RU2342724C1 - Isolator with inorganic composite rod - Google Patents

Isolator with inorganic composite rod Download PDF

Info

Publication number
RU2342724C1
RU2342724C1 RU2007134184/09A RU2007134184A RU2342724C1 RU 2342724 C1 RU2342724 C1 RU 2342724C1 RU 2007134184/09 A RU2007134184/09 A RU 2007134184/09A RU 2007134184 A RU2007134184 A RU 2007134184A RU 2342724 C1 RU2342724 C1 RU 2342724C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
insulators
rod
composite
fiberglass
insulator
Prior art date
Application number
RU2007134184/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Валерьевич Старцев (RU)
Вадим Валерьевич Старцев
Original Assignee
Закрытое Акционерное Общество "Арматурно-Изоляторный Завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое Акционерное Общество "Арматурно-Изоляторный Завод" filed Critical Закрытое Акционерное Общество "Арматурно-Изоляторный Завод"
Priority to RU2007134184/09A priority Critical patent/RU2342724C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2342724C1 publication Critical patent/RU2342724C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention is attributed to electric engineering in particular to high-voltage suspended and base rod composite insulators for air lines and open distributing devices. In the insulator containing rod made of composite material and reinforced by glass fibers, inorganic phosphate bonding material serves as matrix of bearing rod composite material. Bonding material is selected from following group: magnezium, aluminium, chrome, zirconium-phosphate bonding materials, combined on their basis bonding materials and alcaline polyphosphate solutions.
EFFECT: making the isolator resistant to adverse effects during service, reliability and durability improvement.
3 dwg

Description

Область техникиTechnical field

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.The invention relates to electrical engineering, in particular to high-voltage suspended and support rod composite insulators of overhead power lines (VLEP) and open switchgears (outdoor switchgear), designed for a voltage of mainly 6-1150 kV.

Предшествующий уровень техникиState of the art

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.In recent years, the production and use of composite insulators in high-voltage electrical installations has been steadily expanding in many countries. In the application of polymer composite insulators, along with the undoubted achievements, a number of serious unsolved problems remain. Therefore, manufacturers of insulators rather sparingly inform interested specialists about their achievements and shortcomings, keeping in secret not only the aspects of technology and design features of insulators, but also the experience of their operation.

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.Among the classical rod insulators, ceramic (porcelain) insulators occupy the main place. Non-ceramic insulators are divided into composite insulators, consisting of several types of polymers, and solid insulators - from one polymer material. The most widespread in the world and in Russia were composite insulators. The IEC 1109 (1992) standard applies only to linear composite insulators (suspension and tension insulators, VL line-to-line spacers). The basis of composite polymer insulators is a fiberglass rod, consisting of epoxy (phenol-formaldehyde, cycloaliphatic) resin and reinforcing glass fibers (glass roving). The IEC 1109/1 / standard was first developed, and on its basis the bulk of recent polymer composite insulators was created.

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.Starting from the 60s, the design of these insulators is also found in most patents related to rod polymer composite insulators. They are all united by a common design: a fiberglass power rod, a protective shell made of a tracking-resistant polymer (polyolefin, silicone, etc.), metal flanges at the ends for fixing the insulator. A fiberglass rod usually consists of a matrix based on a thermosetting polymer, such as epoxy, and reinforcing thin unidirectional fibers. A method of manufacturing fiberglass with glass filaments is described in detail in patent US 3557447 Jan. 1971. All insulators used in the world today use a core made of thermosetting polymer reinforced with glass filaments. In particular, in patents US 4604498 Aug. 1986, US 4,212,696 Jul. 1980, US 6051796 Apr. 2000, US 3134164 May 1964, US 4246696 Jan. 1981, US 4,217,466 Aug. 1980, SU 983758 of 12/23/1983 expressly indicates the use of glass fibers and a polymer matrix in a composite power rod. In the patents of the Japanese company NGK Insulators Ltd., for example, EP 0617433 of 03.25.1994 describes an insulator with a polymer rod reinforced with strong fibers, without indicating the material of the rod. The core and material of this patent are not protected. In general, after the introduction of the IEC 1109 standard, a fiberglass rod with an epoxy matrix and reinforcing glass fibers is an integral element of a composite polymer insulator and does not undergo changes, despite the existing operational problems.

