Підвищення електричної та механічної міцності високовольтних полімерних ізоляторів в умовах комплексної дії експлуатаційних факторів - Автореферат

Досвід експлуатації полімерних ізоляторів першого покоління на повітряних лініях електропередачі показав високу ефективність їх застосування, однак було виявлено й ряд недоліків, до яких відносяться внутрішні пробої під оболонкою, «крихкі руйнування», складність виявлення на повітряних лініях пробитих ізоляторів. Усунення зазначених недоліків шляхом удосконалення конструкції високовольтних полімерних ізоляторів неможливо без глибокого вивчення електрофізичних процесів, що передують електричному пробою або «крихкому руйнуванню» полімерних ізоляторів під впливом сильного електричного поля та інших експлуатаційних факторів. Таким чином, удосконалення конструкції полімерних ізоляторів, а саме, підвищення електричної та механічної міцності полімерних ізоляторів в умовах дії експлуатаційних факторів є актуальною науково-практичною задачею та визначило напрямок дисертаційної роботи. Для досягнення поставленої мети були розвязані задачі: - дослідити розподіл напруженості сильного електричного поля на поверхні тороїдальних екранів та склопластикових стрижнях високовольтних полімерних ізоляторів з урахуванням екрануючої дії розщепленої фази та обвідного шлейфу; дослідити електрофізичні процеси в діелектриках, що передують «крихкому руйнуванню» склопластикових стрижнів високовольтних полімерних ізоляторів в сильному електричному полі, та розробити рекомендації щодо підвищення стійкості полімерних ізоляторів до даного виду руйнування;Разом з тим аналіз досвіду експлуатації в Україні, Росії, США, Китаї та інших країнах виявив ряд недоліків полімерних ізоляторів перших поколінь, а саме: недостатню електричну міцність внаслідок слабкого адгезійного звязку між конструктивними елементами і наявність великої кількості елементів (ізоляційних ребер), зєднаних між собою; слабку стійкість склопластикових стрижнів до хімічно агресивних продуктів, розчинних у воді, в зоні коронних та часткових розрядів («крихке руйнування» стрижнів); складність виявлення пробитих ізоляторів у експлуатації. Аналіз виконаних раніше досліджень показав, що підвищення експлуатаційних властивостей полімерних ізоляторів може бути досягнуто шляхом створення конструкції ізоляторів з суцільнолитою захисною оболонкою, вживанням нової технології їх виробництва, зниження рівня часткових розрядів в склопластику ізоляторів за допомогою раціонально підібраної екранної арматури, застосування в конструкції ізоляторів нових діелектричних матеріалів, оснащення ізоляторів реєстраторами пробою, які полегшують пошук пробитих ізоляторів у польових умовах. Спрощення полягає в тому, що з моделі підвіски виключені захисна кремнійорганічна оболонка ізолятора та ряд деталей зчеплювальної арматури, оскільки їх вплив на картину поля дуже незначний. Встановлено, що за умови обмеження робочої напруженості електричного поля до допустимого рівня (4,5 КВ/см для діелектрика та 18 - 24 КВ/см на поверхні екранів) геометричні розміри екранів, їх конструкція і розміщення на ізоляторі можуть бути прийняті наступними: - для повітряної лінії 220 КВ розміри одиночного тороїдального екрана рекомендовано вибрати в межах R0 = 7 - 10 см, r0 = 1 - 1,5 см, Z0 = 4 - 5 см; На другому етапі досліджень розвязувалось питання удосконалення герметизації силових вузлів ізолятора, оскільки недостатній адгезійний звязок оболонки з металом призводив до відшарування герметика, як наслідок, до проникнення вологи в силовий вузол, що закінчувалось пробоєм ізолятору на повітряній лінії.Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили розвязати науково-практичну задачу удосконалення конструкції високовольтних полімерних ізоляторів шляхом підвищення їх електричної та механічної міцності в умовах одночасної дії сильного електричного поля, механічних навантажень та кліматичних факторів. Досліджено розподіл сильного електричного поля на поверхні тороїдальних екранів та склопластикових стрижнях високовольтних полімерних ізоляторів на класи напруги 220 - 750 КВ з урахуванням екрануючої дії розщепленої фази та обвідного шлейфу. Показано, що застосування силіконових гум адитивної вулканізації замість пероксидних дозволяє істотно знизити температуру термообробки та здійснити вулканізацію гум за одну стадію, усунувши терморозтріскування склопластикового стрижня та виділення газоподібних побічних продуктів, які викликають зниження електричної міцності ізолятора. Показано, що у разі розгерметизації силових вузлів високовольтних полімерних ізоляторів електростатичне екранування не захистить ізолятор від «крихкого руйнування». Основні результати досліджень, представлені в дисертаційній роботі, використані при розробці нових конструкцій та технології виготовлення полімерних ізоляторів на класи напруги 3,3 - 750 КВ з підвищеною електричною та механічною стійкістю, масове виробництво яких освоєно Науково-виробничим підприємством «ES Полімер».

