Як вибрати правильний ізолятор для високовольтних ліній?

Зрозумійте основні типи ізоляторів і варіанти матеріалів для високовольтних застосувань

Підвісні, опорні, довгі стрижневі та натяжні ізолятори: функції та конструктивна роль у ВВ системах

Існує чотири основні типи ізоляторів, які відіграють ключову роль у системах передачі високої напруги. Підвісні ізолятори працюють, утримуючи вагу проводів за допомогою ланцюгів окремих дисків. Така конструкція дозволяє інженерам будувати опори різної форми та спрощує прокладання ліній у складному рельєфі. Опорні ізолятори використовуються інакше — вони забезпечують міцну опору для товстих шин, які застосовуються на підстанціях. Вони виготовлені досить міцними, щоб витримувати напругу у сотні кіловольт. Лінійні стрижневі ізолятори відрізняються тим, що виготовлені з одного суцільного шматка порцеляни або композитного матеріалу. Вони особливо добре протистоять накопиченню бруду, саме тому їх часто використовують у застосунках надвисокої напруги (EHV), де більша довжина поверхні допомагає запобігти небезпечним перекриттям між компонентами. Натяжні ізолятори розташовуються на кінцях ліній електропередачі, щоб утримувати всю конструкцію цілісною незважаючи на різні навантаження — зміни висоти, значне накопичення снігу чи сильний вітер, що дме через місцевість. Кожен тип було спеціально розроблено для вирішення різних завдань, включаючи вітрове навантаження, утворення льоду та навіть землетруси. Цікаво, що дослідження показують: лінійні стрижневі ізолятори можуть служити приблизно на 30 відсотків довше за старіші конструкції з дискових ланцюгів під дією повторних навантажень, що робить їх розумним вибором для багатьох сучасних установок.

Фарфорові, скляні та композитні ізолятори: ефективність, довговічність та відповідність застосуванню

Дуже важливо, з якого матеріалу виготовлено обладнання, коли мова йде про його ефективність і термін служби в умовах високої напруги. Порцеляна використовується вже багато років, оскільки добре витримує електричні навантаження — її діелектрична міцність перевищує 150 кВ на фут, а також вона залишається стабільною навіть при зміні температур. Проблема полягає в тому, що вона легко розбивається від ударів, що є серйозною проблемою в місцях, де обслуговування не завжди можливе або безпечне. Закалене скло має властивість самоочищення, а також тріщини на ньому з'являються ще до повного руйнування, що підвищує безпеку. Однак такі скляні ізолятори погано витримують умови поблизу узбережжя, де в повітрі багато солі, що призводить до поступового зношування їхніх поверхонь. Композитні полімерні ізолятори останнім часом стають дедалі популярнішими, особливо в брудних або вологих умовах. Вони виготовлені зі скловолокна всередині та покриті силіконовим гумовим шаром, а їхні водо-відштовхувальні властивості дозволяють приблизно на 40% швидше позбутися бруду порівняно зі звичайними матеріалами. За даними окремих польових досліджень, термін служби таких композитних ізоляторів у посушливому кліматі може бути приблизно на 15 років довшим, ніж у традиційних порцелянових аналогів. Проте після тривалого впливу ультрафіолетового випромінювання сонця необхідно розробляти спеціальні формули, щоб запобігти надмірно швидкому руйнуванню. З огляду на сучасні тенденції в системах надвисокої напруги, починають з'являтися нові гібридні підходи, які поєднують найкращі властивості скляних або порцелянових основ із захисними атмосферостійкими характеристиками композитних покриттів.

Оцінка вимог до електричних і механічних характеристик

Діелектрична міцність та номінальна напруга: узгодження ізоляторів з системами 110 кВ–ВНЧ та ПСВН

Вибір правильного ізоляційного матеріалу вимагає ретельного врахування як напруги системи, так і фактичних електричних напружень, що виникають. Для систем змінного струму в діапазоні від 110 кВ до 800 кВ стандартні фарфорові ізолятори, як правило, витримують близько 10–12 кВ на сантиметр. Але коли мова доходить до застосування у надвисоковольтних (UHV) системах та системах високої напруги постійного струму (HVDC), вимоги значно зростають. Ці системи потребують матеріалів, здатних витримувати щонайменше 15 кВ на см, оскільки електричні поля стають набагато сильнішими. Робота з HVDC також створює додаткові труднощі. Розподіл електричних полів залежить від полярності, а ці системи схильні швидше накопичувати забруднення на поверхні, ніж інші. Проблема забруднення фактично прискорює процеси старіння та призводить до зростання струмів витоку з часом. Більшість інженерів закладають додаткову потужність приблизно на 20–30 відсотків понад те, що зазвичай спостерігається в системі, просто щоб бути в безпеці під час тих самих періодичних стрибків напруги. Візьмемо, наприклад, UHV-ізолятори — їх часто піддають суворим випробуванням при 1800 кВ протягом цілої хвилини, щоб перевірити, чи вони витримають навантаження. Багато компаній тепер переходять на композитні полімерні ізолятори для роботи з HVDC. Вони рівномірніше розподіляють електричне поле по поверхнях і краще, ніж традиційні варіанти, запобігають пробоям, спричиненим брудом і забрудненням.