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.Some types of composite suspension insulators manufactured by various factories since the beginning of the 70s turned out to be mechanically fragile, which led to a number of serious accidents even after a short period of their operation. These failures in the operation of the insulators occurred under mechanical loads significantly less than the nominal, and the fracture surface of fiberglass significantly differed from that observed in laboratory mechanical tests. This type of fracture, later called the “brittle fracture”, was reproduced in laboratory conditions when a relatively low tensile load with simultaneous acid exposure was applied to the fiberglass core. In / 2 /, recommendations are given for identifying brittle fracture of a fiberglass rod of composite insulators. The main visually observed characteristics of a brittle fracture of fiberglass: a smooth (without fragments) fracture surface, mainly located perpendicular to the axis of the rod (only some fibers protrude from the resin), the presence of several fracture planes (cracks) formed along the length of the rod, the fracture surfaces are clean, not visible a large number of broken fibers. In contrast to the “brittle fracture” during the usual destruction of fiberglass by tensile load, many broken fibers (not crystalline, but white), small particles of glass and resin are visible, and the fracture surface is at an angle of 45 degrees to the axis of the rod.

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.This destruction is currently being studied in many countries. Based on these observations, the following mechanism of brittle fracture was adopted: most often it occurs inside the metal reinforcement of insulators, where the distribution of mechanical stresses over the cross section of the rod is especially uneven, or at a distance of 5-10 cm above the lower terminal, where in the absence of shields the greatest electric field strength is observed. A crack initiating brittle fracture under the action of a tensile load propagates slowly until, due to a gradual decrease in the cross section of the rod, the mechanical stress rises to a sufficiently high level that breaks the fibers. Examination of the surface of brittle fracture using a microscope reveals "stop lines" where cracks begin. Evaluation of many brittle fractures shows that they are associated with low mechanical stress, slow propagation of cracks, their initiation on the surface of a fiberglass rod. A mandatory fact that accompanies brittle fracture is the presence of contact with fiberglass active chemicals, especially an acid solution, i.e. brittle fracture is associated with corrosion of the fiberglass matrix material in combination with mechanical stress. When the acid first contacts the resin of the matrix and then the glass fibers, an ion exchange occurs between the acid and the glass lattice. This leads to increased loads on the surface of the fiberglass, causing spiral cracks on the surface of the glass. It is known that fiberglass rods of composite insulators are made of fiberglass placed in a polymer resin. High mechanical strength of the rods is determined by fiberglass. Cracks begin in the resin as a result of the lack of resistance of the resin material to acid or other adverse factors. If the acid reaches the glass fiber (usually this occurs near or on the surface of the rod), the fiber breaks in the plane of propagation of the crack. Tears occur gradually: fiber by fiber. Acid can also migrate longitudinally, causing a gradual spread of “brittle fracture” along the rod. In this case, as the crack propagates, the mechanical stress in front of the crack increases and, therefore, the crack propagates faster and faster. At the final stage, when the crack propagation velocity reaches the speed of sound in fiberglass, the fracture mode changes from “brittle” to normal.

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.The considered phenomenon of “brittle fracture” can be observed in composite insulators subjected to ordinary atmospheric influences, since some acids of various concentrations can be contained in atmospheric air. Nitric acid can also form on the surface of the insulator during electrical discharges in a humid environment. The danger of a "brittle fracture" increases sharply if the edges of the insulator containment shell are damaged and the core is exposed.

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.A significant drawback of rods based on polymer thermosetting resins (epoxy, polyester, phenolic, etc.) is their susceptibility to external adverse effects: solar radiation, temperature, weathering, ozone, moisture, electric arc, tracking, corona discharges, etc. Especially negatively affects the operation of high-voltage insulators is the resistance of the fiberglass rod to the effects of surface currents and internal partial discharges. When leakage currents pass along the surface of an epoxy or other polymeric organic resin, the surface burns and char. The thermal decomposition of organic resins results in products containing carbon, and carbon is known to be a good electrical conductor. As a result of the action of surface currents on the resin of the matrix of the fiberglass rod, a conductive path is formed, which quickly leads to the destruction of the insulator, short circuit and breakdown of the insulator. The same mechanism, with slight changes, operates with partial discharges in the internal cavities of the insulator. It is for the protection of fiberglass that protective shells made of polymer-resistant, resistant to the effects of leakage currents of silicone rubber are used on polymer insulators. The result of thermal decomposition of silicone rubber is silicon dioxide, a dielectric. And to eliminate partial discharges inside, vacuum is used in the manufacture and strict control of the level of partial discharges during control tests before shipment of finished insulators to the consumer.