2. Основний зміст роботи

Виконані в дисертаційній роботі дослідження дозволили розвязати науково-практичну задачу удосконалення конструкції високовольтних полімерних ізоляторів шляхом підвищення їх електричної та механічної міцності в умовах одночасної дії сильного електричного поля, механічних навантажень та кліматичних факторів.

1. Досліджено розподіл сильного електричного поля на поверхні тороїдальних екранів та склопластикових стрижнях високовольтних полімерних ізоляторів на класи напруги 220 - 750 КВ з урахуванням екрануючої дії розщепленої фази та обвідного шлейфу. Достовірність розрахунків підтверджена експериментально. Показано, що обвідний шлейф на анкерних опорах в натяжній полімерній підвісці чинить суттєвий екрануючий вплив, знижуючи напруженість електричного поля як в склопластику, так і на екрані. Це дає підставу прийняти геометричні розміри та конструкцію екранів однаковими для натяжних та підвісних ізоляторів. Розроблено рекомендації щодо вибору екранної арматури для високовольтних полімерних ізоляторів.

2. Досліджено можливість застосування силіконових гум адитивної вулканізації для створення суцільнолитих захисних оболонок високовольтних полімерних ізоляторів. Показано, що застосування силіконових гум адитивної вулканізації замість пероксидних дозволяє істотно знизити температуру термообробки та здійснити вулканізацію гум за одну стадію, усунувши терморозтріскування склопластикового стрижня та виділення газоподібних побічних продуктів, які викликають зниження електричної міцності ізолятора.

Встановлено, що при адитивній вулканізації технологічна стабільність адгезійного звязку гуми з поверхнею склопластикового стрижню досягається шляхом ретельної ізоляції платинового каталізатора від слідів амінного прискорювача, що присутній в епоксидній звязці та виступає на поверхню склопластику при нагріванні в ливарній формі.

Експериментальним шляхом встановлено, що однією з причин внутрішнього пробою полімерних ізоляторів є усадка та виділення агресивних до металу побічних продуктів при конденсаційній вулканізації силіконових герметиків, що традиційно використовуються. Застосування двохкомпонентних рідких гум адитивної вулканізації усуває це явище, що забезпечує надійну герметизацію силових вузлів та високу електричну міцність ізоляторів в експлуатаційних умовах.

3. Досліджено електрофізичні процеси в склопластикових стрижнях полімерних ізоляторів, що передують «крихкому руйнуванню» в сильному електричному полі. Показано, що у разі розгерметизації силових вузлів високовольтних полімерних ізоляторів електростатичне екранування не захистить ізолятор від «крихкого руйнування». Застосування склопластикових стрижнів на базі безборного скловолокна ECR в конструкціях високовольтних полімерних ізоляторів більш ніж на два порядки підвищує їх стійкість до «крихкого руйнування».

4. Комплексні дослідження ізоляторів нового покоління які були розроблено та виготовлено відповідно наведених рекомендацій щодо матеріалів, конструкції і технології підтвердили ефективність наведених у дисертації рішень.

5. Для контролю цілісності ізоляторів розроблений індикатор електричного пробою ізоляторів, який дозволяє візуально виявити полімерний ізолятор що пробився в аварійній повітряної лінії електропередавання.

6. Основні результати досліджень, представлені в дисертаційній роботі, використані при розробці нових конструкцій та технології виготовлення полімерних ізоляторів на класи напруги 3,3 - 750 КВ з підвищеною електричною та механічною стійкістю, масове виробництво яких освоєно Науково-виробничим підприємством «ES Полімер». Результати досліджень також використані при розробці та поставленні на виробництво нових конструкцій обмежувачів перенапруг та прохідних ізоляторів з кремнійорганичною силіконовою ізоляцією.

