Технический обзор гибридных изоляторов

В прошлом основными вариантами опорных изоляторов на подстанциях ОВКВ с воздушной изоляцией были цельнометаллические фарфоровые или композитные изоляторы до 245 кВ.Кроме того, RTV-покрытия иногда наносились на фарфоровые опорные изоляторы с твердым сердечником для улучшения их защиты от загрязнения.Недавно были сделаны новые разработки, когда речь идет о композитных изоляторах с полым сердечником, заполненным газом или пеной, а также о больших диаметрах сердечника на композитных изоляторах со сплошным сердечником.Тем не менее, требования к установкам сверхвысокого и сверхвысокого напряжения переменного тока в отношении длины, механической прочности, допустимого отклонения, длины пути утечки, профиля навеса и защиты от загрязнения по-прежнему представляют собой проблему для всех существующих изоляционных технологий.Понимая потребность в высокой прочности, а также малом прогибе под нагрузкой для таких устройств, как заземлители, разъединители, реакторы и опоры сборных шин, была запущена программа по разработке гибридных опорных изоляторов.Основная концепция заключалась в том, чтобы объединить известный опыт эксплуатации штифтов из цельного фарфора с проверенными характеристиками загрязнения изоляторов с корпусами из силиконовой резины.Задача состояла в том, чтобы предоставить надежное и экономичное решение, сочетающее в себе механические преимущества твердого фарфора и электрические преимущества силиконовых корпусов для высоких требований к загрязнению.Отдельные проектные испытания, а также типовые электрические и механические испытания были проведены в соответствии с применимыми стандартами IEC для композитных и керамических изоляторов.Кроме того, были организованы долгосрочные полевые испытания, чтобы установить больше уверенности в концепции.Эта установка была подключена к сети переменного тока напряжением 145 кВ в мае 2012 года на испытательной станции Koeberg Insulator Pollution Test Station (KIPTS) в Южной Африке и обеспечила окончательную квалификацию нового продукта.Кроме того, гибридные посты переменного тока 420 кВ были выбраны для пробной установки в нескольких приложениях.В этой статье INMR от 2015 года, подготовленной Густавом Гёделем, обобщен опыт разработки, проектирования, изготовления, испытаний и применения опорных изоляторов из керамических и силиконовых материалов, то есть гибридных опорных изоляторов с керамическим твердым сердечником.

Целью этого проекта было создание гибридных опорных изоляторов в качестве альтернативы для энергетиков по ряду вспомогательных функций в аппаратах высокого напряжения переменного тока, а также на подстанциях ОВКВ.Фарфоровый опорный изолятор с твердым сердечником и внешней металлической арматурой является наиболее широко используемым типом опорных изоляторов.Стандартные значения электрических и механических характеристик и размеров, необходимые для взаимозаменяемости этих опорных изоляторов, приведены в IEC 60273 и ANSI C29.9.Конструкция с твердым керамическим сердечником обеспечивает преимущества с точки зрения прочности на изгиб и деформации при нагрузке на изгиб, а также при нагрузке на скручивание и сжатие.Фактически, этот тип изолятора используется для всех видов приложений, где требуются эти свойства.Определенные аппараты высокого напряжения, такие как разъединители и заземлители, особенно чувствительны к отклонению под нагрузкой.Кроме того, для опор шинопроводов требуется высокая механическая прочность и жесткость, чтобы покрыть требования короткого замыкания, а также выдерживать ветровые нагрузки без прогиба.Опорные стойки под реакторами, фильтрами и конденсаторными батареями испытывают дополнительные сжимающие нагрузки.

За последние несколько десятилетий было реализовано множество улучшений в технологии производства и оптимизации конструкции, а также были разработаны альтернативные решения с точки зрения устойчивости к загрязнению, размера и веса.К ним относятся:

• Фарфоровый сплошной опорный изолятор с нанесением вулканизирующихся при комнатной температуре (RTV) силиконовых резиновых покрытий;
• Композитные опорные изоляторы со сплошным сердечником, изготовленные из трубок из армированной волокном смолы с корпусом из силиконового каучука;
• Газонаполненные или пенопластовые пустотелые композитные опорные изоляторы, изготовленные из полых труб, армированных волокном, с корпусом из силиконового каучука.

Все вышеперечисленные решения имеют свои относительные достоинства и недостатки.Основные отличия указаны в таблице 1.

