Как выбрать правильный изолятор для высоковольтных линий?

Изучите основные типы изоляторов и варианты материалов для применения в высоковольтных системах

Подвесные, опорные, стержневые и натяжные изоляторы: функции и конструктивная роль в ВН-системах

Существует четыре основных типа изоляторов, играющих ключевую роль в системах передачи высокого напряжения. Подвесные изоляторы удерживают вес проводников с помощью гирлянд, состоящих из отдельных дисков. Такая конструкция позволяет инженерам сооружать опоры различных форм и упрощает прокладку линий в сложном рельефе местности. Опорные изоляторы применяются для надёжной фиксации толстых шин, используемых на подстанциях. Они рассчитаны на напряжение в сотни киловольт. Линейные стержневые изоляторы отличаются тем, что изготавливаются из одного цельного элемента — из фарфора или композитного материала. Эти изоляторы особенно устойчивы к накоплению загрязнений, поэтому их часто используют в установках сверхвысокого напряжения (EHV), где увеличенная длина поверхности помогает предотвратить опасные перекрытия между компонентами. Натяжные изоляторы устанавливаются на концах линий электропередачи и обеспечивают надёжное крепление всей конструкции, несмотря на различные нагрузки — изменение высоты рельефа, скопление тяжёлого снега или сильный ветер, дующий поперёк ландшафта. Каждый тип изоляторов специально разработан для решения определённых задач, включая воздействие ветровой нагрузки, обледенения и даже землетрясений. Интересно, что исследования показывают, что линейные стержневые изоляторы могут служить примерно на 30 процентов дольше по сравнению с традиционными гирляндами дисковых изоляторов при многократных механических нагрузках, что делает их разумным выбором для многих современных установок.

Фарфоровые, стеклянные и композитные изоляторы: производительность, долговечность и соответствие применению

Материал, используемый в высоковольтных системах, имеет решающее значение для производительности и долговечности оборудования. Фарфор применяется уже очень давно, поскольку хорошо справляется с проводимостью электричества — его диэлектрическая прочность превышает 150 кВ на фут, а также он сохраняет стабильность при перепадах температур. Проблема заключается в том, что он легко разрушается при механическом воздействии, что представляет серьёзную опасность в местах, где техническое обслуживание затруднено или небезопасно. Закалённые стеклянные изоляторы обладают способностью к самоочистке и проявляют трещины до полного разрушения, что повышает безопасность. Однако такие стеклянные изоляторы плохо работают вблизи побережий, где в воздухе содержится много соли, вызывающей постепенное разрушение их поверхности. Композитные полимерные изоляторы стали популярными в последнее время, особенно в загрязнённых или влажных условиях. Они изготовлены с использованием стекловолокна внутри и покрыты силиконовой резиной, а их водоотталкивающие свойства позволяют удалять грязь примерно на 40 % быстрее по сравнению с обычными материалами. Некоторые отчёты с мест эксплуатации показывают, что срок службы таких композитных изоляторов может быть на 15 лет дольше в сухом климате по сравнению с традиционными фарфоровыми аналогами. Тем не менее, после длительного воздействия ультрафиолетового излучения солнца необходимо разрабатывать специальные составы, чтобы предотвратить слишком быстрое разрушение материала. В свете современных тенденций в системах сверхвысокого напряжения начинают применяться новые гибридные решения, сочетающие лучшие качества сердечников из стекла или фарфора с атмосферостойкими свойствами композитных покрытий.

Оценка требований к электрическим и механическим характеристикам

Диэлектрическая прочность и номинальное напряжение: подбор изоляторов для систем 110 кВ—УНВ и ЛЭП постоянного тока

Выбор подходящего изоляционного материала требует тщательного учета как напряжения системы, так и фактических электрических нагрузок. Для переменного тока в диапазоне от 110 кВ до 800 кВ стандартные фарфоровые изоляторы, как правило, выдерживают около 10–12 кВ на сантиметр. Однако при переходе к сверхвысокому напряжению (UHV) и системам высоковольтных линий постоянного тока (HVDC) требования значительно возрастают. В таких системах требуются материалы, способные выдерживать не менее 15 кВ на см, поскольку электрические поля становятся гораздо сильнее. Работа с HVDC также вызывает дополнительные трудности. Распределение электрических полей зависит от полярности, а такие системы, как правило, быстрее накапливают загрязнения на поверхности по сравнению с другими. Проблема загрязнений фактически ускоряет процессы старения и приводит к увеличению токов утечки со временем. Большинство инженеров закладывают примерно 20–30 процентов дополнительной мощности сверх нормальных рабочих показателей системы, чтобы обеспечить надежность при возможных кратковременных всплесках напряжения. Например, изоляторы UHV часто проходят строгие испытания при напряжении 1800 кВ в течение целой минуты, чтобы проверить их устойчивость к экстремальным условиям. Многие компании сейчас переходят на композитные полимерные изоляторы для применения в системах HVDC. Они обеспечивают более равномерное распределение электрического поля по поверхности и лучше, чем традиционные решения, защищают от пробоев, вызванных грязью и загрязнениями.

