Mik a szigetelők legfontosabb alkalmazásai villamosenergia-rendszerekben?

A szigetelők alapvető szerepe és tulajdonságai villamosenergia-rendszerekben

Az elektromos szigetelők funkciója és célja villamosenergia-rendszerekben

Az elektromos szigetelők kritikus szerepet töltenek be azzal, hogy akadályt képeznek az élő részek és a földelt szerkezetek között, megakadályozva a véletlenszerű áramáramlást, amely károsíthatja a berendezéseket vagy veszélyes helyzeteket teremthet. Ezek az anyagok segítenek a zavartalan áramellátásban még akkor is, amikor a feszültség meghaladja az 500 kilovoltot, és képesek a szivárgóáramokat a 2021-es IEEE szabvány szerint körülbelül 10 mikroamper/kilométer alatt tartani. A mai villamos hálózatok olyan szigetelőanyagokat igényelnek, amelyek képesek ellenállni a nehezen kezelhető körülményeknek is. A jégrakódás és a porfelhalmozódás valós problémák, különösen a tengerpart közelében, ahol ezek a tényezők a felületi ellenállást akár a felére vagy háromnegyedére csökkenthetik a CIGRE által 2022-ben közzétett tanulmány szerint.

Alapvető szigetelőtulajdonságok: fajlagos ellenállás, szigetelőképesség és mechanikai tartósság

Három fő jellemző határozza meg a szigetelők teljesítményét:

1. Elektrikus ellenállás : Fajlagos ellenállás: A nagy teljesítményű anyagok, mint például a megerősített üveg, elérhetik a térfogati fajlagos ellenállás értékét 1×10¹³ Ω·cm felett 25°C hőmérsékleten.
2. Dielektriás erősség : A polimer kompozitok akár 30 kV/mm elektromos térerősséget is elviselnek meghibásodás előtt
3. Mechanikai teherbírás : A felfüggesztő szigetelőláncok függőleges terhelést viselnek el 160 kN felett minimális deformációval (<0,5%)

A kerámi szigetelők 30-40%-kal magasabb szúródási ellenállást biztosítanak ciklikus terhelés alatt, mint a polimer típusok, de a modern kompozitok kiválóabb átütési teljesítményt nyújtanak szennyezett és nedves körülmények között (EPRI Hálózati Jelentés 2023).

Felfüggesztő szigetelők nagyfeszültségű távvezetékeken

Légvezetékek megtámasztása hosszú távú átviteli hálózatokban

Az ophangszigetelők nagyon fontos szerepet játszanak azoknak a távvezetékeknek a rögzítésében, amelyek hosszú távú átviteli rendszereken futnak. Ezek az alkatrészeknek komoly mechanikai terhelést kell elviselniük, gyakran 70 kN feletti erőhatásokat, miközben megőrzik villamos szigetelési tulajdonságaikat. Nélkülük a vezetékek érintkeznének a tartóoszlopokkal, ami különösen a hosszabb szakaszok között okoz problémát. Az ilyen szakaszokban a vezetékes lógni a teljes szakaszhossz kb. 3%-án belül kell maradjon, hogy elkerüljék a veszélyes ívkisüléseket. A legtöbb modern kialakítás moduláris korongelrendezést használ, amely lehetővé teszi a szolgáltató vállalatok számára, hogy testreszabják az átütési távolságot a feszültségigényektől (amely akár 1100 kV AC-ig is mehet) és a környezet szennyezettségétől függően. A 2024-es Nagyfeszültségű Szigetelők piaci jelentés legfrissebb trendjei alapján észlelhető a kereslet növekedése azok iránt a speciális felfüggesztő szigetelők iránt, amelyeket kifejezetten a nagy távolságú HVDC átviteli folyosók számára fejlesztettek ki, éves növekedéssel kb. 12% körül, az iparági elemzők szerint.

A megbízhatóság érdekében a konfiguráció és a kialakítás optimalizálása

Annak megállapítására, hogy egy szigetelőlánc milyen hosszúságú kell legyen, mérnökök egy alapvető számítást használnak: az egységek száma egyenlő a rendszervoltage biztonsági tényezővel megszorozva és elosztva a lemezankénti elviselhető feszültséggel. A legtöbb villamosenergia-vezeték körülbelül 8 lemezből áll 230 kV-os rendszerekhez, de a 765 kV-os nagyfeszültségű távvezetékekhez akár 24 egyedi szigetelő összefűzése is szükséges lehet. A fokozatgyűrűk hozzáadása szintén jelentős különbséget jelent. Ezek a gyűrűk egyenletesebben oszlatják el az elektromos teret a lánc mentén, csökkentve ezzel a koronakisülés problémáit, különösen magas páratartalom esetén. Megfigyelhető egy olyan tendencia is, hogy a szenzortechnológia egyre inkább a szabványos szigetelőtervek részévé válik napjainkban. A vállalatok olyan eszközöket építenek be, amelyek képesek a mechanikai terhelés ±2%-os tűréshatáron belüli nyomon követésére, valamint a szivárgóáramok mérésére. Az ilyen típusú felügyelet segíti az üzemeltetőket abban, hogy a rendszeres ellenőrzések során komoly problémákká váló hibákat előre felismerjenek.