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.All of these shortcomings were deprived of traditional ceramic insulators. They were made of electrical porcelain and had a monolithic design. The main disadvantage of porcelain insulators is fragility, low mechanical strength, very low impact strength, the possibility of a wire falling in case of breakage. All supporting porcelain insulators have a weak spot near the lower metal flange. Usually in this place, the insulator breaks down under mechanical stress. Composite polymer insulators do not collapse under the influence of only mechanical operational loads, since glass reinforcing threads have tensile strength several times greater than the strength of porcelain. Porcelain has acceptable compressive strength only. Fiberglass rods work great for tensile and bending. They are almost impossible to break. Under load, they bend like a fiberglass rod, but do not break. This property of fiberglass is used in polymer insulators and, in particular, in the supporting rod insulation design RU 2173902 from 1999.12.23, which is the prototype of the proposed insulator.

Цели изобретенияOBJECTS OF THE INVENTION

Изобретением решается задача создания изолятора с несущим стержнем, устойчивым к воздействию неблагоприятных факторов эксплуатации и к воздействию механических динамических ударных нагрузок.The invention solves the problem of creating an insulator with a supporting rod that is resistant to adverse operating factors and to the effects of mechanical dynamic shock loads.

Описание и пример реализацииDescription and implementation example

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.When using fiberglass composite insulators, it is impossible to completely eliminate the damage caused by adverse atmospheric influences and completely exclude the possibility of a “brittle fracture” and fall of the insulator with the wire under voltage to the ground. On the other hand, it is impossible not to use high-strength composite materials, since the supporting rod must withstand tensile loads of more than 70 kN, and the tension of the wires of overhead power lines, especially in emergency operation, can exceed 400 kN. For supporting insulators, lateral bending loads reach 10 kN. A rod made monolithic without reinforcing from any polymer cannot withstand such loads. Ceramic monolithic materials have all the necessary electrical properties, but do not have the mechanical properties of composite polymers. A conflict arises: there should be a composite material and at the same time there should not be a composite material. It was possible to resolve this conflict in the proposed isolator. The supporting insulating core is made of inorganic composite material reinforced with glass fibers. The matrix connecting the glass fibers is made on the basis of an inorganic phosphate binder.

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.The chemical process that initiates the hardening of phosphate systems is the acid-base interaction of a liquid protonated medium with solids of a basic nature. Any acid-base reaction in heterogeneous dispersed solid-liquid systems is a synthesis of binders and materials. The simplest phosphate binders are formed by acid-base phosphoric acid interaction systems. The conditions for the manifestation of astringent properties in phosphate binders change with a change in the chemical characteristics of the solid phase as a base. A decrease in the ionic potential of the cation in the oxide or in the work function of the electron causes an increase in its basic properties. In accordance with this, there is an increase in the chemical activity of the oxide with respect to acid and a transition from phosphate systems that harden only under conditions stimulating the chemical interaction of components (heating, mechanochemical activation, etc.) to systems hardening under normal conditions, and then to objects exhibiting astringent properties only with a decrease in the intensity of interaction of the solid phase and the matrix. So for oxides of silicon, titanium, aluminum, zirconium, magnesium, chromium, cobalt, the activation of the process of interaction with phosphoric acid is required for the manifestation of astringent properties. Oxides of iron, nickel, copper harden under normal conditions. Oxides of magnesium, zinc, cadmium, calcium, barium require passivation of the interaction process. Based on these properties, oxides for phosphate binders are selected. Some natural materials used in the electrical insulating industry can be used in phosphate bonds. An example of electrical insulation systems can be mica phosphate materials - the result of the interaction of mica minerals (phlogopite and muscovite) with aluminochromophosphate solutions. The most widely used in practice are magnesium, aluminum, chromium, zirconium phosphate bonds, as well as combined ligaments based on them and alkaline polyphosphate solutions. This is due to a wide range of compositions and properties, good adhesive and thermophysical characteristics of the ligaments.

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.As tests have shown, the use of phosphate bonds for the manufacture of composite rods made it possible to significantly increase the heat resistance, arc resistance, and resistance to tracking and leakage currents of insulators. Composite rods based on thermosetting resins required special protection against adverse factors during operation. Composite rods based on a phosphate matrix and glass reinforcing yarns do not require measures to protect against the effects of the atmosphere, ozone, ultraviolet radiation, precipitation and pollution. The mechanical properties of inorganic composite rods are primarily determined by the properties of the reinforcing fibers, the characteristics of the glass roving used. On this basis, the basic mechanical properties of an inorganic composite material are comparable to those of polymer composites. The main properties used in insulators include high mechanical tensile and bending strength, resistance to dynamic shock loads, the absence of brittleness, the absence of a break in the loss of mechanical strength and, as a consequence, the impossibility of the wire falling to the ground.

