Ako vybrať správny izolátor pre vysokonapäťové vedenia?

Pochopenie kľúčových typov izolátorov a možností materiálov pre aplikácie vysokého napätia

Zavesové, stĺpové, tyčové a ťahové izolátory: funkcie a konštrukčné úlohy v HV systémoch

Existujú štyri hlavné typy izolátorov, ktoré hrajú kľúčovú úlohu v systémoch vysokého napätia. Závesné izolátory udržiavajú hmotnosť vodičov pomocou reťazcov jednotlivých diskov. Toto usporiadanie umožňuje inžinierom stavbu veží v rôznych tvaroch a zjednodušuje vedenie línií po zložitom teréne. Stĺpové izolátory zase poskytujú pevnú podporu hrubým zberačom v rozvodniach. Sú navrhnuté tak, aby odolali napätiam až v stovkách kilovoltov. Long rod izolátory sa vyznačujú tým, že sú vyrobené z jedného nepretržitého kusu buď porcelánu alebo kompozitného materiálu. Tieto izolátory sú obzvlášť odolné voči hromadeniu nečistôt, a preto sa často používajú v EHV aplikáciách, kde dlhšie povrchy pomáhajú zabrániť nebezpečným prebojom medzi komponentmi. Potom existujú napínacie izolátory umiestnené na koncoch prenosových línií, ktoré udržiavajú celú konštrukciu pohromade napriek rôznym silám, ako sú zmeny nadmorskej výšky, veľké množstvá snehu alebo silný vietor fúkajúci cez krajinu. Každý typ bol špeciálne navrhnutý tak, aby zvládol rôzne výzvy vrátane veterného tlaku, námrazy a dokonca aj zemetrasení. Zaujímavé je, že výskum ukazuje, že long rod izolátory môžu vydržať približne o 30 percent dlhšie pri opakovanom zaťažení v porovnaní so staršími konštrukciami z diskových reťazcov, čo ich robí rozumnou voľbou pre mnohé moderné inštalácie.

Porcelánové, sklenené a kompozitné izolátory: výkon, trvanlivosť a vhodnosť pre použitie

Aký materiál sa používa, je veľmi dôležité, keď hovoríme o výkone a životnosti zariadení vo vysokonapäťových situáciách. Porcelán sa používa už odpradávna, pretože dobre odoláva elektrine s dielektrickou pevnosťou vyše 150 kV na stopu a zostáva stabilný aj pri zmenách teploty. Aký je problém? Ľahko sa láme pri náraze, čo je skutočný problém v miestach, kde údržba nie je vždy jednoduchá alebo bezpečná. Sklenené izolátory z tvrdeného skla sa samy čistia a ukazujú praskliny ešte pred tým, než úplne zlyhnú, čo je dobré z hľadiska bezpečnosti. Tieto sklenené izolátory však nie sú dostatočne odolné v blízkosti pobreží, kde je vo vzduchu veľa soli, čo spôsobuje postupné opotrebovanie ich povrchu. Kompozitné polymérne izolátory sa v poslednej dobe stávajú obľúbenými, najmä v špinavých alebo vlhkých prostrediach. Sú vyrobené z výstuže zo sklenených vlákien a pokryté silikónovým gumovým obalom, pričom ich vlastnosti odpudzovania vody im pomáhajú zbaviť sa nečistôt približne o 40 % rýchlejšie ako bežné materiály. Niektoré prevádzkové správy naznačujú, že tieto kompozity môžu v suchých podnebných podmienkach vydržať približne o 15 rokov dlhšie v porovnaní s tradičnými porcelánovými riešeniami. Napriek tomu po mnohých rokoch pôsobenia slnečného UV žiarenia je potrebné vyvíjať špeciálne zloženie, aby sa zabránilo príliš rýchlemu rozpadu materiálu. Zohľadnením súčasného vývoja v systémoch extrémneho vysokého napätia sa začínajú objavovať nové hybridné prístupy, ktoré kombinujú najlepšie vlastnosti jadier zo skla alebo porcelánu s počasím odolnými vlastnosťami kompozitných obalov.