Механическая грузоподъемность: устойчивость к ветровым, ледовым нагрузкам, натяжению и сложностям рельефа

Механические характеристики имеют решающее значение для надежной работы в суровых условиях. Изоляторы высокого напряжения должны выдерживать:

• Ветровые и ледовые нагрузки : Предел прочности на изгиб более 70 кН для линий 345 кВ в регионах с повышенным накоплением льда
• Натяжение проводника : Прочность на растяжение более 120 кН для предотвращения каскадных отказов при авариях на линии или экстремальных погодных условиях
• Сейсмические и рельефные напряжения : Использование виброгасителей в сейсмоопасных зонах и антигалопирующих конструкций в гористой или открытой местности
  Композитные изоляторы обладают превосходной прочностью на растяжение — более 500 МПа по сравнению с приблизительно 40 МПа у фарфоровых, в то время как корпуса из силиконовой резины улучшают отвод льда. В прибрежных районах изоляторы должны иметь путь утечки 25–30 мм/кВ и гидрофобные поверхности для защиты от трекинга, вызванного солью. Соответствие стандартам IEC 61109 и ANSI C29.11 обеспечивает механическую и электрическую надежность в реальных условиях эксплуатации и позволяет гарантировать десятилетия бесперебойной работы.

Оценка стойкости к внешним воздействиям и долгосрочной надежности в тяжелых условиях

Путь утечки и защита от загрязнений в прибрежных, промышленных и засушливых климатах

Производительность изоляторов и срок их службы в значительной степени зависят от окружающей среды. Что касается пути утечки — фактического кратчайшего расстояния по поверхности изолятора между двумя электродами, — его необходимо корректировать в местах с высоким уровнем загрязнения, чтобы избежать опасных перекрытий. Прибрежные районы создают особые проблемы, поскольку со временем накапливается соль, образуя проводящие слои на поверхностях. Именно поэтому многие производители теперь переходят на гидрофобные композиты из силиконовой резины, которые отлично предотвращают попадание влаги и грязи на критически важные компоненты, тем самым снижая надоедливые токи утечки, которые мы все хотим минимизировать. Промышленные зоны создают другой набор проблем, поскольку изоляторы подвергаются воздействию химических загрязнителей, таких как соединения серы и цементная пыль. Эти вещества склонны образовывать проводящие пути во влажном состоянии, однако конструкции с ребристым профилем в сочетании с регулярными процедурами очистки в значительной степени помогают решить эту проблему. Пустыня также создаёт свои уникальные трудности: песок постоянно разрушает материалы, а интенсивное ультрафиолетовое излучение дополнительно способствует их деградации. Исследования показывают, что закалённое стекло выдерживает эти суровые условия примерно на 30 процентов лучше, чем традиционные фарфоровые варианты. Чтобы обеспечить правильную работу в загрязнённых условиях, инженеры внимательно контролируют токи утечки, стремясь поддерживать их ниже порога в 50 мА, чтобы предотвратить тепловой пробой в периоды высокой влажности. Протоколы испытаний включают моделирование ускоренного старения, имитирующего десятилетия экстремальных колебаний температур — от минус 40 градусов Цельсия до плюс 80 градусов Цельсия, что даёт производителям уверенность в долговечности материалов с течением времени. И да, рекомендуемые расстояния пути утечки действительно меняются в зависимости от того, где будут установлены эти изоляторы.

Выбор изоляторов с профилем, оптимизированным под климатические условия, обеспечивает надежную работу более 25 лет за счет сбалансированного сочетания поверхностного сопротивления, гидрофобности и способности к самоочистке.

Применение методики выбора, основанной на напряжении и области применения

Выбор изоляторов для переменного тока 33 кВ–345 кВ против УВН/ЛЭП постоянного тока: конфигурация гирлянды, количество элементов на кВ и показатели надежности

Выбор подходящих изоляторов в значительной степени зависит от уровня напряжения и условий их фактического применения на практике. При работе с системами переменного тока в диапазоне от 33 кВ до 345 кВ требуется гибкая конфигурация гирлянд и хорошая устойчивость к загрязнению. Обычно в регионах с не слишком суровыми природными условиями достаточно 8–10 фарфоровых или стеклянных элементов на 100 кВ. Однако ситуация меняется при переходе к установкам сверхвысокого напряжения (UHV) и высоковольтным линиям постоянного тока (HVDC). Для таких систем требуются более надежные решения, как правило, композитные полимерные изоляторы, обеспечивающие увеличенный путь утечки — более 25 мм на кВ — и лучшую защиту от накопления загрязнений. Также для этих систем требуется примерно в 1,5 раза больше изоляционных элементов по сравнению с аналогичными системами переменного тока, чтобы корректно выдерживать интенсивные электрические поля. Требования к надёжности здесь также очень высокие: большинство проектов UHV стремятся к уровню отказов менее 0,05% в год. Не стоит забывать и о механической прочности, особенно важной в районах с сильным обледенением или сильными ветрами, где изоляторы могут подвергаться статическим нагрузкам свыше 50 кН. Специалисты отрасли, как правило, следуют рекомендациям IEC 60383 в отношении расстояний утечки и стандартам ANSI C29 по механическим нагрузкам, чтобы обеспечить бесперебойную работу в долгосрочной перспективе и сохранить общую устойчивость энергосистемы.

Часто задаваемые вопросы