Kompozit és polimer ophanging szigetelők előnyei modern hálózatokban

• Súlycsökkentés : 60%-kal könnyebbek a porcelánnál, csökkentve a tornyok szerkezeti követelményeit
• Szennyeződésállóság : Szilikon gumiból készült szegélyek ellenállnak a só- és szennyeződésfelhalmozódásnak, ideálisak tengerparti régiókban
• Hidrofób felület : Öntisztuló tulajdonságokkal 70%-kal csökkentik a karbantartási igényt kerámiához képest
• Rezgés-düntetés : Polimer mátrixok elnyelik a szél által keltett rezgéseket, meghosszabbítva a vezető élettartamát 15-20 évvel

Oszlop- és támasztó szigetelők alállomási alkalmazásokban

Kritikus felhasználás sínrendszer, megszakító és merev vezetőtámasztó rendszerekben

A szigetelő oszlopok alapvető szerkezeti támaszt nyújtanak, miközben biztosítják az elektromosság tartós elszigetelését alállomási környezetekben. Ezek az alkatrészek tartják azokat a merev sínvezetékeket, amelyek a transzformátorokat és a megszakítókat kötik össze, biztosítva a szükséges réseket a vezető alkatrészek között, így megakadályozva veszélyes átütéseket a villamos áramütések során. A körülbelül 500 kV-os nagyfeszültségű berendezések többségében négyven és hatvan ilyen szigetelőt alkalmaznak az egész létesítményben. Hagyományos kerámiákból vagy újabb polimer anyagokból készülő szigetelők képesek hosszú ideig tartós áramvezetésre akár négyezer amperig, miközben nem mutatnak hőkárosodás jeleit. Az anyagválasztás gyakran a helyi éghajlati viszonyoktól és a különböző régiókban alkalmazott karbantartási preferenciáktól függ.

Mechanikai terhelések és környezeti stressz kezelése alállomás elrendezésekben

Ezek az izolátorok ellenállnak extrém széllökéseknek (>150 km/h) és hőmérsékletingadozásnak (-40°C-tól +80°C-ig). Kompozit polimer kialakításuk miatt elsősorban tengerparti telepítéseknél alkalmazzák őket, mivel ellenállók a korrózióval szemben; a szilikon-gumi változatok a porcelánhoz képest 72%-kal csökkentik a sóköd által kiváltott meghibásodásokat. A kialakítás során figyelembe veendő szempontok környezettől függően változnak:

Porcelán vs. Szilikon-gumi: Teljesítmény és karbantartás összehasonlítása

Míg a porcelán megbízható dielektromos szilárdságot nyújt (30-40 kV/cm), a szilikon-gumikeverékek jelentős előnyökkel rendelkeznek:

• 45%-kal kisebb súly, amely egyszerűbb kezelést és telepítést tesz lehetővé
• Háromszor nagyobb repedésterhelhetőség
• Vízlepergető, öntisztuló felületek

Egy 2022-es CIGRE tanulmány szerint a polimer szigetelők 60%-kal kevesebb karbantartást igényelnek szennyezett környezetben, mint a porcelán. Ugyanakkor a porcelán az extra magas feszültségű alkalmazásokban (>800 kV) marad a preferált választás a hőtágulási jellemzői stabilitása miatt.

Feszítőszigetelők záró- és nagyfeszültségű telepítésekhez

Vezetékek rögzítése vonali végeknél és éles útvonalváltozásoknál

A feszítőszigetelők a vezetékeket vonali végeknél és éles irányváltozásoknál rögzítik, 50 kN feletti húzóerőknek ellenállva, miközben megakadályozzák az elektromos áramszivárgást. A modern kompozit változatok 40%-kal könnyebbek, mint a porcelán megfelelőik, és a dielektromos szilárdságukat 150 kV/m felett tartják, így kiválóan alkalmasak záró oszlopokra városi környezetben.

Alkalmazás nehezen megközelíthető terepen: folyók átkelése és hegyvidéki területek

A feszültségválasztó szigetelők kritikus szerepet játszanak a távvezetékek védelmében nehezen megközelíthető terepeken, mint például hegyi átjárók és folyóvölgyek, ahol veszélyekkel, például vastag jégréteg, erős szél, sőt földrengés is fenyegeti őket. A tavaly közzétett kutatások szerint a polimer szigetelők körülbelül két harmaddal csökkentik a szolgáltatási megszakításokat a partmenti területeken a hagyományos üveg alternatívákkal összehasonlítva. A piaci trendeket vizsgálva a globális szigetelőszektor gyors növekedésnek indul, amelyet a legutóbbi előrejelzések szerint már meghalad a 2 milliárd dolláros értéket. Ez a növekedés összhangban áll a környezeti tényezőkkel szemben ellenálló és a szennyeződés felhalmozódásától is mentes anyagok iránti növekvő kereslettel, különösen fontos ez a távoli vagy extrém helyszínekre telepített infrastruktúra számára.

