ШТЫРЕВОЙ ИЗОЛЯТОР

Изобретение относится к электроэнергетике, а конкретно к линейным штыревым высоковольтным изоляторам, предназначенным для изоляции проводов и крепления их к металлическим железобетонным и деревянным опорам на воздушных линиях электропередачи и в распределительных устройствах станций и подстанций на напряжение до 35 кВ переменного тока промышленной частоты 50 Гц.

Как правило, штыревые изоляторы состоят из фарфорового изоляционного тела с юбками, глухим отверстием с винтовой резьбой для крепления изолятора на штыре траверсы, через колпачок с ответной резьбой, и боковой кольцевой канавки для крепления провода к изолятору. Хрупкость и низкая ударная прочность фарфора являются основными недостатками этих изоляторов.

Известен штыревой изолятор, содержащий изоляционное тело с юбками, гнездом для крепления изолятора, имеющим винтовую резьбу и кольцевой канавкой для боковой вязки провода на поверхности верхней юбки, выполненный из фарфора (Стандарт Германии DIN 48004-1969 - Изоляторы фарфоровые штыревые с внутренней заделкой арматуры на номинальные напряжения от 10 до 30 Кв для силовых воздушных линий электропередачи). Изолятор этой конструкции широко применяется в электроэнергетике, но имеет ряд недостатков. Данный изолятор характеризуется повышенным расходом исходного материала (фарфора), так как он должен иметь прочность на изгиб не менее 13 кН. Изгибающие нагрузки прикладываются к месту боковой вязки провода и через изолятор действуют на металлический штырь, на котором прикреплен изолятор. Изоляторы крепятся на штырь через полиэтиленовый колпачок, для компенсации разных температурных расширений фарфора и металла. Обычно верхний край гнезда для крепления штыря находится ниже боковой канавки для крепления провода. В этом случае внутри изолятора возникают при натяжении проводов изгибающие нагрузки, тем большие, чем больше плечо между направляющими приложенных сил натяжения провода и реакции металлического штыря. С целью увеличения прочности фарфоровое тело изолятора делают более толстым, однако с увеличением толщины фарфора увеличивается вероятность микротрещин и уменьшается напряжение пробоя изолятора. Фарфор изолятора при воздействии электрического напряжения достаточно быстро теряет свои электрические и механические свойства и подвергается старению. Кроме того, стекловидная глазурь фарфорового изолятора при смачивании под дождем достаточно сильно проводит электрический ток, а также хорошо загрязняется. Недостатками этого изолятора также являются сложность и высокая энергоемкость изготовления, необходимость применения промежуточных изделий (полиэтиленовых колпачков) для крепления изолятора к несущему штырю, хрупкость изолятора, большие габариты и вес, низкие электротехнические и механические свойства. Этих недостатков лишена кремнийорганическая резина, однако она не обладает механической прочностью.

Известен изолятор (Патент US 5945636 от 31.08.1992), содержащий изоляционное тело с юбками, гнездом для крепления изолятора, содержащим винтовую резьбу и канавкой для боковой вязки провода, выполненного из диэлектрического полимерного материала и покрытого кремнийорганической оболочкой. Кремнийорганическая резина является лучшим материалом для изоляторов, эксплуатирующихся на открытом воздухе, так как она обладает стойкостью к ультрафиолету, трекингу, эрозии, воздействию атмосферы и загрязнений, а также гидрофобная. Эти свойства используются в изоляторе для защиты диэлектрического полимерного твердого тела, несущего механическую нагрузку, от внешних воздействий. Недостатками этого изолятора также являются большой расход дорогостоящего полимерного материала, так как необходимо обеспечить высокие механические свойства изолятора, сложность изготовления, необходимость применения промежуточных изделий для крепления изолятора к несущему штырю траверсы линии электропередачи, большие габариты, и как следствие, высокая стоимость изолятора. Необходимость изготовления прочного изолятора требует присутствия в конструкции прочного твердого материала, и в то же время твердый материал тела изолятора требует применения для крепления изоляторов на штырь промежуточных изделий. Это в свою очередь увеличивает диаметр тела изолятора и снижает электрические характеристики самого изолятора. С другой стороны идеальным электроизоляционным материалом является кремнийорганическая резина, но она не может нести изгибающих нагрузок, воздействующих на изолятор.

Это противоречие решается в предлагаемом изоляторе, что позволяет достичь высоких физико-механических и прочностных характеристик в сравнении с изоляторами, изготовленными из прочных твердых электроизоляционных материалов, уменьшить размеры изолятора и, соответственно, его стоимость, повысить надежность и срок службы.

Данный технический эффект достигается за счет следующего устройства изолятора.