Таблица 1: Сравнение различных типов опорных изоляторов
На основании требований к фарфоровым сплошным сердечникам типа С16, БИЛ 1050 кВ

Были сделаны различные разработки для больших диаметров сердечника композитных опорных изоляторов с твердым сердечником, но они ограничены процессом производства стержней.На практике сплошные композитные изоляторы применяются в основном при напряжении сети до 220 кВ, так как они не могут обеспечить требуемую консольную прочность и малый прогиб фарфоровых сплошных стержневых опор.Другим подходом были полые композитные штифты с заполнением газом или пеной.Помимо сложных вопросов, связанных с поведением наполнителя, это решение также требует очень больших диаметров сердечника, чтобы достичь прогиба под нагрузкой на изгиб, подобного тому, который обеспечивается фарфоровым изолятором со сплошным сердечником.

Таблица 2: Сравнение различных технологий изоляции

Гибридные наружные опорные изоляторы предлагают решение, которое сочетает в себе преимущества фарфоровых опорных изоляторов и полимерных опорных изоляторов, но не имеет их соответствующих недостатков.Такие изоляторы впервые были разработаны в 1970-х годах для применения на железнодорожных контактных сетях 25 кВ.По определению эти гибриды представляют собой изоляторы из керамического или стеклянного сердечника с полимерным корпусом и снабженные одной или несколькими металлическими фитингами.Таким образом, эта технология может быть применена для опорных изоляторов, а также для полых изоляторов и изоляторов воздушных линий.В таблице 2 приведены качественные характеристики основных изоляционных технологий и показано, что гибридные изоляторы сочетают в себе преимущества всех.

Преимущества гибридных изоляторов с керамическим сердечником и общие проблемы с полимерными изоляторами

Преимущества

• Фарфор является предпочтительным решением для изгиба, кручения и сжатия, а его высокая жесткость приводит к малому прогибу при нагрузке на изгиб;
• Фарфоровый сердечник использует тот же производственный процесс, что и фарфоровые изоляторы с навесами;
• Полимерные корпуса обеспечивают превосходную механическую защиту фарфора;
• Гибридные изоляторы имеют меньший вес по сравнению с эквивалентными фарфоровыми изоляторами с навесами;
• Полимерные кожухи позволяют использовать более тонкие навесы, а также увеличивать пути утечки и обеспечивают улучшенную защиту от загрязнения в течение длительного времени;
• Полимерные корпуса также защищают сердечник от повреждения дугами короткого замыкания;
• В случае любого повреждения полимерного корпуса обнажается только глазурованный фарфор, и этот материал сердцевины не подвержен проникновению влаги или воздействию кислот;
• Гибридное решение позволяет легко заменять изоляторы на подстанциях, на аппаратах и ​​на воздушных линиях;
• Процесс сборки такой же, как и для фарфоровых изоляторов с навесами.

Общие технические проблемы

• Выбор соответствующего материала корпуса;
• Формирование электрически стабильного межфазного уплотнения между корпусом и глазурованным керамическим материалом;
• Транспортировка, хранение и установка должны осуществляться так же, как и для композитных изоляторов (см. Техническую брошюру СИГРЭ 184).

Стандарты для стоек Solid Core Station

IEC 60168: «Испытания внутренних и наружных опорных изоляторов из керамического материала или стекла для систем с номинальным напряжением более 1000 В».

IEC 60273: «Характеристики внутренних и наружных опорных изоляторов систем с номинальным напряжением более 1000 В».

ANSI C29.1: «Методы испытаний силовых изоляторов».

ANSI C29.9: «Фарфоровые изоляторы мокрого способа - аппарат, опорный тип»

IEC 62231: «Композитные опорные изоляторы для подстанций с переменным напряжением от 1000 В до 245 кВ. Определения, методы испытаний и критерии приемки».

IEC 60168, IEC 60273, ANSI C29.1 и ANSI C29.9 вместе охватывают весь спектр фарфоровых изоляторов с твердым сердечником, в то время как IEC 62231 является соответствующим стандартом испытаний для композитных опор.Он существует с 2006 года, но по-прежнему ограничен номинальным напряжением до 245 кВ.Как уже говорилось, гибридное решение сочетает в себе механические свойства фарфора с защитой от загрязнения гидрофобного корпуса.Рабочая группа (РГ) 12 ТК 36 МЭК под руководством руководителя проекта Йенса Зайферта разработала техническую спецификацию для гибридных изоляторов, которая будет соответствовать стандарту МЭК/ТС 62896. Гибридные изоляторы для высоковольтных приложений переменного и постоянного тока – определения, методы испытаний и критерии приемлемости.Окончательный документ одобрен для публикации и будет содержать рекомендации по выбору гибридных изоляторов для соответствующих приложений.