Terheléselosztás és szerkezeti integritás többkomponensű feszültségelosztó egységekben

A többtárcsás húrdizájn különféle egységeken osztja meg a mechanikai terhelést, így az egész rendszer működőképes marad még akkor is, amikor az alkatrészek az idők során elkezdenek kopni. A legújabb fejlesztések közé tartoznak az üvegszálas magok, amelyek valójában körülbelül harminccal százalékkal növelik a teherbíró képességet a hagyományos acélmerevítésű változatokhoz képest. A tesztek azt mutatták, hogy ezek a rendszerek megbízhatóan működnek viszonylag intenzív körülmények között is, akár 765 kilovoltos villamos feszültséget és 15 kilonewton/méter terhelést is elviselnek. Ez különösen értélessé teszi őket azoknál a távolsági távvezeték-összeköttetéseknél, ahol a meghibásodás egyszerűen nem opció.

Transzformátor- és kapcsolóberendezés-bekötőszigetelők: Szakosított szigetelőalkalmazások

A bekötőszigetelők szerepe a transzformátor szigetelésében és az elektromos integritásban

A nagyfeszültségű átvezetők az élő transzformátor-kapcsok és a külső vezetők közötti lényeges kapcsolódási pontként működnek, fenntartva a szigetelést a nagyfeszültség alatt álló alkatrészek és a földelt tartály között. A legutóbbi tanulmányok szerint a transzformátorokkal kapcsolatos problémáknak körülbelül harmada valójában az elhasználódott átvezetőkből adódik, amelyeket vagy szigetelési hiba, vagy egyszerűen mechanikai kopás okoz. (Ez az érdekes tény a Power System Reliability Report 2023-as jelentéséből származik.) Manapság a gyártók fejlettebb anyagokból, például speciális kerámiákból és olajjal átitatott papírból készítik az átvezetőket, amelyek így képesek kezelni a 500 kilovoltot meghaladó feszültségeket. Ez a fejlesztés segít csökkenteni azokat a részleges kisüléseket, amelyek jelentős problémát jelentenek az elektromos hálózatokon dolgozó mérnökök számára.

Kapacitív fokozás és villamos térerő-vezérlés nagyfeszültségű átvezetőkben

A többrétegű gyűrűkön keresztüli kapacitív fokozás optimalizálja a villamos térerő-eloszlást, csökkentve a feszültségkoncentrációkat, 40-60% a hagyományos kialakításokhoz képest. Ez különösen fontos a 800 kV+ rendszerekben , ahol az egyenetlen gradiensek dielektromos meghibásodást válthatnak ki. A pontossági kapacitás-kiegyensúlyozás – vezető és szigetelő rétegek váltakozó elrendezésével – hatékonyan tartja az elektromágneses interferenciát biztonságos határokon belül.

Az olajtöltésűtől a száraztípusú epoxigyantás átvezetőkig való fejlődés: megbízhatóság és biztonság

A váltás az olajtöltésű cikloalifás epoxigyantájú átvezetőkre jelentős üzemeltetési kihívásokat küszöböli ki:

• Tűzveszély az éghető olaj elhagyásával 89%-kal csökkent
• Fenntartás bonyolultsága csökkent a száraz típusú egységeknek köszönhetően, amelyek 75%-kal kevesebb ellenőrzést igényelnek
• Környezetszennyezés megelőzve nulla olajszivárgásos kialakítással 2015 óta

Terepadatok forrása 15.000 telepített egység mutatja, hogy a száraztípusú átvezetők elértek 98,3%-os üzemeltetési megbízhatóságot tíz év után – 22%-kal magasabb, mint az olajtöltésű megfelelőik.

GYIK

Mi az elektromos szigetelők szerepe az energiahálózatokban?

Az elektromos szigetelők akadályt képeznek a véletlenszerű áramáramlás ellen, biztosítják a rendszer integritását a magas feszültségek és a szivárgóáramok kezelésével, és így garantálják a biztonságos és hatékony üzemeltetést.

Mik a legfontosabb tulajdonságai az elektromos szigetelőknek?

A fajlagos ellenállás, a szigetelőképesség és a mechanikai terhelhetőség az elektromos szigetelők teljesítményét és hatékonyságát meghatározó alapvető tulajdonságok.

Miért fontosak a felfüggesztő szigetelők a nagyfeszültségű távvezetékekben?

A felfüggesztő szigetelők tartják az ereszalatti vezetékeket, kezelik a mechanikai feszültséget, és biztosítják az elektromos szigetelést hosszú távvezetékek esetén.

Milyen előnyökkel járnak a kompozit felfüggesztő szigetelők?

A kompozit szigetelők súlycsökkentést, szennyeződésállóságot, vízlepergető felületet és rezgéscsillapítást kínálnak, így előnyösek modern hálózatok számára.