ИЗОЛЯТОР-РАЗРЯДНИК И ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ДАННЫЙ ИЗОЛЯТОР

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к высоковольтным изоляторам-разрядникам, с помощью которых могут закрепляться провода или элементы высоковольтных установок, а также высоковольтных линий электропередачи и электрических сетей. Изобретение относится также к высоковольтным линиям электропередачи (ВЛЭ), использующим подобные изоляторы, способные надежно и эффективно выполнять функции как собственно изолятора, так и грозового разрядника.

Уровень техники

Из патента RU 2377678 известен высоковольтный изолятор для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи. Такой изолятор содержит изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры. Первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.

Отличительным признаком такого изолятора является наличие мультиэлектродной системы, состоящей из пяти и более электродов, механически связанных с изоляционным телом и расположенных между его концами с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и смежным (смежными) с ним электродом (электродами), между смежными электродами, а также между вторым элементом арматуры и смежным (смежными) с ним электродом (электродами).

Кроме того, указанный изолятор содержит в своем составе средства компенсации сокращения длины пути утечки изолятора, вносимого мультиэлектродной системой. В том случае, когда электроды расположены внутри изолятора, средства компенсации могут быть выполнены в виде слоя материала изолятора, отделяющего электроды от поверхности этого тела, и прорезей (например, в форме щелей или круглых отверстий), выполненных между смежными электродами и выходящих на поверхность изолятора. Для увеличения длины пути утечки по поверхности изоляции между смежными электродами глубину каждой прорези целесообразно выбрать превышающей глубину расположения электродов. С этой же целью расстояния между противолежащими сторонами участков прорезей, расположенных глубже электродов, целесообразно выбрать превышающими ширину прорезей у поверхности изоляционного тела, т.е. придать прорезям фигурную форму.

Благодаря такому выполнению длина пути утечки оказывается существенно больше длины искрового промежутка. Так как электрическая прочность воздушного промежутка при воздействии напряжения промышленной частоты значительно больше, чем разрядные напряжения по поверхности загрязненной и увлажненной изоляции, установка электродов на изоляционных элементах обеспечивает компенсацию уменьшения суммарной длины пути утечки вдоль линии размещения электродов и тем самым предотвращает снижение изоляционных свойств изолятора при одновременном обеспечении его высоких характеристик как устройства грозозащиты.

В то же время необходимо отметить такой недостаток предложенного решения, как снижение напряжения гашения искрового разряда, который возникает в результате прохождения грозового перенапряжения. Это происходит по той причине, что минимальное расстояние между электродами мультиэлектродной системы проходит напрямую через воздушный промежуток между указанными электродами. Вследствие этого на гашение установившегося разряда предложенные в патенте RU 2377678 средства компенсации уменьшения длины утечки не оказывают влияние. Эта проблема, присущая описанному устройству, приводит к тому, что для гашения разряда необходимо либо увеличивать расстояние между электродами, либо снижать эксплуатационное напряжение сети, в составе которой указанные изолятор-разрядник используется, что приводит к ограничениям возможностей применения указанных изделий.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи, которая заключается в обеспечении повышенного напряжения гашения разряда в разрядных камерах мультикамерного изолятора-разрядника при сохранении расстояния между электродами, а также изоляционных и грозозащитных свойств такого изолятора. Для этого необходимо обеспечить такое средство компенсации длины утечки, которое обладает улучшенными дугогасительными свойствами при окончании грозового разряда.

Задача настоящего изобретения решается с помощью высоковольтного изолятор для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащего изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры. Первый элемент арматуры выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора колонки или гирлянды изоляторов. Второй элемент арматуры выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора колонки или гирлянды изоляторов. Изоляционное тело может быть выполнено в виде единого изделия или состоять из нескольких элементов. В частности, в одном из вариантов изоляционное тело может состоять из круглого или тарельчатого стеклянного или фарфорового основания, на краю которого (например, по кругу) может быть установлен гибкий элемент, выполненный, например, из силиконовой резины.

Изолятор по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит мультиэлектродную систему (МЭС), состоящую из пяти и более электродов, механически связанных с изоляционным телом. Электроды МЭС расположены с обеспечением возможности формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом, между смежными электродами, а также между вторым элементом арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом. В том случае, если изоляционное тело выполнено в виде единого изделия, то электроды МЭС располагают в изоляционном теле. В том случае, если изоляционное тело состоит из нескольких элементов, то электроды МЭС могут быть установлены в одном из таких элементом или между ними. В преимущественном варианте удобна установка электродов МЭС в гибком элементе, выполненном из силиконовой резины и надеваемом на круглый край тарельчатого элемента изоляционного тела, выполненного из стекла или фарфора.