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.The high resistance of inorganic composite rods to adverse effects allows them to be used in insulators without a protective silicone or other coating. Until now, fiberglass rod-based polymer insulators have necessarily been required to be protected by a track-proof, resistant to the atmosphere, electric arc, ultraviolet, etc. protective sheath made of silicone rubber. In the case of violation of the tightness of the silicone shell or its destruction (for example, as a result of biting by birds), the fiberglass rod quickly broke down and the insulator failed with its complete destruction. The proposed insulators are devoid of this significant drawback.

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.Insulators with an inorganic composite rod based on phosphate bonds have all the advantages of polymer composite insulators, but are not exposed to adverse operating factors even without a protective sheath.

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.The production technology of a composite material based on inorganic phosphate bonds is identical to the technology for the production of composites based on thermosets, and is not difficult. The only difference is the use of a matrix of phosphate binders for the material, instead of thermosetting polymer resins. In particular, rods up to 80 mm in diameter are manufactured by pultrusion. The method consists in drawing a thin glass filament impregnated with a matrix binder through a die and then curing the matrix as a result of an irreversible reaction when heated in an oven to temperatures from 80 to 300 degrees Celsius. Using this technology, up to 85% of all polymer composite rods reinforced with glass or other fibers are made, while the filaments are also impregnated with a polymer that irreversibly hardens as a result of a chemical reaction at an elevated temperature from 80 to 180 degrees Celsius. Increasing the temperature to 300 degrees is not difficult.

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.It is possible to use the process of two stages. At the first stage, the reinforcing fibers are impregnated with a phosphate binder, drawn through a die and pre-dried. In the second stage, the rods are placed in a furnace with the temperature necessary to activate the process of acid-base interaction of a phosphate binder (for example, 300 degrees Celsius), where the final curing of the inorganic composite takes place.

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.It is possible to manufacture products using other methods traditionally accepted in the production of polymer composite materials. Such methods are: winding reinforcing threads pre-impregnated with a phosphate binder onto a mandrel, laying out material pre-impregnated in a phosphate binder from a reinforcing fabric or a chaotic bundle of threads, pressing blanks from an impregnated fabric or unidirectional reinforcing material in heated molds.

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%.Using the winding method, they create the most durable structures with minimum weight, which is achieved by orientation of the reinforcing fibers in the direction of action of the main loads. At the applicant enterprise, all methods of manufacturing composite materials based on phosphate binders were tested. The main type of ligaments used in the manufacture of experimental batches of products were aluminophosphate ligaments and aluminochromophosphate ligaments. Composition of material for the carrier rods are usually insulators was: alyumohromfosfatnaya aluminophosphate ligament or ligament in a molar ratio of P 2 O 5 / Al 2 O 3 within 3,0-3,2-8-25%, alumina powder with a content of Al 2 O 3 not less than 95% and grain size M5-M20 up to 70%, reinforcing glass fibers from E glass - from 15% to 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.Bearing rods for insulators based on phosphate bonds, unlike fiberglass ones, have a number of properties that are necessary and manifest when operating high-voltage insulators with a load. In the manufacture of an experimental batch of high-voltage insulators for voltage of 110 kV, 220 kV at the applicant enterprise and subsequent studies, it was proved that the purpose of the invention was achieved.

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.Insulators made on the basis of an inorganic composite rod have successfully withstood the effects of contamination with solutions of mineral acids, alkalis and salts. Insulator tests were carried out under extreme operating conditions in accordance with the recommendations of CIGRE [3] and the international standard IEC1102 [1]. In additional comparative tests for the effects of organic acids, insulators showed better results than similar insulators made on the basis of fiberglass rods. Exposure to such acids under actual operating conditions does not occur. All harmful effects according to the generally accepted testing methods for polymer high-voltage insulators were applied during the tests and the insulators successfully passed these tests.

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.To tighten the test conditions, the insulators were made without protective silicone shells. As a result of testing these insulators, it was revealed that live insulators could operate without a protective silicone shell. In accordance with the accelerated testing program, the calculated period of operation of the insulator was more than 10 years. It should be borne in mind that a high-voltage insulator based on a fiberglass rod without a protective shell is destroyed within 1 day to 3 months.

