CC BY
100
УДК 621.315
^к 10.20998/2074-272Х.2018.1.10
Ю.Н. Шумилов, В.Г. Сантоцкий, Э.Д. Шумилова
О НЕОБХОДИМОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЛИНЕЙНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 10-20 КВ
Стаття присвячена вибору конструкций i розробщ вимог до нових Лтйних iзоляторiв для розподтьчих мереж 6-10-20 кВ, що забезпечують високу стштсть повiтряних мереж до грозових перенапруг при прямих i ндукованих впливах блис-кавки. Шдвищення грозостойкостг iзоляторiв дозволить скоротити перерви в електропостачанж споживачiв i зме-ншити травматизм персоналу електричних мереж при вiдновлювальних роботах. Бiбл. 11, табл. 2, рис. 1. Ключовi слова: пов^ряна лЫя електропередач^ штировi iзолятори, опорно-стрижневi iзолятори, грозовi перенапру-ги, електричний пробш, перекриття iзоляторiв, перерви електропостачання, електробезпека, надшшсть.
Статья посвящена выбору конструкций и разработке требований к новым линейным изоляторам для распределительных сетей 6-10-20 кВ, обеспечивающих высокую устойчивость воздушных сетей к грозовым перенапряжениям при прямых и индуцированных воздействиях молнии. Шовышение грозостойкости изоляторов позволит сократить перерывы в электроснабжении потребителей и уменьшить электротравматизм персонала электрических сетей при восстановительных работах. Библ. 11, табл. 2, рис. 1.
Ключевые слова: воздушная линия электропередачи, штыревые изоляторы, опорно-стержневые изоляторы, грозовые перенапряжения, электрический пробой, перекрытия изоляторов, перерывы электроснабжения, электробезопасность, надёжность.
Введение. В Украине воздушные линии электропередачи (ВЛ.) класса напряжения 6 и 10 кВ являются наиболее протяженными. Их общая длина превышает 280000 км. Более 95 % ВЛ выполнено на опорах из железобетонных стоек. На всех опорах ВЛ установлены штыревые фарфоровые ШФ или стеклянные ШС изоляторы. Штыревые изоляторы соответствуют рекомендациям 1ЕС и требованиям действующих стандартов, но во время эксплуатации на ВЛ повреждаются. По данным [1] до 60-70 % однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) по причине «изоляция» происходит на опорах ВЛ из-за повреждения линейных штыревых изоляторов, остальные 30-40 % - из-за разрушения разрядников, повреждения изоляции на трансформаторных подстанциях и др.
Подавляющая часть электрических сетей 6, 10 кВ выполнена на опорах из железобетонных стоек, изготовленных из вибрированного железобетона, с креплением проводов с помощью штыревых фарфоровых или стеклянных изоляторов. В этих решениях заложены и недостаточный ресурс и невысокая надежность ВЛ-6-10 кВ. В 35 % случаев аварии случались из-за разрушения и электрического пробоя штыревых изоляторов в силовом узле.
При прямом ударе молнии в провод (БЬ8) при крутизне волны перенапряжения более 1600 кВ/мкс в головке изолятора происходит капиллярный пробой [2, 3], а при индуктированных перенапряжениях от близких ударов молнии (10) происходят перекрытия изоляторов [4]. В обоих случаях при определенных условиях искровой разряд молнии может перейти в дуговой, поддерживаемый рабочим напряжением. От термического воздействия дуги обычно откалывается/рассыпается головка изолятора. Возникает режим однофазного короткого замыкания (8Р8С) [5, 6].
Режим 8Р8С на ВЛ-6-10 кВ может существовать без отключения ВЛ от 2-х до 6-ти и более часов. При этом по железобетонной опоре протекает емкостный ток 5-10 А, и в бетоне выгорают каверны, арматурная сталь начинает плавиться, наибольшее разрушение
бетона и арматуры происходит в месте заглубления опоры в земле. Разрушение бетона и арматуры приводит к непредвиденному падению опор, а по причине протекания емкостного тока вблизи опоры появляются опасные для жизни напряжения прикосновения и шаговое напряжение при приближении к опоре человека [7].
В письмах «Держпрпромнагляда Украши» №4824/0/41-8/6/13 и №2071/0/4.1-9.1/-6/14 указано:
«Зггдно з анализом виробничого травматизму в енер-гетичнт галузг у 2013 р. травмовано 171 особу, уто-му числг 20 - з1 смертельним наслгдком. Основними видами подш, тд час яких сталися нещаснг випадки з1 смертельним наслгдком були: ураження електричним струмом та падтня потерпшого з висоти разом з опорою».
Режим 8Р8С также влияет на изоляцию другого оборудования электрической сети. Такое положение в украинских сетях 6, 10 кВ должно быть исправлено.