Механічна вантажопідйомність: стійкість до вітрових, льодових, тягових навантажень і складнощів рельєфу

Механічні характеристики мають вирішальне значення для надійної роботи в жорстких умовах. Ізолятори високої напруги повинні витримувати:

• Вітрові та льодові навантаження : Кантильверна міцність понад 70 кН для ліній 345 кВ у регіонах із схильністю до накопичення льоду
• Натяг проводів : Міцність на розрив понад 120 кН, щоб запобігти каскадним відмовам під час пошкодження лінії або екстремальних погодних умов
• Сейсмічні та рельєфні напруження : Використання віброгасників у сейсмічно активних зонах та конструкцій, які запобігають галопуванню, у гірській місцевості або на відкритих ділянках
  Композитні ізолятори мають значно вищу міцність на розрив — понад 500 МПа порівняно з приблизно 40 МПа у фарфорових, тоді як корпуси з силіконового гумового матеріалу покращують відділення льоду. У прибережних районах ізолятори повинні мати шлях повзання 25–30 мм/кВ та гідрофобні поверхні для запобігання пробоям через сіль. Відповідність стандартам IEC 61109 та ANSI C29.11 забезпечує механічну та електричну надійність у реальних умовах експлуатації й підтримує десятиліття стабільної роботи.

Оцінка стійкості до навколишнього середовища та довготривалої надійності в складних умовах

Шлях повзання та ефективність проти забруднення в прибережних, промислових та посушливих кліматах

Експлуатаційні характеристики ізоляторів та термін їхньої служби значною мірою залежать від навколишнього середовища. Щодо витікання струму, фактично найкоротшого шляху уздовж поверхні ізолятора між двома електродами, — у районах із високим рівнем забруднення його необхідно коригувати, щоб уникнути небезпечних перекриттів. Прибережні райони створюють особливі проблеми, оскільки сіль з часом накопичується, утворюючи провідні шари на поверхнях. Саме тому багато виробників тепер використовують гідрофобні композити з силіконового гумового матеріалу, які дуже добре запобігають проникненню вологи та бруду до критичних компонентів, зменшуючи тим самим небажані струми витоку, які всі прагнуть мінімізувати. Промислові зони створюють інший набір викликів, оскільки ізолятори піддаються впливу хімічних забруднювачів, таких як сполуки сірки та цементний пил. Ці речовини мають тенденцію утворювати провідні шляхи у вологому стані, проте конструкція з ребристим профілем разом із регулярними процедурами очищення значною мірою допомагає вирішити цю проблему. Пустелі теж створюють свої унікальні труднощі: пісок постійно руйнує матеріали, а інтенсивне УФ-випромінювання ще більше їх деградує. Дослідження показують, що закалене скло витримує ці жорсткі умови приблизно на 30 відсотків краще, ніж традиційні фарфорові аналоги. Щоб забезпечити належну роботу в забруднених умовах, інженери уважно контролюють струми витоку, прагнучи утримувати їх нижче порогового значення 50 мА, щоб запобігти тепловому пробою під час періодів високої вологості. Випробувальні процедури передбачають моделювання прискореного старіння, що імітує десятиліття екстремальних коливань температур — від мінус 40 градусів Цельсія до плюс 80 градусів Цельсія, — що дає виробникам впевненість у довговічності матеріалів з часом. І так, рекомендовані відстані витікання дійсно змінюються залежно від того, де встановлюються ці ізолятори.

Вибір ізоляторів з профілями, оптимізованими для клімату, забезпечує надійну роботу понад 25 років за рахунок балансу поверхневого опору, гідрофобності та здатності до самоочищення.

Застосування методу вибору, заснованого на напрузі та сфері застосування

Вибір ізоляторів для 33 кВ-345 кВ змінного струму та УВВ/ВПСТ: конфігурація гірлянди, одиниці на кВ та контрольні показники надійності

Вибір правильних ізоляторів значною мірою залежить від рівня напруги та умов їх фактичного використання на практиці. У мережах змінного струму в діапазоні від 33 кВ до 345 кВ потрібні гнучкі конфігурації стрингів і висока стійкість до забруднення. Зазвичай у районах із помірними кліматичними умовами достатньо 8–10 одиниць фарфорових або скляних ізоляторів на 100 кВ. Однак у разі систем надвисокої напруги (UHV) і високої постійної напруги (HVDC) потрібні більш міцні рішення — зазвичай композитні полімерні ізолятори, які забезпечують більшу довжину шляху струму (понад 25 мм на кВ) і кращий захист від накопичення бруду. Також у таких системах потрібно приблизно в 1,5 рази більше ізоляторів, ніж у аналогічних системах змінного струму, щоб правильно протидіяти сильним електричним полям. Стандарти надійності тут дуже високі: більшість проектів UHV прагнуть до менш ніж 0,05% відмов на рік. Не слід забувати й про механічну міцність, особливо важливу в районах із великим навантаженням від льоду або сильних вітрів, де ізолятори можуть піддаватися статичним навантаженням понад 50 кН. Фахівці галузі, як правило, дотримуються рекомендацій IEC 60383 щодо витоків і специфікацій ANSI C29 щодо механічних навантажень, щоб забезпечити сталу роботу обладнання та загальну стабільність енергомережі.

Часто задані питання