Технология: Производственный процесс

Рис. 1: Принципиальный процесс производства гибридных и керамических изоляторов (после обжига).

Технология изостатического производства фарфора

Фарфоровый сердечник изготовлен из высокопрочного фарфора на основе оксида алюминия, C130, в соотв.с IEC6072-3, изготовлены с использованием изостатической технологии, чтобы сократить время изготовления.Изостатический процесс обеспечивает лучший контроль размеров для жестких допусков и более однородный продукт по сравнению с обычным мокрым процессом.После токарной обработки, глазурования и обжига керамический стержень отрезается до необходимой длины и приклеивается металлическая арматура.

Рис. 2: Гибридный опорный изолятор с твердым сердечником.

Литье силиконовой резины под давлением

Корпус из силиконового каучука изготовлен из силиконового каучука, вулканизируемого при высокой температуре (HTV), с высоким содержанием тригидрата оксида алюминия (ATH), чтобы учесть тот факт, что силиконы могут временно терять гидрофобность при постоянном сильном загрязнении.Многоэтапный процесс литья под давлением при высокой температуре, высоком давлении гарантирует, что резиновый корпус полностью приклеится к фарфоровой сердцевине, концевому фитингу и цементу и приклеится к ним.

Опорные изоляторы для 420 кВ переменного тока

Таблица 3: Основные данные опорного изолятора шинопровода переменного тока 420 кВ

Колонна изолятора обычно состоит из 2-х секций – каждая примерно на половину общей высоты.Поскольку стойка предназначена для установки в вертикальном положении, была выбрана коническая конструкция, предлагающая больший диаметр сердечника в нижней части, чтобы удовлетворить более высокие требования к изгибающему моменту.Корпус из силиконового каучука полностью закрывает керамический сердечник и плотно прилегает к металлическим фитингам.Диаметр делительной окружности и расположение отверстий выбираются в соответствии со спецификацией заказчика и стандартом IEC 60273. Сверху наносится коронирующее кольцо для обеспечения требуемых характеристик RIV, а также для контроля электрического поля вдоль поверхности изолятора.

Рис. 3: Гибридный штифт с цельным сердечником и непроницаемой конструкцией (силикон полностью приклеен к фитингу).

Тесты дизайна

Конструкторские испытания проверяют пригодность конструкции, материалов и способа изготовления (технологии).Поскольку конкретных стандартов для гибридных изоляторов не существует, использовались IEC 61952 и IEC 62217.Следующие тесты считались подходящими для дизайна гибридной стойки:

Испытания интерфейсов и соединений концевых фитингов

• термическое циклическое предварительное напряжение;
• гидроиммерсионное предварительное напряжение;
• испытание импульсным напряжением крутого фронта;
• сухое испытание напряжением промышленной частоты.

Испытания материала сарая и корпуса

• испытание на твердость;
• ускоренное испытание на атмосферостойкость;
• трекинговые и эрозионные испытания;
• испытание на воспламеняемость.

Испытания основного материала

• испытание на диффузию воды;
• испытание на пористость, проведенное с соответствующими испытаниями механического типа.

Все эти испытания были успешно пройдены.

Испытания механического типа

Керамический сердечник гибридной стойки несет механическую нагрузку, передаваемую на сердечник концевыми соединениями.Поэтому, поскольку стандарта на гибридные изоляторы не существует, испытания механических свойств проводились в соответствии со стандартом IEC 60168. Изолятор прошел все типовые механические испытания, включая испытание на пористость.Изолятор разрушился при изгибающем усилии 14,4 кН, характеристика прогиба под изгибающей нагрузкой была зафиксирована и показала удовлетворительные результаты.

Испытания электрического типа

Было решено проверить стандартные электрические свойства в соответствии с IEC 60168, и столб изолятора прошел все типовые электрические испытания.Для выдерживаемого импульса мокрого переключения было зафиксировано удельное значение U10=1406 кВ.