Изолятор содержит изоляционное тело с, по крайней мере, одним ребром (юбкой). На изоляционном теле имеется место для бокового крепления провода. При этом изоляционное тело целиком выполнено из кремнийорганической резины, имеет глухое отверстие для крепления изолятора на штырь, а верхний уровень глухого отверстия находится выше места бокового крепления провода.

Резьба в глухом отверстии изоляционного тела отсутствует.

Изоляционное тело может быть выполнено из термоусаживающегося трекингостойкого материала, а ребра - спиралевидными.

Конструкция изолятора позволяет использовать кремнийорганическую резину не только как защитную оболочку, но и выполнить из нее несущее тело изолятора. Это достигается исключением резьбового гнезда для крепления изолятора на штырь и смещением верхнего края глухого отверстия в теле изолятора выше кольцевой канавки боковой вязки провода. Применение кремнийорганической резины для тела изолятора позволяет отказаться от резьбового крепления изолятора на металлическом штыре. Крепление происходит надеванием изолятора на штырь с натягиванием, при диаметре глухого отверстия в изоляторе меньшем, чем диаметр штыря. Дополнительная фиксация изолятора на штыре происходит при креплении провода на боковой кольцевой канавке методом вязки или с помощью других устройств и зажимов. Происходит одновременное крепление провода к изолятору и изолятора к штырю. Вертикальные и боковые нагрузки несет напрямую металлический штырь линии электропередачи. Резина изолятора испытывает только усилие, направленное на сжатие, которое она передает на штырь. Изготовленные и испытанные образцы показали достаточную для нормальной эксплуатации прочность крепления изолятора с проводом на штыре. При разных способах крепления провода на боковой кольцевой канавке разрушающие нагрузки превосходили соответствующие показатели у аналогов. При этом величина разрушающей боковой нагрузки определялась не прочностью изолятора, а прочностью металлического штыря, на котором он смонтирован. Нагрузка, направленная вверх, которая может возникнуть при сбросе обледенения проводов, также превосходила аналоги. Это объяснялось более высоким коэффициентом трения между металлом и резиной, чем коэффициент трения между полиэтиленом колпачка и металлом у аналогов. Так как конструкция изолятора исключает применение дополнительных изделий для крепления изолятора (например, резьбовые полиэтиленовые колпачки), исключается необходимость формирования в теле изолятора резьбы, что также упрощает изготовление. При этом тело изолятора стало возможным уменьшить в диаметре тела изолятора до диаметра штыря траверсы линии электропередачи и значительно сократить расход кремнийорганической резины. При уменьшении диаметра значительно повысились электрические показатели изолятора. Как показали испытания образцов, напряжение до перекрытия электрической дугой при загрязнении и увлажнении возросло на 30%, на 25% возросло напряжение, выдерживаемое изолятором в сухом состоянии. Типы испытаний, которые выдержали предлагаемые изоляторы.

1. Испытания на термостойкость: количество циклов попеременного нагревания и охлаждения - 3, время выдержки при нагревании, охлаждении - 15 мин, перепад температур горячей и холодной воды - 90 градусов, время испытания воздействием непрерывного потока искр - 1 мин.

2. Испытание разрушающей механической силой при изгибе:

нормированная механическая разрушающая сила 17-19 кН, при этом согнулся штырь траверсы.

3. Испытание пробивным напряжением: нормированная величина удельного объемного электрического сопротивления изоляционной среды (1-5)·10⁷ Ом/м, фактическая величина пробивного напряжения 170-200 кВ (изоляторы не пробились).

4. Испытание выдерживаемым напряжением частотой 50 Гц в сухом состоянии и под дождем.

Выдерживаемое напряжение частотой 50 Гц/кВ:

- в сухом состоянии - 74-76

- под дождем - 52-56

Атмосферные условия при испытании: Р=1,014·10⁵ Па, t=20,2°С, загрязненность: 9,5 г/м²

Изоляторы также выдерживали испытания импульсным напряжением с крутым фронтом волны.

Термическая стойкость изолятора ограничена только термической стойкостью кремнийорганической резины и может достигать 350 градусов. Такой термической стойкости не обладает ни один известный изолятор. Упругодеформативные свойства изолятора и отсутствие хрупких деталей позволяют транспортировать изоляторы без боя. Отсутствие фарфоровой детали исключает вандализм в отношении изоляторов и снижает риск расстрела изоляторов из оружия. Уменьшение веса изолятора дает экономию на транспортных расходах.

На чертеже изображена общая схема изолятора, где 1 - изоляционное тело, 2 - верхний уровень глухого отверстия, 3 - место для бокового крепления провода, 4 - ребра (юбки).