Vyhodnotiť požiadavky na elektrický a mechanický výkon

Dielektrická pevnosť a napätové hodnotenie: Prispôsobenie izolátorov systémom 110 kV – UHV a HVDC

Výber vhodného izolačného materiálu si vyžaduje starostlivé zváženie nielen systémového napätia, ale aj skutočných elektrických namáhaní. Pre striedavé systémy medzi 110 kV a 800 kV štandardné keramické izolátory zvyčajne vydržia približne 10 až 12 kV na centimeter. Avšak pri aplikáciách ultra vysokého napätia (UHV) a vysokého napätia jednosmerného prúdu (HVDC) sa požiadavky výrazne zvyšujú. Tieto systémy vyžadujú materiály schopné odolávať aspoň 15 kV na cm, pretože elektrické polia sú oveľa silnejšie. Práca s HVDC prináša navyše aj ďalšie problémy. Rozloženie elektrických polí závisí od polarity a tieto systémy majú tendenciu rýchlejšie hromadiť povrchové nečistoty ako ostatné. Tento problém so znečistením v skutočnosti urýchľuje procesy starnutia a v čase vedie k vyšším únikovým prúdom. Väčšina inžinierov počíta s rezervou okolo 20 až 30 percent navyše oproti bežne očakávaným hodnotám, len aby bol systém bezpečný aj pri občasných prepätiach. Vezmite si ako príklad UHV izolátory – často sa testujú za napätia 1800 kV počas plnej minúty, aby sa overilo, či vydržia za extrémneho zaťaženia. Mnoho spoločností sa teraz obrací k kompozitným polymérnym izolátorom pre prácu s HVDC. Tieto lepšie rovnomerne rozdeľujú elektrické pole po povrchu a odolávajú prepadom spôsobeným špínou a znečistením lepšie ako tradičné riešenia.

Mechanická nosnosť: Odolnosť voči vetru, ľadu, napätiu a terénnym výzvam

Mechanický výkon je kľúčový pre spoľahlivý prevádzku v náročných podmienkach. Vysokonapäťové izolátory musia odolávať:

• Zaťaženiu vetrom a ľadom : Ohybová pevnosť vyššia ako 70 kN pre 345 kV vedenia v oblastiach náchylných na hromadenie ľadu
• Pevnosti vodiča v ťahu : Pevnosť v ťahu vyššia ako 120 kN, aby sa predišlo kaskádovým poruchám počas porúch vedenia alebo extrémneho počasia
• Seizmickým a terénnym namáhaniam : Použitie tlmičov vibrácií v oblastiach náchylných na zemetrasenia a návrhy proti poháňaniu v horskom alebo otvorenom teréne
  Kompozitné izolátory ponúkajú vynikajúcu pevnosť v ťahu – viac ako 500 MPa oproti približne 40 MPa u porcelánu – pričom kôže z kremíkového gumy zlepšujú odstraňovanie ľadu. V prímořských oblastiach vyžadujú izolátory dráhu úniku prúdu 25–30 mm/kV a hydrofóbne povrchy, aby odolali sledovaniu spôsobenému soľou. Dodržiavanie noriem IEC 61109 a ANSI C29.11 zabezpečuje mechanický a elektrický výkon za reálnych podmienok, čo umožňuje desaťročia spoľahlivej prevádzky.

Posúdenie odolnosti voči prostrediu a dlhodobej spoľahlivosti v náročných podmienkach

Dráha úniku prúdu a výkon pri znečistení v prímořskom, priemyselnom a suchom klíme

