close
Choose Your Site
Global
Social Focus
Просмотры:0 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2022-03-04 Происхождение:Работает
Появление композитных изоляторов началось сначала в США, а вскоре после этого в Германии и Франции.Поначалу принятие пользователей было медленным, и эти продукты столкнулись с проблемами «прорезывания зубов», характерными для большинства инноваций.Более того, их первоначальная цена делала их слишком дорогими для широкого применения.Однако все это изменилось за последние десятилетия, и сегодня на эти изоляторы приходится не менее половины всего мирового рынка.Объемы производства резко возросли, а затраты на приобретение теперь часто ниже, чем у фарфоровых и стеклянных аналогов.
Одним из первых применений композитных изоляторов были изолирующие траверсы, незаменимые при проектировании компактных линий и так называемых эстетических башен.Первые, в частности, быстро завоевывают популярность в качестве альтернативы строительству традиционных линий благодаря более высокому общественному признанию.Кроме того, композитные изоляторы играют все более важную роль в случаях повышения мощности линий с целью увеличения пропускной способности существующих линий.
В этом отредактированном материале для INMR Константин О. Папайлиу, бывший председатель Исследовательского комитета СИГРЭ по воздушным линиям и многолетний руководитель в области производства изоляторов, объяснил необходимые свойства композитных изоляторов, а также привел интересные примеры их применения.
Компактные линии были впервые разработаны в 1970-х годах, но стали популярными только в конце 1990-х из-за быстрого роста доступности композитных изоляторов.Утепленные траверсы, необходимые при монтаже компактной линии, нагружаются преимущественно сжатием, а значит, подвергаются относительно большим деформациям.Композитные материалы лучше воспринимают эти деформации, чем обычные фарфоровые и стеклянные изоляторы.В частности, следующие основные свойства композитных изоляторов являются предпочтительными для применения в изолированных траверсах: высокая прочность на изгиб;предел упругости в области предела прочности;высокая предельная деформация;и нехрупкое поведение
Основная идея уплотнения линии состоит в том, чтобы подавить горизонтальное движение классической струны подвески.Таким образом, линейные опоры могут стать более тонкими, и в то же время необходимые размеры полосы отчуждения уменьшаются.Со временем для уплотнения линий стали использоваться четыре различных устройства изоляторов: V-образные струны;горизонтальные стойки;подвесные столбы;и изолированные поперечины.Эти четыре устройства показаны на рис.с 1 по 4.
Рис.От 1 до 4: 1. V-струна, 2. горизонтальная стойка, 3. подвесная стойка, 4. изолированная траверса.
На рис. 5 показаны нагрузки, действующие на изолированную траверсу:
• вертикальные нагрузки, V, от кондуктора и ото льда, если он есть;
• горизонтальные нагрузки, H, от ветра и, в случае наклонных опор, от угловой тяги;и • • • • продольные нагрузки, T, возможно, из-за неравномерного натяжения проводов в соседних пролетах или из-за обрыва проводов – редкая исключительная нагрузка.
Вертикальные нагрузки в основном воспринимаются раскосом, в зависимости от угла, , между скобой и столбом.Напротив, горизонтальные нагрузки, действующие на сжатие, нагружают стойку короблением.Силы изолятора, т.е. сила сжатия, P, на стойку и усилие натяжения, B, на раскосе рассчитываются, принимая T = 0, используя следующие формулы:
Рис. 5: Геометрия и силы.
Жесткое соединение
При напряжении до 245 кВ стойка часто жестко связана с опорой (как на рис. 6).CIGRE WG 22-03 использовала коммерческое программное обеспечение конечных элементов для расчета диаграммы нагрузки, также называемой кривой приложения, для стойки 63 мм длиной 2000 мм с углом наклона к горизонтали 15° (см. рис. 8).Угол соединения 16-мм раскоса с башней составлял 45°, предполагалось, что этот раскос поворачивается на обоих концах.
Нагрузка на скобу не должна быть отрицательной (сжатие), чтобы предотвратить коробление скобы, которое может привести к контакту между металлическими деталями двух изоляторов.При используемом здесь горизонтальном угле опорного изолятора 15° это условие приводит к неравенству: V > H tan 15°.На этой диаграмме нижняя прямая соответствует равенству V = H tan 15°, т. е. по этой линии раскос не нагружается или, другими словами, утепленная траверса не должна «работать» ниже этой линии.Верхняя прямая на диаграмме проходит параллельно нижней прямой и соответствует максимально допустимой растягивающей нагрузке на раскос.Хорошей практикой является использование так называемого отказоустойчивого основания для штифта, которое пластически деформируется в случае перегрузки, тем самым защищая более чувствительный и более дорогой штифт.