Тест на естественное старение и загрязнение окружающей среды

Параллельно на испытательной станции Koeberg Insulator Pollution Test Station (KIPTS) в течение одного года проводились испытания на естественное старение и загрязнение для наружных изоляторов.Образцы гибридных опорных изоляторов на 145 кВ (БИЛ 550 кВ и БИЛ 650 кВ) были установлены и испытаны с 1 мая 2012 г. по 30 апреля 2013 г. Испытания проводились на двух типах изоляторов переменного тока 145 кВ, и результаты испытаний были удовлетворительными с ожидаемыми результатами. .

Приложения

Расширение подстанции переменного тока 420 кВ с помощью гибридных опорных изоляторов

Таблица 4: Сводная информация о опорных изоляторах 420 кВ переменного тока

Рис. 4: Расширение подстанции переменного тока 420 кВ с гибридными опорными изоляторами с твердым сердечником HC10-1550 мод.

Целью проекта было расширение существующей подстанции 420 кВ с гибридными опорными изоляторами.Подстанция, расположенная рядом с автомагистралью, регулярно засоляемой зимой, оснащена керамическими опорными изоляторами С10-1550 с длиной пути утечки 13 020 мм для класса загрязнения «е», т.е. очень тяжелого согласно IEC/TS 60815- 2.Было решено сохранить то же расстояние утечки для гибридных штифтов, что и для ранее существовавших фарфоровых штифтов.Несколько таких изоляторов, С10-1550 и С10-1550, подвешенные, были установлены в вертикальном положении (см. рис. 4) для поддержки сборных шин и подвешены на входной портальной башне.Все они были оснащены планировочными кольцами, и с 2013 года установка работает удовлетворительно.

Подстанция переменного тока 420 кВ с гибридными опорными изоляторами C8-1550

Таблица 5: Сводная информация о опорных изоляторах 420 кВ переменного тока
Рис. 5: Замена подстанции переменного тока 420 кВ гибридными опорными изоляторами с твердым сердечником, HC8-1550.

Целью этого проекта была замена существующих керамических столбов с покрытием RTV на гибридные изоляторы столбов.Подстанция расположена в сильно загрязненной окружающей среде, недалеко от морского побережья.Поэтому подстанция оснащена керамическими опорными изоляторами с RTV-покрытием, С8-1550, с длиной пути утечки 13 680 мм.При замене важно было гарантировать те же механические характеристики при сохранении указанной высоты стойки и соединительных деталей сверху и снизу.Несколько гибридных опорных изоляторов С8-1550 были установлены в вертикальном положении для опор сборных шин и опор реактора (см. рис. 5).Установка была введена в эксплуатацию в 2013 году и зарекомендовала себя удовлетворительно.

Новая подстанция переменного тока 420 кВ с гибридными опорными изоляторами C15.5-1675

Таблица 6: Сводная информация о опорных изоляторах 420 кВ переменного тока

Рис. 6: Схема трехполюсного заземлителя переменного тока на 420 кВ с гибридными опорными изоляторами с твердым сердечником, C15.5-1675.

Целью этого проекта было оснащение определенной секции гибридными опорными изоляторами, и было установлено несколько (модель С15,5-1675).Монтаж производился в вертикальном положении для держателя шин и заземлителя.

Выводы

Доступны гибридные опорные изоляторы переменного тока, позволяющие инженерам проектировать подстанции ОВКВ с воздушной изоляцией с использованием устойчивых к загрязнению и не требующих обслуживания изоляторов.Этот тип опорного изолятора без компромиссов сочетает в себе все преимущества традиционного фарфора с преимуществами корпуса из силиконового каучука и позволяет использовать этот тип опорного изолятора для ряда опорных применений в новых проектах, проектах расширения и замены.

Конструктивные испытания, а также электрические и механические типовые испытания были проведены в соответствии с существующими стандартами композитных и фарфоровых штифтов и были пройдены.Также были проведены испытания на длительное естественное старение и загрязнение окружающей среды.

Стандарта испытаний гибридных изоляторов пока не существует.Тем временем был одобрен для публикации первый проект: «Гибридные изоляторы IEC/TS 62896 для высоковольтных приложений переменного и постоянного тока – определения, методы испытаний и критерии приемлемости».Этот новый стандарт поможет отрасли лучше определять гибридные изоляторы.Несколько установок были установлены на подстанциях переменного тока 420 кВ, работающих в различных условиях окружающей среды, и зарекомендовали себя с хорошей стороны.

Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.