Расстояния между смежными электродами МЭС, т.е. длины g искровых разрядных промежутков выбираются с учетом требуемого значения напряжения пробоя этих промежутков. Они могут лежать в диапазоне от 0,1 мм до 20 мм в зависимости от класса напряжения изолятора и его назначения, а также от того, какие перенапряжения предполагается ограничивать: индуктированные или от прямого удара молнии.

Количество m электродов МЭС определяется с учетом ряда факторов, в том числе класса напряжения изолятора и его назначения, а также того, какие перенапряжения предполагается ограничивать, каковы сила тока в сопровождающей дуге и условия ее гашения (эти условия рассмотрены, например, в патенте РФ №2299508, Н02Н 3/22, 2007). Как будет показано далее, минимальное количество электродов целесообразно выбрать равным 5, тогда как при высоких значениях тока в дуге количество электродов может составлять в изоляторе по изобретению 200 и более. Однако (как это должно быть очевидно специалистам в данной области) введение в изолятор большого количества электродов приведет к существенному уменьшению суммарной длины пути утечки изолятора. Как следствие, произойдет значительное ухудшение его изоляционных свойств, в частности уменьшится допустимое напряжение, при котором он может применяться.

Для того чтобы избежать нежелательных последствий введения МЭС с большим количеством электродов, изолятор снабжается средствами компенсации вносимого МЭС сокращения длины пути утечки изолятора. Средства компенсации предпочтительно выполнены с возможностью обеспечения длины пути утечки по поверхности изоляции, по меньшей мере, между частью электродов, превышающей длину воздушного разрядного промежутка между этими электродами и длину одного из указанных электродов. При этом в рамках настоящего изобретения предлагается следующий вариант выполнения средств компенсации.

Электроды МЭС расположены внутри изоляционного тела и отделены от его поверхности слоем диэлектрика, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры. Донные элементы представляют собой поверхность диэлектрика, из которой выполнено изоляционное тело, образующую дно разрядной камеры. Донные элементы, по меньшей мере, части разрядных камер, противоположные тем частям разрядных камер, которая выходят на поверхность изоляционного тела, выполнены прилегающими своими краями к электродам, выходящим в разрядные камеры. В местах прилегания донных элементов разрядных камер к электродам указанные донные элементы разрядных камер не имеют соединения с внутренними боковыми поверхностями разрядных камер. При этом для обеспечения длины пути утечки по поверхности изоляции больше воздушного промежутка между электродами донные элементы разрядных камер выполнены выпуклыми, например, начиная от электродов, в сторону выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела. Горбы выпуклостей должны закрывать прямые пути для разряда между электродами, то есть вершины выпуклостей должны быть расположены ближе к выходам разрядных камер на поверхность изоляционного тела, чем участки или поверхности электродов, наиболее близкие к выходам разрядных камер на поверхность изоляционного тела.

В предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, в части разрядных камер электроды установлены таким образом, что в разрядные камеры выступают только наиболее близкие к выходам на поверхность изоляционного тела разрядных камер поверхности электродов. Вследствие этого донный элемент разрядной камеры начинается с плоскости, ограниченной наиболее близкими к выходам на поверхность изоляционного тела разрядных камер поверхностями электродов и вся выпуклость, образуемая донным элементом, направлена на решение задачи настоящего изобретения, то есть увеличение длины пути утечки изолятора и повышение напряжения окончания электрического разряда.

При любой положительной величине расстояния от вершин горбов выпуклостей до наиболее близких к выходам на поверхность изоляционного тела разрядных камер поверхностей электродов может быть обеспечен технический результат настоящего изобретения, однако в предпочтительном варианте величина этого расстояния составляет от половины до одной длины разрядного промежутка.

Форма выполнения выпуклостей может быть разнообразной. Так, в одном варианте, по меньшей мере, некоторые части выпуклостей могут быть ограничены плоскостями. Например, выпуклость в разрезе может представлять собой треугольник или трапецию с принятием в качестве основания линии, соединяющей места касания выпуклостью донного элемента электродов.

