Как да изберем подходящия изолатор за високонапрежни линии?

Разберете основните видове изолатори и вариантите за материали при високонапрежни приложения

Окачващи, стълбовидни, дълги прътови и натоварвателни изолатори: функции и конструктивни роли в ВН системи

Има четири основни типа изолатори, които изпълняват ключови роли в системите за високонапрежен пренос. Подпорните изолатори издържат теглото на проводниците чрез вериги от отделни дискове. Тази конфигурация позволява на инженерите да строят кули с различни форми и улеснява прокарването на линии през труден терен. Стълбовите изолатори използват различен подход, като осигуряват здрава опора за дебелите шини в разпределителните станции. Те са изработени да издържат на напрежения, достигащи стотици киловолта. Дългите прътови изолатори се отличават с това, че са изработени от един цялостен елемент от порцелан или композитен материал. Те са особено устойчиви на натрупване на мръсотия, което обяснява честото им използване в ЕВН приложения, където по-дългата повърхност помага за предотвратяване на опасни пробиви между отделните компоненти. Съществуват и натоварвателни изолатори, които се поставят в краищата на преносните линии, за да задържат цялата конструкция, въпреки различните сили, които действат върху нея – като промени в надморската височина, натрупване на силен сняг или силни ветрове, духащи по терена. Всеки тип е проектиран специално да преодолява различни предизвикателства, включително вятърно налягане, натрупване на лед и дори земетресения. Интересно е, че проучвания показват, че дългите прътови изолатори могат да издържат около 30 процента по-дълго при повтарящи се натоварвания в сравнение с по-старите конструкции с дискови вериги, което ги прави разумен избор за много съвременни инсталации.

Порцеланови, стъклени и композитни изолатори: Производителност, дълготраеност и приложна съвместимост

Материалът, от който е направено оборудването, има голямо значение за неговата производителност и дълготрайност в условията на високо напрежение. Порцеланът се използва отдавна, тъй като добре понася електричеството – диелектричната му якост е над 150 kV на фут, а също така остава стабилен дори при промени на температурата. Проблемът? Лесно се чупи при удар, което е сериозна загриженост в места, където поддръжката не винаги е лесна или безопасна. Закалените стъклени изолатори се почистват естествено и показват пукнатини преди да се повредят напълно, което е добре за безопасността. Но тези стъклени изолатори не издържат добре близо до крайбрежия, където има много сол във въздуха, което води до постепенно разрушаване на повърхността им с годините. Композитните полимерни изолатори станаха популярни напоследък, особено в мръсни или влажни среди. Те са направени с фибраглас вътрешно и покрити със силиконова гума, а свойствата им за отблъскване на вода помагат да премахват мръсотията около 40% по-бързо в сравнение с обикновените материали. Според някои полеви доклади тези композитни изолатори могат да служат около 15 години повече в сухи климатични условия в сравнение с традиционните порцеланови варианти. Въпреки това, след много години под ултравиолетовата светлина на слънцето, е необходимо да се разработят специални формули, за да не започнат твърде бързо да се разграждат. Като се има предвид какво се случва в момента в системите за ултра високо напрежение, започваме да виждаме нови хибридни подходи, които комбинират най-добрите страни на ядрата от стъкло или порцелан с водоустойчивите качества на композитни покрития.

Оценка на изискванията за електрически и механични параметри

Диелектрична якост и номинално напрежение: Съгласуване на изолатори с 110 kV-UHV и HVDC системи

Изборът на подходящ изолационен материал изисква внимателно преценяване както на системното напрежение, така и на действителните електрически напрежения, които присъстват. За AC системи между 110 kV и 800 kV стандартните порцеланови изолатори обикновено издържат около 10 до 12 kV на сантиметър. Но когато става въпрос за ултра високо напрежение (UHV) и приложения с високо постоянно напрежение (HVDC), изискванията значително нарастват. Тези системи изискват материали, които могат да издържат поне 15 kV на сантиметър, тъй като електрическите полета стават много по-силни. Работата с HVDC води и до допълнителни трудности. Разпределението на електрическите полета зависи от полярността, а тези системи имат тенденция да натрупват повърхностни замърсявания по-бързо в сравнение с другите. Проблемът със замърсяването всъщност ускорява процесите на стареене и води до по-високи токове на утечка с течение на времето. Повечето инженери предвиждат резервна мощност от около 20 до 30 процента над нормалните работни условия на системата, просто за да бъдат сигурни срещу възможни временни скокове на напрежението. Вземете UHV изолаторите като пример – често те се подлагат на стриктни тестове при 1800 kV в продължение на цяла минута, за да се провери дали ще издържат под натиск. Много компании сега все повече използват композитни полимерни изолатори за HVDC приложения. Те разпределят електрическото поле по-равномерно по повърхностите и по-добре се съпротивляват на пробиви, причинени от мръсотия и замърсяване, в сравнение с традиционните решения.