Рис. 6: Жестко закрепленная изолированная траверса
Рис. 7: Схема нагружения жесткой изолированной траверсы.
Поворотное соединениеЭто наиболее часто используемая схема, особенно для более высоких напряжений, поскольку она имеет высокий уровень механической прочности, а также отказоустойчива при поперечных нагрузках (см. рис. 8).Композитный длинный стержень в распорке нагружается исключительно растяжением, и его размеры можно легко подобрать.Напротив, стойка нагружается сжатием и, поскольку она шарнирно соединена с обоих концов, может быть рассчитана как балка Эйлера с максимально допустимой сжимающей нагрузкой, т. е. нагрузка Эйлера:
где E модуль упругости, I момент инерции и L длина стержня опорного изолятора из стекловолокна.
Рис. 8: Поворотная изолированная траверса.
Рис. 9: Результаты испытаний на изгиб изолированных траверс со стойками 63 мм разной длины по сравнению с теоретической нагрузкой Эйлера.
Следует, однако, отметить, что из-за часто неизбежного эксцентричного приложения сжимающей нагрузки опорный изолятор дополнительно подвергается изгибу.Негативное влияние этого эксцентриситета можно увидеть на рис. 9, где результаты испытаний на потерю устойчивости, проведенных на стержнях диаметром 63 мм, представлены в зависимости от максимальной заданной нагрузки на изгиб, как описано выше из обычной формулы потери устойчивости.Можно увидеть значительное снижение измеренной разрушающей нагрузки по сравнению с теоретической нагрузкой потери устойчивости, и это необходимо учитывать при проектировании.Поскольку этот и другие эффекты, например частичная жесткость шарниров, не могут быть достоверно смоделированы, рекомендуется провести типовые испытания изолирующей траверсы. до ввод его в эксплуатацию (см. рис. 10).
Рис. 10: Натурные испытания изолированной траверсы 420 кВ (любезно предоставлено Pfisterer).(слева) тестовая схема;(справа) прогибы в зависимости от приложенной нагрузки Фрес.
Одним из особых преимуществ поворотных изолированных траверс является их способность стабилизироваться в случае внезапных движений проводника.Такие перемещения могут иметь место в случае возникновения временного дифференциального натяжения линии на конце траверсы на участке ВЛ, состоящем из нескольких пролетов.Эти перемещения могут быть вызваны порывами ветра, неравномерным обледенением, существенно разной длиной пролетов (например, в гористой местности) и силами короткого замыкания.В частности, в случае длинных траверс для более высоких напряжений может случиться так, что траверсы станут дестабилизированными, что приведет к значительным отклонениям с соответствующим сокращением безопасного расстояния между проводником и опорой.В крайних случаях траверса могла выйти из строя механически.
Если существуют различия в натяжении горизонтальных линий в двух соседних пролетах, конец поперечины будет двигаться в направлении более высокой растягивающей нагрузки.В этом случае, если угол поворота изолированной траверсы наклонен к вертикали, кончик траверсы физически приподнят, и нагрузки вертикальной линии создают восстанавливающий крутящий момент.Это приводит к восстановлению равновесия сил в направлении линии.Таким образом, наиболее важным конструктивным параметром, позволяющим избежать проблем со стабильностью, является достаточный угол наклона. , оси вращения траверсы (см. рис. 6).Значения около 20° оказались хорошим компромиссом.Эти типы проблем со стабильностью были тщательно изучены.Как уже упоминалось, остойчивость сильно зависит от скорости ветра перпендикулярно линии и улучшается с уменьшением количества пролетов, а также с увеличением угла наклона. , траверсы (см. рис. 11).
Рис. 11: Критическая скорость ветра в зависимости от числа пролетов с углом наклона, д, как параметр.
В целом ветровую устойчивость компактных линий с изолированными поперечинами можно улучшить, используя следующие меры:
• Увеличение угла наклона, q, или угол, a, между распоркой и стойкой;
• Увеличение вертикальных нагрузок на траверсу, например, путем добавления грузов;
• Увеличение натяжения проводника;
• уменьшение длины отдельных пролетов и/или количества пролетов на участке линии;
• Уменьшение угла линии в угловых опорах;
• Использование «стабилизирующих траверс» на длинных участках линии.