Výkon izolátorov a ich životnosť veľmi závisia od okolitého prostredia. Pokiaľ ide o vzdialenosť povrchového preboja, teda skutočnú najkratšiu dráhu pozdĺž povrchu izolátora medzi dvoma elektródami, v miestach s vysokou úrovňou znečistenia je potrebné túto vzdialenosť upraviť, aby sa predišlo nebezpečným prebojom. Pobrežné oblasti prinášajú špecifické problémy, pretože so časom sa hromadí soľ, ktorá vytvára vodivé vrstvy na povrchoch. Preto sa mnoho výrobcov obrací na hydrofóbne kompozity zo silikónového kaučuku, ktoré sa veľmi dobre osvedčili pri odvádzaní vlhkosti a nečistôt od kritických komponentov, čím sa znižujú tie namáhavé únikové prúdy, ktoré všetci chceme minimalizovať. Priemyselné oblasti prinášajú inú sadu výziev, keď izolátory sú bombardované chemickými znečisťujúcimi látkami, ako sú zlúčeniny síry a cementový prach. Tieto látky majú tendenciu vytvárať vodivé dráhy, keď sú mokré, no riebikové profily v kombinácii s pravidelným čistením výrazne prispievajú k riešeniu tohto problému. Púšť predstavuje vlastné jedinečné ťažkosti – piesok neustále opotrebúva materiály, zatiaľ čo intenzívne UV žiarenie ich ďalej degraduje. Štúdie ukazujú, že kalené sklo odoláva týmto extrémnym podmienkam približne o 30 percent lepšie ako tradičné porcelánové varianty. Aby sa zabezpečil správny chod v znečistenom prostredí, inžinieri pozorne monitorujú únikové prúdy s cieľom udržiavať ich pod prahovou hodnotou 50 mA, čím sa predchádza tepelnému poháňaniu počas období vysokej vlhkosti. Skúšobné protokoly zahŕňajú simulácie zrýchleného starnutia, ktoré napodobňujú desaťročia extrémnych kolísaní teplôt od mínus 40 stupňov Celzia až po plus 80 stupňov Celzia, čo výrobcom poskytuje istotu o trvanlivosti materiálov v čase. A áno, odporúčané vzdialenosti povrchového preboja sa skutočne menia v závislosti od toho, kde sú tieto izolátory inštalované.

Výber izolátorov s profilom optimalizovaným podľa klímy zabezpečuje spoľahlivý prevádzku viac ako 25 rokov, pričom sa vyvažuje povrchový odpor, hydrofóbnosť a schopnosť samotného čistenia.

Použite rámec výberu založený na napätí a aplikácii

Výber izolátorov pre 33 kV-345 kV AC voči UHV/HVDC: Konfigurácia reťazca, jednotky na kV a ukazovatele spoľahlivosti

Výber správnych izolátorov závisí do značnej miery od úrovne napätia, s ktorým pracujeme, a od toho, ako budú izolátory v reálnych podmienkach používané. Pri práci so striedavými systémami v rozsahu od 33 kV až po 345 kV je potrebná prispôsobiteľná konfigurácia reťazcov a dobrá odolnosť voči znečisteniu. Vo všeobecnosti sa v oblastiach, kde nie sú príliš náročné klimatické podmienky, osvedčuje približne 8 až 10 jednotiek z porcelánu alebo skla na 100 kV. Situácia sa však mení pri ultra vysokonapäťových (UHV) a vysokonapäťových jednosmerných (HVDC) systémoch. Tieto inštalácie vyžadujú odolnejšie riešenie, zvyčajne kompozitné polymérne izolátory, ktoré ponúkajú dlhšie dráhy povrchového preboja nad 25 mm na kV a lepšiu ochranu proti hromadeniu nečistôt. V týchto systémoch sa tiež požaduje približne 1,5-násobný počet izolačných jednotiek v porovnaní s podobnými striedavými systémami, aby sa správne zvládli intenzívne elektrické polia. Tu sú tiež pomerne prísne požiadavky na spoľahlivosť, pri väčšine UHV projektov sa usiluje o menej ako 0,05 % ročných porúch. Nezabudnime ani na mechanickú pevnosť, ktorá je obzvlášť dôležitá v oblastiach náchylných na silné zaľadenie alebo silný vietor, kde izolátory môžu byť vystavené statickým ťahovým zaťaženiam vyšším ako 50 kN. Odborníci v odvetví sa zvyčajne riadia smernicami IEC 60383 týkajúcimi sa dĺžok únikových dráh a špecifikáciami ANSI C29 pre mechanické zaťaženia, aby všetko dlhodobo bezproblémovo fungovalo a zabezpečilo celkovú stabilitu siete.

Často kladené otázky