обоих торцах изолятора, в котором согласно настоящему изобретению несущий изоляционный стержень выполнен составным из металлической трубы и стеклопластикового стержня.To solve this problem, a support insulator is proposed having at least one element comprising a supporting insulating rod, a protective tracking-resistant shell and metal terminators mounted on both ends of the insulator, in which, according to the present invention, the supporting insulating rod is made of a metal pipe and fiberglass the rod.

С целью увеличения жесткости силового электроизоляционного стержня в его конструкцию введена металлическая труба длиной не менее 1/3 изоляционной длины изолятора, и не более H=L-Uф/Eпр, где Н - длина металлической трубы, L - изоляционная длина изолятора, Uф - фазное напряжение, Епр - электрическая прочность стеклопластикового стержня. На практике максимальная длина выбирается с учетом электрической прочности границы раздела «стеклопластиковый стержень - защитная оболочка», коэффициентов запаса на случай аварии, коэффициентов запаса согласно требованиям Правил устройств электроустановок, электрической прочности защитной оболочки при грозовом импульсе. В любом случае она не должна быть больше указанной величины Н, так как в противном случае произойдет неминуемый электрический пробой.In order to increase the stiffness of the power insulating rod, a metal pipe was introduced into its design with a length of at least 1/3 of the insulator's insulating length, and not more than H = L-Uf / Epr, where N is the length of the metal pipe, L is the insulating length of the insulator, Uf is phase voltage, EPR - the electric strength of the fiberglass rod. In practice, the maximum length is selected taking into account the electric strength of the “fiberglass rod - protective sheath” interface, safety factors in case of an accident, safety factors in accordance with the requirements of the Electrical Installation Rules, and the electrical strength of the protective shell during a lightning impulse. In any case, it should not be greater than the specified value of H, as otherwise an inevitable electrical breakdown will occur.

Введение металлической трубы в конструкцию тела изолятора позволяет уменьшить плечо, на котором происходит изгиб стеклопластикового стержня, и тем самым для достижения необходимых величин отклонения требуется применение стеклопластикового стержня меньшего диаметра. Одним концом труба может контактировать с фланцем, другой конец трубы неразъемно соединен с диэлектрическим стеклопластиковым стержнем. Соединение может быть выполнено любым удобным способом: склейка, обжатие, болтовое соединение и др. При этом длина диэлектрического стержня должна быть достаточной, чтобы не произошло электрического пробоя внутри изолятора. Снаружи все тело изолятора от фланца до фланца покрыто трекингостойкой защитной оболочкой из кремнийорганической резины. Защитной оболочкой покрыт не только стеклопластиковый стержень, но и металлическая силовая труба. Это необходимо для увеличения расстояния по воздуху между открытыми частями изолятора, находящимися под разными потенциалами. Также оребрение по металлической трубе необходимо для увеличения длины пути утечки по поверхности изолятора, для снижения силы токов утечки по загрязненной поверхности изолятора. Толщина защитного покрытия с ребрами выбирается достаточной, чтобы изолятор выдерживал импульсное разрядное напряжение без перекрытия по воздуху и резине. Таким образом, внутреннюю изоляцию осуществляет диэлектрический стеклопластиковый стержень. Разрядное напряжение по воздуху выдерживает воздушный промежуток и слой защитной оболочки. Механическую нагрузку несет металлическая труба и короткий отрезок стеклопластикового стержня. Учитывая, что модуль упругости стали на несколько порядков выше, чем у стеклопластика, при расчетах изгиб металлической трубы существенно меньше, чем соответствующий отрезок стеклопластикового стержня. В итоге отклонение верхнего фланца изолятора при приложении нагрузки происходит только за счет изгиба стеклопластикового стержня. Учитывая уменьшение его длины в 2 и более раз, соответственно уменьшается отклонение под нагрузкой. То есть при нормированном отклонении можно добиться уменьшения диаметра стеклопластикового стержня и всего изолятора, а значит, получить экономию на материалах и необходимую жесткость изолятора.The introduction of a metal pipe into the body structure of the insulator makes it possible to reduce the shoulder on which the fiberglass rod bends, and thus, to achieve the required deviation values, a smaller diameter fiberglass rod is required. At one end, the pipe can contact the flange, the other end of the pipe is permanently connected to the dielectric fiberglass rod. The connection can be made in any convenient way: gluing, crimping, bolting, etc. At the same time, the length of the dielectric rod must be sufficient so that there is no electrical breakdown inside the insulator. Outside, the entire body of the insulator from flange to flange is covered with a tracking-resistant protective shell made of silicone rubber. The protective sheath is covered not only fiberglass rod, but also a metal power tube. This is necessary to increase the air distance between the exposed parts of the insulator, which are under different potentials. Also, finning through a metal pipe is necessary to increase the creepage distance along the surface of the insulator, to reduce the strength of the leakage currents along the contaminated surface of the insulator. The thickness of the protective coating with the ribs is selected sufficient so that the insulator can withstand pulsed discharge voltage without overlapping in air and rubber. Thus, the inner insulation is carried out by a dielectric fiberglass rod. The discharge voltage across the air withstands the air gap and the layer of the protective sheath. The mechanical load is borne by a metal pipe and a short length of fiberglass rod. Considering that the elastic modulus of steel is several orders of magnitude higher than that of fiberglass, in the calculations the bending of the metal pipe is significantly less than the corresponding segment of the fiberglass rod. As a result, the deflection of the upper flange of the insulator during application of the load occurs only due to the bending of the fiberglass rod. Given a decrease in its length by 2 or more times, the deviation under load decreases accordingly. That is, with a normalized deviation, it is possible to reduce the diameter of the fiberglass rod and the entire insulator, and therefore, to save on materials and the necessary stiffness of the insulator.