Из-за возрастающих трудностей с получением одобрения для новых коридоров электропередачи все больше и больше разрабатываются технологии повышения мощности линий.Основной целью является использование существующих линейных коридоров для передачи большей мощности.Одним из вариантов является использование высокотемпературных проводников с малым прогибом (HTLS) для увеличения тока.Другой способ — изменить геометрию вершины башни, чтобы увеличить напряжение.В обоих случаях композитные изоляторы предлагают новые интересные возможности.
Первая компактная линия 400 кВ
Первая компактная линия 400 кВ была проложена в Швейцарии в 1998 г. Эта линия стала необходимой, поскольку существующей линии 125 кВ (см. рис. 12а) было недостаточно для удовлетворения растущего спроса на электроэнергию в районе Женевского озера, и ее пришлось заменить Линия 400 кВ.Обычные решетчатые башни, обычно используемые для линий этого типа, требовали значительной полосы отвода, которой не было в определенном месте рядом со зданиями.Решение состояло в том, чтобы спроектировать тонкие двухмерные опоры и применить изолированные траверсы с композитными изоляторами для цепей 400 кВ.Они также могут поддерживать две однофазные цепи 132 кВ для фидерных линий швейцарской железной дороги (см. рис. 12b).Стоит отметить, что доступные в то время сердечники из стеклопластика были ограничены диаметром 76 мм, что не могло выдерживать сжимающие нагрузки.Таким образом, пришлось использовать композитные изоляторы с полым сердечником.
Рис. 12: (слева) Исходная опора 125 кВ, компактная опора 400 кВ и стандартная решетчатая опора.
Гибридная линия переменного/постоянного тока
Преобразование переменного тока в постоянный дает преимущества при передаче на большие расстояния.В частности, проводники могут использоваться до их теплового предела в постоянном токе, тогда как в переменном токе нагрузка импеданса перенапряжения (SIL) часто становится ограничивающим фактором.В новаторском проекте в Германии одна из двух цепей линии переменного тока 380 кВ была преобразована в двухполюсную линию постоянного тока ±400 кВ, а третий проводник использовался для металлического заземления (см. рис. 13).Основным условием для этого проекта было использование тех же проводников и тех же опор.Это стало бы возможным только при замене существующих фарфоровых струн композитными изоляторами, так как они значительно лучше загрязняют окружающую среду.Таким образом, их длина может быть согласована с существующей геометрией вершины башни.
Рис. 13: Гибридная ЛЭП с преобразованием переменного тока в постоянный (предоставлено компанией Amprion).
Преобразование 245 кВ в 420 кВ переменного тока
Интересный проект в Австрии показал повышение рейтинга линии в два раза.С одной стороны, оригинальные проводники ACSR были заменены расширенными проводниками новой конструкции, то есть проводниками с таким же количеством алюминия, но большего диаметра для увеличения пропускной способности по току.С другой стороны, металлические траверсы на решетчатых стальных опорах были заменены на изолирующие траверсы (см. рис. 14), что позволило увеличить линейное напряжение с 245 кВ до 420 кВ.
Рис. 14: Повышение напряжения с 245 кВ до 420 кВ с использованием композитных изолирующих траверс.
Эта новая концепция, разработанная в Германии, использует существующие коридоры 220 кВ, но с новой конструкцией опоры 380 кВ с малозаметным профилем.Чтобы достичь этого, необходимо было ограничить провисание проводника, и это стало возможным благодаря подвешиванию проводников с четырьмя пучками на туго натянутом высокопрочном стальном канате, который используется в канатных дорогах.Чтобы сохранить узкую геометрию вершины опоры, пришлось использовать изолятор в виде клиновидной струны, что возможно только при использовании высокопрочных композитных изоляторов (см. рис. 15).
Композитные изоляторы, вероятно, являются самой важной технической инновацией в воздушных линиях за последние десятилетия.Помимо их все более широкого применения в стандартных ситуациях для замены фарфора и стекла, они также внесли свой вклад в разработку компактных линий с более эстетичными опорными конструкциями.Оба способствовали более широкому принятию сообществом новых линейных проектов.Кроме того, в основном благодаря своим превосходным механическим свойствам, эти изоляторы также помогают в реализации проектов по повышению мощности, таких как преобразование переменного тока в постоянный, а также повышение напряжения в системе.
Эта статья является копией из INMR (https://www.inmr.com), не для коммерческого использования, а только для технического обучения и общения.