В другом варианте, по меньшей мере, некоторые части выпуклостей ограничены поверхностями второго порядка. В таком случае выпуклость в разрезе может представлять собой, например, часть круга или быть ограниченной эллипсом, гиперболой или параболой.

В предпочтительном варианте осуществления, по меньшей мере, часть выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела снабжена диэлектрическими направляющими. Эти диэлектрические направляющие могут быть установлены вокруг выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела и представлять собой, например, трубки. Кроме того, по меньшей мере, часть разрядных камер может быть снабжена усиливающими элементами, установленными вокруг разрядных камер.

Задача настоящего изобретения также решается с помощью высоковольтной линии электропередачи (ВЛЭ), содержащей опоры, одиночные изоляторы и/или изоляторы, собранные в колонки или гирлянды, и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов. При этом, по меньшей мере, один из изоляторов ВЛЭ представляет собой изолятор по изобретению, выполненный в соответствии с любым из вышеописанных вариантов.

Благодаря настоящему изобретению удается повысить напряжение гашения разряда в разрядных камерах мультикамерного изолятора-разрядника при сохранении расстояния между электродами за счет закрытия прямого пути разряда между электродами разрядных камер с помощью донных элементов разрядных камер, обладающих выпуклой формой. В то же время удается обеспечить необходимые изоляционные и грозозащитные свойства такого изолятора за счет компенсации сокращения длины утечки с помощью тех же донных элементов разрядных камер, обладающих выпуклой формой.

Краткое описание чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 показан общий вид изолятора-разрядника по настоящему изобретению;

на фиг.2 в продольном сечении показана разрядная камера мультикамерного изолятора-разрядника в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Для фиксации высоковольтного (находящегося под высоким напряжением) провода, входящего, например, в состав ВЛЭ, может быть использован показанный на фиг.1 высоковольтный изолятор 10 для крепления, в качестве одиночного изолятора или в составе колонки или гирлянды изоляторов, высоковольтного провода в электроустановке или на линии электропередачи, содержащий изоляционное тело и арматуру в виде установленных на его концах первого и второго элементов арматуры. Первый элемент 11 арматуры может быть выполнен с возможностью соединения, непосредственно или посредством крепежного устройства, с высоковольтным проводом или со вторым элементом арматуры предшествующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды, а второй элемент 12 арматуры может быть выполнен с возможностью соединения с опорой или с первым элементом арматуры последующего высоковольтного изолятора указанных колонки или гирлянды.

Согласно изобретению изолятор дополнительно содержит мультиэлектродную систему 13 (МЭС), состоящую из пяти или более электродов. Минимальное количество электродов целесообразно задать по аналогии с разрядником длинно-искрового петлевого типа на 10 кВ (РДИП-10), выполненным в соответствии с патентом РФ №2299508, Н02НЗ/22, 2007 (т.е. использующим МЭС) и получившим широкое применение в высоковольтных линиях электропередачи. Опыт эксплуатации РДИП-10 показал, что он способен эффективно выполнять грозозащитные функции при условии использования в составе МЭС не менее 15 промежуточных электродов. При этом гашение дуги происходит при первом переходе сопровождающего тока через ноль. Соответственно, с учетом того, что изолятор по изобретению рассчитан на применение в сетях от 3 кВ и выше, количество электродов для него должно быть не менее пяти.

МЭС 13 в одном из вариантов механически связана с изоляционным телом 14, причем электроды МЭС механически соединены с диэлектриком МЭС и расположены с возможностью формирования, под воздействием грозового перенапряжения, электрического разряда между первым элементом 11 арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом 15, между смежными электродами, а также между вторым элементом 12 арматуры и, по меньшей мере, одним смежным с ним электродом 16. Электроды МЭС преимущественно расположены внутри изоляционного тела 14 и отделены от его поверхности слоем диэлектрика, при этом между смежными электродами выполнены выходящие на поверхность изоляционного тела разрядные камеры 17.

Разрез одной такой разрядной камеры показан на фиг.2. В глубине диэлектрика 23, который представляет собой часть изоляционного тела, во внутреннюю часть 24 разрядной камеры выходят электроды 21 и 22. К этим электродам прилегает выпуклый донный элемент 28 разрядной камеры 24. В разрядной камере также предусмотрены направляющая трубка 25 (диэлектрическая направляющая), предназначенная для направления электрического разряда в сторону от изолятора-разрядника и предотвращения соединения разрядных дуг, исходящих из соседних разрядных камер изолятора разрядника, в один разряд. Направляющий элемент 25 не обязательно представляет собой трубку и может быть выполнен в виде плоских элементов. Также предусмотрен усиливающий элемент 26, выполненный, например, в виде стеклопластиковой трубки или в другом виде. Усиливающий элемент обеспечивает необходимую прочность разрядной камеры. Кроме того, электроды 21 и 22 показанной разрядной камеры соединены с электродами соседних разрядных камер с помощью проводников 27.