Механична носимоспособност: Устойчивост към вятър, лед, опън и предизвикателства от терена

Механичните характеристики са от съществено значение за надеждната работа в сурови условия. Високоволтовите изолатори трябва да издържат на:

• Натоварвания от вятър и лед : Напречна якост над 70 kN за 345 kV линии в райони с натрупване на лед
• Опън на проводниците : Опънна якост над 120 kN, за да се предотвратят верижни повреди при аварии в линията или екстремно време
• Сейсмични и теренни напрежения : Използване на вибрационни амортисьори в зони със сеизмична активност и проекти срещу трептене в планински или открити терени
  Композитните изолатори предлагат превъзходна якост на опън — над 500 МРа в сравнение с около 40 МРа за порцелана, докато кутиите от силиконова гума подобряват отстраняването на леда. В крайбрежни зони изолаторите изискват пълзищ разстояние от 25–30 мм/kV и хидрофобни повърхности, за да се противодейства на проследяването, предизвикано от солта. Спазването на стандарти IEC 61109 и ANSI C29.11 гарантира механично и електрическо представяне при реални условия, осигурявайки десетилетия надеждна експлоатация.

Оценка на устойчивостта към околната среда и дългосрочната надеждност в сурови условия

Пълзищо разстояние и производителност при замърсяване в крайбрежни, индустриални и аридни климатични зони

Начинът, по който изолаторите работят и колко дълго траят, зависи в голяма степен от заобикалящата ги среда. Когато става дума за пълзящото разстояние – действителния най-къс път по повърхността на изолатора между два електрода – то трябва да се коригира в места с високо ниво на замърсяване, за да се избегнат опасни пробиви. Прибрежните райони водят до специални проблеми, тъй като с времето се натрупва сол, образувайки проводими слоеве върху повърхностите. Затова много производители сега използват хидрофобни композити от силиконова гума, които отлично предпазват критичните компоненти от влага и мръсотия, намалявайки по този начин досадните токове на утечка, които всички искаме да минимизираме. Индустриалните зони представляват друг набор от предизвикателства, тъй като изолаторите са подложени на химически замърсители като сярови съединения и циментен прах. Тези вещества имат тенденция да образуват проводими пътища, когато са влажни, но конструкции с ребрести профили, комбинирани с редовно почистване, допринасят значително за решаването на този проблем. Пустинята също си има собствени уникални трудности – пясъкът постоянно износва материалите, докато интензивните UV лъчи ги деградират още повече. Проучвания показват, че закаленото стъкло всъщност издържа на тези сурови условия около 30 процента по-добре в сравнение с традиционните порцеланови варианти. За да се осигури правилната работа в замърсени среди, инженерите внимателно следят токовете на утечка, като се стремят те да останат под прага от 50 mA, за да се предотврати топлинен пробив по време на периоди с висока влажност. Протоколите за тестване включват симулации на ускорено стареене, които имитират десетилетия на екстремни температурни колебания – от минус 40 градуса по Целзий до плюс 80 градуса по Целзий, давайки на производителите увереност относно издръжливостта на материалите с течение на времето. И да, препоръчителните пълзящи разстояния наистина се променят в зависимост от това къде ще бъдат монтирани тези изолатори.

Изборът на изолатори с профили, оптимизирани за климата, осигурява надеждна работа в продължение на 25+ години, като се постига баланс между повърхностното съпротивление, хидрофобността и способността за самоочистване.

Приложете рамка за избор, базирана на напрежение и приложение

Избор на изолатори за 33 kV-345 kV AC срещу UHV/HVDC: Конфигурация на веригата, брой единици на kV и критерии за надеждност

Изборът на подходящите изолатори силно зависи от нивото на напрежение, с което се работи, и от това как точно ще се използват на практика. При работа със системи за променлив ток (AC) в диапазона от 33 kV до 345 kV, се нуждаем от гъвкави конфигурации на вериги, както и от добра устойчивост към замърсяване. Обикновено около 8 до 10 порцеланови или стъклени елемента на всеки 100 kV са достатъчни в райони, където околните условия не са твърде сурови. Но при ултра високи напрежения (UHV) и системи за високо напрежение с постоянен ток (HVDC) изискванията се променят. Тези инсталации изискват по-издръжливи решения, обикновено композитни полимерни изолатори, които предлагат по-голямо пълзящо разстояние — над 25 мм на kV — и по-добра защита срещу натрупване на мръсотия. Освен това при тези системи се изисква приблизително 1,5 пъти повече изолационни елементи в сравнение с аналогични AC конфигурации, за да се осигури правилното управление на интензивните електрически полета. Стандартите за надеждност тук също са доста високи, като повечето UHV проекти целят годишни повреди под 0,05%. Не трябва да се пренебрегва и механичната якост, особено важна в райони с предразположеност към тежко натоварване от лед или силни ветрове, където изолаторите може да бъдат подложени на статически натягане над 50 kN. Професионалистите в индустрията обикновено следват насоките на IEC 60383 относно разстоянията за изтичане и спецификациите ANSI C29 за механични натоварвания, за да се гарантира безпроблемна работа в продължение на време и да се осигури цялостната стабилност на мрежата.

Често задавани въпроси