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.Mechanical tests showed higher tensile strength. Under the influence of long dynamic bending and tensile forces, insulators made on the basis of an inorganic composite rod showed results that are 15-20 times higher than the characteristics of insulators made of electrical porcelain. Under the influence of dynamic loads, fatigue fractures in the proposed insulator rods occurred much later than in china. This makes it possible to predict a significant increase in the service life of these insulators, since suspension insulators during vibration of wires and supporting insulators in the composition of disconnectors experience precisely dynamic loads.

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].The result of the use of the proposed insulator based on an inorganic rod is the absence of a "brittle fracture" in suspended insulators, resistance to the effects of adverse factors in operation. At the applicant plant, rods were made by impregnating the reinforcing fibers with a phosphate matrix binder under pressure. For the production of rods, glass filaments manufactured by Tverstekloplastik OJSC were used, as a binder, a composition of aluminophosphate binder with a molar ratio of P 2 O 5 / Al 2 O 3 in the range of 3-3.5 and alumina powder with α-Al 2 content were used About 3 not less than 95% and grit M5-M20. As a result of lengthy tests simulating the conditions of occurrence of a “brittle fracture”, not a single case of this type of destruction was revealed. Control samples of insulators with a fiberglass rod showed destruction in 3 cases out of 10 fiberglass rods were made according to the same technology using glass roving manufactured by Tverstekloplastik OJSC and as a binder - epoxy resin ED-20 with PEPA hardener (polyethylene polyamine ) The tests were carried out for 8 months according to the CIGRE method [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.The main result of the use of a rod based on an inorganic phosphate binder is the high stability of the insulator based on it to all types of adverse effects: ultraviolet, ozone, acids, moisture, electric arc, leakage currents, tracking, erosion, etc. The insulator can work while maintaining operability without protective shells and coatings. At the same time, the mechanical characteristics of the insulator, resistance to dynamic shock loads, vibrations is comparable with polymer composite insulators based on a fiberglass rod.

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.Based on the foregoing, it can be concluded that the electrical, operational and mechanical characteristics of the proposed insulators are significantly improved in comparison with traditional ones based on a fiberglass supporting rod. Also, the proposed insulators exclude the possibility of a “brittle fracture" and the fall of the wire for this reason on the ground.

Конструкция изолятора поясняется чертежамиThe design of the insulator is illustrated by drawings.

На всех чертежах следующие обозначения:In all the drawings, the following notation:

1 - фланцы изолятора для крепления к арматуре и опоре,1 - flanges of the insulator for mounting to fittings and support,

2 - электроизоляционный композитный стержень на основе матрицы с фосфатным связующим,2 - electrical insulating composite rod based on a matrix with a phosphate binder,

3 - силиконовая защитная оболочка,3 - silicone protective shell,

4 - армирующие высокомодульные волокна,4 - reinforcing high modulus fibers,

5 - неорганическая матрица композитного стержня на основе фосфатной связки.5 - inorganic matrix of a composite rod based on a phosphate binder.

Фиг.1 - вид композитного подвесного изолятора с композитным стержнем, на основе неорганической матрицы из фосфатного связующего.Figure 1 is a view of a composite suspension insulator with a composite rod, based on an inorganic matrix of a phosphate binder.

Фиг.2 - вид композитного опорного изолятора на основе стержня с неорганической матрицей из фосфатного связующего.Figure 2 is a view of a composite support insulator based on a rod with an inorganic matrix of a phosphate binder.

Фиг.3 - вид электроизоляционного стержня, состоящего из неорганической фосфатной матрицы и высокомодульных волокон.Figure 3 is a view of an electrical insulating rod consisting of an inorganic phosphate matrix and high modulus fibers.

Использованные публикации:Used publications:

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.1. IEC 1109 (1992). 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, 61-65.2. Guide for the identification of brittle fracture of composite insulator FPR rod. Working Group 03 of CIGRE Study Committee 22. Electra, 1992, No. 144, 61-65.

3. CIGRE Study Committee 22, W.G. 10, 1983. Technical basis for nominal requirements for composite insulators. Electra, №88, 1983, 89-114.3. CIGRE Study Committee 22, W.G. 10, 1983. Technical basis for nominal requirements for composite insulators. Electra, No. 88, 1983, 89-114.