Краткое описание чертежаBrief Description of the Drawing

1 - металлические фланцы,1 - metal flanges,

2 - трекингостойкая оболочка,2 - tracking resistant shell,

3 - электроизоляционный стеклопластиковый стержень,3 - insulating fiberglass rod,

4 - заполнитель,4 - placeholder

5 - металлическая силовая труба.5 - metal power pipe.

Реализация изобретенияThe implementation of the invention

На предприятии-заявителе были спроектированы и изготовлены изоляторы на напряжение 220 кВ. До сих пор полимерные изоляторы на такое напряжение изготавливали только из трубы или стержня диаметром не менее 120 мм. За основу при разработке изолятора был взят стеклопластиковый стержень диаметром 80 мм. Высота изолятора составляет 2200 мм. Металлическая труба имеет длину 1350 мм. Защитная оболочка с ребрами имеет минимальную толщину около металлического стержня - 20 мм. Электрическая прочность Епр стеклопластикового стержня - 30 кВ/см, защитной силиконовой оболочки - 28 кВ/мм. Модуль упругости стеклопластикового стержня - 800 МПа, стали - 9 ГПа. Изоляторы изготавливали следующим образом.At the applicant enterprise, insulators for 220 kV were designed and manufactured. Until now, polymer insulators for this voltage have been made only from a pipe or rod with a diameter of at least 120 mm. A fiberglass rod with a diameter of 80 mm was taken as the basis for the development of the insulator. The height of the insulator is 2200 mm. The metal pipe has a length of 1350 mm. The protective shell with ribs has a minimum thickness of about 20 mm near the metal rod. The dielectric strength of the EPR fiberglass rod is 30 kV / cm, the protective silicone sheath is 28 kV / mm. The elastic modulus of the fiberglass rod is 800 MPa, steel - 9 GPa. Insulators were made as follows.

Стеклопластиковый стержень вставляли в металлическую трубу на расстояние 2-3 диаметра, производили радиальное обжатие круглыми матрицами вокруг стеклопластикового стержня. После этого на изолятор были надеты стандартные алюминиевые фланцы и наклеены ребра, составляющие защитную оболочку, на всю длину тела изолятора: на стеклопластиковый стержень и металлическую трубу.The fiberglass rod was inserted into the metal pipe at a distance of 2-3 diameters, radial compression was made by round dies around the fiberglass rod. After that, standard aluminum flanges were put on the insulator and the ribs constituting a protective sheath were glued over the entire length of the insulator body: on a fiberglass rod and a metal pipe.

Предварительно перед наклейкой ребер защитной оболочки стеклопластиковый стержень и металлическую трубу снаружи покрывали соответствующими для каждого материала праймером, для лучшей адгезии.Previously, before gluing the ribs of the protective sheath, the fiberglass rod and the metal pipe were coated on the outside with a primer appropriate for each material, for better adhesion.

Изготовленная по предлагаемому способу партия изоляторов показала следующие результаты. Отклонение верхнего фланца изолятора при приложении перпендикулярного изгибающего усилия 1,5 кН составило не более 20 мм, что является допустимым. При этом надо учесть, что изоляторы, изготовленные на трубе 120 мм по традиционной технологии, имели отклонение при этом же усилии более 65 мм и были в 3 раза более дорогими в изготовлении.Made by the proposed method, a batch of insulators showed the following results. The deviation of the upper flange of the insulator when applying a perpendicular bending force of 1.5 kN was not more than 20 mm, which is acceptable. It should be borne in mind that insulators manufactured on a 120 mm pipe using traditional technology had a deviation of more than 65 mm with the same force and were 3 times more expensive to manufacture.

Технический результат применения заявленных изоляторов - надежная работа разъединителей и шинных опор в условиях обледенения, ветровых нагрузок, выключения и включения под нагрузкой. Четкая и быстрая работа устройств с такими изоляторами за счет их высокой жесткости и минимальных отклонений при работе. Экономическим результатом применения является снижение себестоимости изоляторов более чем в три раза за счет экономии на дорогостоящих материалах.The technical result of the application of the claimed insulators is the reliable operation of disconnectors and busbar supports under icing conditions, wind loads, switching off and on under load. Clear and fast operation of devices with such insulators due to their high stiffness and minimal deviations during operation. The economic result of the application is to reduce the cost of insulators by more than three times due to savings on expensive materials.

Claims

A support insulator containing an electrical insulating support body, a protective tracking-resistant shell with ribs and metal flanges mounted on both ends of the insulator, characterized in that the insulator support body is made in the form of a one-piece fiberglass rod and a metal pipe with a length of at least 1/3 of the length of the insulator.