Донные элементы, по меньшей мере, части разрядных камер, выполнены прилегающими своими краями к электродам, выходящим в разрядные камеры, и выпуклыми от электродов в сторону выходов разрядных камер на поверхность изоляционного тела, причем горбы выпуклостей закрывают прямые пути разряда между электродами. В местах прилегания донных элементов разрядных камер к электродам указанные донные элементы разрядных камер не имеют соединения с внутренними боковыми поверхностями разрядных камер, то есть предусмотрен разрывы между донной и боковой поверхностями разрядной камеры, с помощью которых в разрядную камеру выступают электроды.

При воздействии на провод грозового перенапряжения достаточной величины перекрывается воздушный промежуток первым элементом арматуры, соединенным с проводом (или с его крепежным устройством) и ближайшим к нему первым электродом, а затем разряд развивается каскадно, т.е. последовательно пробивая искровые разрядные промежутки между смежными электродами, пока не дойдет до второго элемента арматуры, соединенного с заземленной опорой. Таким образом, провод оказывается соединенным с заземленной опорой каналом, который состоит из отрезка канала между первым элементом арматуры, соединенным с высоковольтным проводом, и первым электродом, множества мелких отрезков канала между электродами и отрезка канала между последним электродом и вторым элементом арматуры, соединенным с опорой.

Вблизи отрицательно заряженных поверхностей электродов возникает так называемое катодное падение напряжения, которое составляет 50-100 В. В обычных разрядных системах, состоящих из двух электродов (катода и анода), эффект катодного падения напряжения неощутим, т.к. разрядные напряжения составляют киловольты. Вследствие того, что в изоляторе по изобретению число электродов весьма велико (например, для класса напряжения 10 кВ при гашении разряда без сопровождающего тока промышленной частоты оно составляет порядка 100), суммарный эффект от катодного падения напряжения играет существенную роль. В этом случае основное падение напряжения при разряде в маленьких промежутках между электродами приходится на прикатодную область. В ней же выделяется большая часть общей энергии, выделяемой каналом разряда между электродами. При этом электроды нагреваются и тем самым охлаждают канал разряда. После протекания тока грозового перенапряжения канал быстро остывает и его сопротивление увеличивается. По окончании импульса грозового перенапряжения к изолятору остается приложенным напряжение промышленной частоты. Однако вследствие большого суммарного сопротивления канала, обеспеченного выпуклым донным элементом разрядной камеры, закрывающим прямой путь для разряда между электродами, разряд не может самостоятельно существовать и гаснет. ВЛЭ, в которую входят изоляторы по изобретению, продолжает работу без отключения. Таким образом, высоковольтный изолятор по изобретению с высокой эффективностью реализует функцию грозозащиты, выполняемую в известных ВЛЭ отдельными устройствами грозозащиты, подключаемыми к каждому изолятору.

Для того чтобы изолятор согласно изобретению надежно выполнял и свою основную изоляционную функцию при продолжительном воздействии напряжения промышленной частоты в условиях загрязнения и увлажнения/Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) нормируется удельная эффективная длина пути утечки (отношение эффективной длины пути утечки изолятора или гирлянды (колонки) изоляторов, при которой обеспечивается их надежная работа, к наибольшему линейному, длительно допускаемому напряжению U_доп). Значения нормированной удельной эффективной длины пути утечки поддерживающих гирлянд ВЛЭ 6-750 кВ и штыревых изоляторов на металлических опорах зависят от типа и класса линии (а также от степени загрязненности атмосферы) и лежат в диапазоне l_уд=1,4-4,2 см/кВ (см. Кучинский Г.С. и др. Изоляция установок высокого напряжения - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.145).

Таким образом, значение суммарной длины L_∑ пути утечки между проводом и заземленным (т.е. соединенным с заземленной опорой) элементом арматуры изолятора должно быть не менее чем определяемое по формуле

Суммарная длина пути утечки складывается из длины пути утечки между первым элементом арматуры изолятора, соединенным с проводом (или с его крепежным устройством), и ближайшим к нему электродом МЭС, l_ут.1, длины пути утечки между m электродами МЭС (m-1) l_ут.0 (где l_ут.0 - длина утечки между соседними электродами МЭС) и длины пути утечки между последним электродом МЭС и заземленным вторым элементом арматуры, l_ут.т.