Перелік опублікованих праць за темою дисертації

1. Шумилов М.Ю. Проблемы разработки ограничителей перенапряжений для контактной сети железнодорожного транспорта постоянного тока / М.Ю. Шумилов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2004. - № 7. - С. 138 - 143.

2. Шумилов М.Ю. Изучение капиллярного проникновения воды вдоль стеклопластиковых стержней полимерных изоляторов / М.Ю. Шумилов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2005. - № 42. - С. 110 - 115.

3. Шумилов М.Ю. Расчет электростатических полей и экранной арматуры полимерных изоляционных подвесок в пакете моделирования Femlab / М.Ю. Шумилов, Б.Г. Набока, А.Д. Подольцев // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2006. - № 7. - С. 30 - 37.

Здобувачем виконаний розрахунок електростатичних полів полімерних ізоляційних підвісок.

4. Шумилов М.Ю. Обеспечение надежности полимерных изоляторов с цельнолитыми защитными оболочками / М.Ю. Шумилов, Ю.Н. Шумилов, Б.Г. Набока // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2006. - № 34 - С. 92 - 101.

Здобувачем сформульовані основні задачі досліджень, метою яких є покращення конструкцій полімерних ізоляторів.

5. Шумилов М.Ю. Индикатор пробоя полимерных изоляторов / М.Ю. Шумилов, Ю.Н. Шумилов, Б.Г. Набока // Енергетика та електрифікація. - Київ: ЗАТ «Нічлава». - 2009. - № 10 - С. 36 - 39.

Здобувачем виготовлені дослідні зразки індикатора пробою та складена програма випробувань.

6. Патент України на корисну модель № 31083, МПК (2006) H01С 7/12, H01T 1/00. Пристрій для захисту від перенапруг // Кульматицький В.В., Шумілов Ю.М., Шумілов М.Ю. - Опубл. Бюл. № 6, 25.03.2008. - 4 с.

Здобувачем виготовлені та випробувані експериментальні зразки пристрою для захисту від перенапруг.

7. Патент України на корисну модель № 34860, МПК (2006) H01B 17/26. Прохідний ізолятор // Кульматицький В.В., Шумілов Ю.М., Шумілов М.Ю., - Опубл. Бюл. № 16, 26.08.2008. - 4 с.

Здобувачем виконаний розрахунок напруженості електричного поля у склопластиковій ізоляції прохідного ізолятора.

8. Патент України на корисну модель № 34995, МПК (2006) H02H 3/20. Пристрій для захисту від перенапруг (ПЗПН) // Кульматицький В.В., Кукс С.В., Шумілов Ю.М., Шумілов М.Ю., - Опубл. Бюл. № 16, 26.08.2008. - 4 с.

Здобувачем складена програма та проведені дослідні випробування пристрою для захисту від перенапруг( ПЗПН).

9. Патент України № 84497, МПК (2006) G01R 31/08. Пристрій для візуального виявлення електричного пробою електроустаткування ліній електропередачі // Кульматицький В.В., Шумілов Ю.М., Шумілов М.Ю., Кукс С.В. - Опубл. Бюл. № 20, 27.10.2008. - 4 с.

Здобувачем виконаний розрахунок зусилля змикання феромагнітних півкілець елементу контролю струму індикатора пробою.

10. Шумилов М.Ю. Сравнительные характеристики стеклопластиковых стержней высоковольтных полимерных изоляторов / М.Ю. Шумилов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2005. - № 42. - С. 116 - 121.

11. Шумилов М.Ю. Исследование деформативных характеристик однонаправленных стеклопластиков при изгибе / В.В. Рацлав, М.Ю. Шумилов // Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2005. - № 42. - С. 97 - 104.

Здобувачем виконаний експеримент по визначенню залишкового прогину склопластикового стрижня.

12. Шумилов М.Ю. Совершенствование конструкции электростатических экранов для высоковольтных полимерных изоляторов / Ю.Н. Шумилов, М.Ю. Шумилов // Электрические сети и системы. - Киев: ООО «Гнозис». - 2009. - № 3 - С. 25 - 28.

Здобувачем виконані розрахунки розподілу електричного поля полімерних ізоляційних підвісок з врахуванням впливу фазного проводу та обвідного шлейфа.