Claims (1)

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.An insulator containing a support rod made of a composite material reinforced with glass fibers, characterized in that the matrix of the composite material of the support rod is an inorganic phosphate binder selected from the group: magnesium, aluminum, chromium, zirconium phosphate binders, combined binders based on them and alkaline polyphosphate solutions.
RU2007134184/09A 2007-09-13 2007-09-13 Isolator with inorganic composite rod RU2342724C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007134184/09A RU2342724C1 (en) 2007-09-13 2007-09-13 Isolator with inorganic composite rod

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007134184/09A RU2342724C1 (en) 2007-09-13 2007-09-13 Isolator with inorganic composite rod

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2342724C1 true RU2342724C1 (en) 2008-12-27

Family

ID=40376986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007134184/09A RU2342724C1 (en) 2007-09-13 2007-09-13 Isolator with inorganic composite rod

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2342724C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497216C1 (en) * 2012-05-04 2013-10-27 Закрытое акционерное общество "Феникс-88" Method for making spiral protection cover of composite insulator
RU2598675C2 (en) * 2014-12-19 2016-09-27 Валерий Николаевич Николаев Non-combustible composite material and binder for production thereof
RU2715216C2 (en) * 2018-08-06 2020-02-26 Общество С Ограниченной Ответственностью "Инста" (Ооо "Инста") Linear rod insulator (embodiments)
RU203847U1 (en) * 2020-08-21 2021-04-22 Общество С Ограниченной Ответственностью "Форэнерго-Инжиниринг" (Ооо "Форэнерго-Инжиниринг") ROD SUPPORT POLYMER INSULATOR

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2497216C1 (en) * 2012-05-04 2013-10-27 Закрытое акционерное общество "Феникс-88" Method for making spiral protection cover of composite insulator
RU2598675C2 (en) * 2014-12-19 2016-09-27 Валерий Николаевич Николаев Non-combustible composite material and binder for production thereof
RU2715216C2 (en) * 2018-08-06 2020-02-26 Общество С Ограниченной Ответственностью "Инста" (Ооо "Инста") Linear rod insulator (embodiments)
RU203847U1 (en) * 2020-08-21 2021-04-22 Общество С Ограниченной Ответственностью "Форэнерго-Инжиниринг" (Ооо "Форэнерго-Инжиниринг") ROD SUPPORT POLYMER INSULATOR

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hackam Outdoor HV composite polymeric insulators
Jenkins et al. Investigation of the strength loss of glass fibre after thermal conditioning
Janssen et al. Interfacial phenomena in composite high voltage insulation
RU2342724C1 (en) Isolator with inorganic composite rod
Amini et al. Evaluation of the electrical properties and mechanical behavior of insulator’s composite core in harsh environments
EP2629305B1 (en) Composite materials for use in high voltage devices
RU2328787C1 (en) Insulator with composite rod that is reinforced with high module organic fibers
Gao et al. Comparative investigation on fracture of suspension high voltage composite insulators: A review—Part I: Fracture morphology characteristics
Kuhl FRP rods for brittle fracture resistant composite insulators
Lan et al. Characteristics of corona aged Nano-composite RTV and HTV silicone rubber
Ogbonna et al. A comparative study on the failure analysis of field failed high voltage composite insulator core rods and recommendation of composite insulators: A review
Baker et al. High voltage insulators mechanical load limits—Part I: Overhead line load and strength requirements
Francis et al. Degradation of epoxy reinforced Banana fibers and eggshell particles hybrid composite high-voltage insulators via accelerated UV aging processes
Cao et al. System and method of quasi-distributed fiber Bragg gratings monitoring brittle fracture process of composite insulators
Harris et al. Metallographic investigation of the damage caused to GRP by the combined action of electrical, mechanical and chemical environments
CN101615454A (en) Combined insulator string
De Tourreil et al. " Brittle fracture" of composite insulators: why and how they occur
Kobayashi et al. Development of composite insulators for overhead lines
Danikas Polymer outdoor insulators
Pratap Vinyl ester and acrylic based polymer concrete for electrical applications
Jonsson et al. Dry transformer bushings with composite insulators—The obvious combination for increased reliability
Gao et al. Mechanical properties analysis of domestic large tonnage porcelain insulators based on operating load conditions
Hettich et al. Failure behavior of high performance porcelain insulators: Versagensverhalten von Hochspannungs‐Tonerde‐Porzellanisolatoren
Douar et al. Influence of the rise rate of voltage and leakage distance on flashover gradient and partial discharges level for various polymeric materials under AC stress
NageswaraRao et al. Design of corona mitigation device and application of ZnO microvaristor on 66kV insulators by finite element method