Если l_ут,1=l_ут,0=l_ут,т, то (1) можно записать в виде:

Как уже упоминалось, количество m электродов определяется условием гашения сопровождающего тока. При известном m минимально допустимую длину пути утечки между двумя соседними промежуточными электродами l_ут.0 можно определить из (2) по формуле:

Как видно из (3), l_ут.0 определяется максимально допустимым рабочим напряжением сети U_доп, нормированной удельной эффективной длиной пути утечки l_уд и количеством электродов m.

Обычно длина пути утечки изолятора по траектории, проходящей по торцевой поверхности ребра изоляционного тела изолятора, больше, чем наименьшая длина пути утечки от провода ко второму элементу арматуры, проходящего по изоляционному телу. Однако установка электродов МЭС на торцевую поверхность ребра в изоляторе-разряднике по изобретению уменьшает длину пути утечки по спиральной траектории, проходящей по торцевой поверхности ребра. Поэтому при большом количестве электродов МЭС этот путь утечки может стать меньше указанной наименьшей длины пути утечки. Из формулы (3) видно, что в этом случае произойдет уменьшение максимально допустимого напряжения U_доп, т.е. ухудшение изоляционных свойств изолятора. Чтобы этого не произошло, средства компенсации, обеспечивающие в данном варианте увеличение l_ут.0 пути утечки между электродами, выполнены в виде слоя материала изоляционного ребра, отделяющего электроды МЭС от поверхности изоляционного ребра, и выпуклого донного элемента разрядной камеры.

Преимуществом такого выполнения средств компенсации является возможность задания требуемой длины l_ут.0 пути утечки простым изменением высоты выпуклого донного элемента по отношению к поверхностям электродам МЭС, наиболее близко расположенных к поверхности изоляционного тела, и/или толщины слоя материала, отделяющего электроды от поверхности изоляционного тела. Достоинством этого варианта изолятора-разрядника является то, что он может применяться в районах с сильным загрязнением атмосферы, так как загрязнение не может накопиться в промежутках между электродами.

Электроды предпочтительно могут быть установлены таким образом, что в разрядные камеры выступают только наиболее близкие к выходам на поверхность изоляционного тела разрядных камер поверхности электродов, как это показано на фиг.1.

Донные элементы могут быть выполнены таким образом, что расстояние от вершин горбов выпуклостей до наиболее близких к выходам на поверхность изоляционного тела разрядных камер поверхностей электродов имеет величину от половины до одной длины разрядного промежутка.

Обычно разрядная камера представляет собой щель, поскольку ширина разрядной камеры в направлении, поперечном искровому промежутку, предпочтительно меньше длины разрядной камеры, определяемой вдоль искрового промежутка между электродами. Поэтому выпуклость донного элемента обычно имеет незначительную ширину, в связи с чем высота выпуклости по отношению к электродам в направлении, поперечном разрядному промежутку, практически постоянна. Однако могут быть представлены такие решения, в которых ширина разрядной камеры может иметь значительную величину, например, сравнимую с длиной разрядной камеры или длиной разрядного промежутка, и тогда высота выпуклости может меняться. В этом случае необходимо учитывать, что для достижения технического результата настоящего изобретения выпуклый донный элемент разрядной камеры в месте своей минимальной высоты должен перекрывать прямой путь для прохождения разряда между электродами.

По меньшей мере, некоторые части выпуклостей, образуемых донными частями, могут быть ограничены плоскостями или поверхностями второго или более высокого порядка.

Мультикамерный изолятор-разрядник, обладающий разрядными камерами в соответствии с изобретением, может быть применен в высоковольтных линиях электропередачи, содержащая, помимо изоляторов в соответствии с изобретением (одиночных или собранных в гирлянды) опоры и, по меньшей мере, один находящийся под высоким электрическим напряжением провод, связанный непосредственно или посредством крепежных устройств с элементами арматуры одиночных изоляторов и/или первых изоляторов колонок или гирлянд изоляторов, причем каждый одиночный изолятор или каждая колонка или гирлянда изоляторов закреплен (закреплена) на одной из опор посредством элемента своей арматуры, смежного с указанной опорой.