Целью работы является выбор конструкции и разработка требований к новым линейным изоляторам ВЛ 10-20 кВ, обеспечивающих высокую устойчивость к грозовым перенапряжениям при прямых и индуктированных воздействиях молнии.
Основные материалы исследований. В странах, где переход на железобетонные опоры сопровождался применением вместо штыревых изоляторов опорно-стержневых изоляторов подобных проблем нет и не было. В России и Белоруссии для повышения надежности распределительных сетей 6, 10 кВ в 20042009 гг. приступили к освоению и установке опорно-стержневых изоляторов (фарфоровых и полимерных) на замену штыревых [8].
Кардинальным решением проблемы снижения аварийности ВЛ 10-20 кВ в Украине будет установка вместо штыревых изоляторов - опорно-стержневых изоляторов (фарфоровых и/или полимерных). Их конструкция показана на рис. 1. Учитывая ведущиеся разработки по применению в украинских распредели© Ю.Н. Шумилов, В.Г. Сантоцкий, Э.Д. Шумилова
тельных сетях напряжения 20 кВ, в программу работ также включены изоляторы напряжением 20 кВ.
Рис. 1. Эскиз опорно-стержневого изолятора для ВЛ 10-20 кВ, варианты А и Б
Еще более эффективным решением будет применение изоляционных траверс. Применение траверс позволит намного повысить импульсную электрическую прочность, влагоразрядное напряжение изоляции и уменьшить вероятность перехода грозовых разрядов в дуговые.
За счет улучшения этих показателей возможно снизить удельное число отключений на ВЛ-6-10 кВ не менее чем в 7,6 раз (табл. 1).
Таблица 1
Удельное число отключений ВЛ-6-10 кВ, 1/100 км-100 г.ч. в безлесной зоне (оценка сверху) [4]
Изоляция ВЛ-6кВ ВЛ-10 кВ
АоШ.БЬК АоиЦО ^ои^БЬК АоиОО
ШС-10А 13,0 11,0 17,3 21,1
ШС-10В 13,0 8,0 17,3 15,4
ШС-10Г 13,9 9,4 18,5 23,1
ШФ-10Г 12,2 8,8 16,2 19,7
ШФ-20В 11,4 3,7 15,2 8,4
ШК-10 11,8 8,8 15,7 18,6
ЛК 70/10 12,4 9,9 16,5 21,7
Изолир. траверса ТИ 3,6 0,5 4,3 1,1
Прим. БЬБ - прямой удар молнии; 10 - индуктивные перенапряжения.
Для тупиковых и незакольцованных линий установка опорно- стержневых изоляторов либо траверс является практически единственным наиболее дешевым способом решения проблемы непредвиденного отключения электроэнергии потребителям и снижения электротравматизма и смерти людей. В Украине опорно-стержневые изоляторы для ВЛ-6-10 кВ не выпускаются.
В связи с этим Научно-проектный центр развития ОЭС Украины совместно с ПАО «Славянский завод высоковольтных изоляторов», на совещании 25 сентября 2017 г. рассмотрели техническую сторону вопроса разработки и освоения производства надежных конструкций опорно-стержневых изоляторов и траверс для ВЛ-10 кВ и ВЛ-20 кВ. Рассматривался вопрос разработки изоляторов и траверс в 2-х исполнениях - полимерных и фарфоровых, пригодных для использования как на ВЛ с изолированными проводами, так и на ВЛ с защищенными проводами.
Особое внимание было уделено требованиям к новым изоляторам. Рассмотрим эти вопросы.
Требование к нормированной изгибающей нагрузке. В каталогах на штыревые изоляторы ШФ-10-20 кВ и ШС-10-20 кВ указывается нормированная механическая сила на изгиб -РЬепа = 12,5 кН. Поясним обоснование величины ^Ьепа = 12,5 кН. Это важно понимать при обосновании выбора ^Ьепа. для полимерных опорно-стержневых изоляторов.
Гарантированная разрушающая нагрузка на изгиб штырей и крюков по всем проектам не превышает 3 кН, а разрушающая нагрузка на опору с тремя изоляторами - не более 8 кН. Фарфоровые изоляторы с учетом возможной разнородности сырьевых материалов (глина, каолин, песок), условий обжига, хрупкости, непрогнозируемого старения конструировались с заранее завышенными характеристиками по прочности, чтобы гарантировать при эксплуатации необходимую (2-3 кН) прочность на изгиб. При этом на практике применяющийся полиэтиленовый колпачок между штырем и фарфоровым изолятором срывается при меньших нагрузках в результате изгиба штыря: на нагрузке порядка 1,5-2 кН.
По условиям проведения испытаний штыревых фарфоровых изоляторов на механическую нагрузку, изолятор со специальным высокопрочным стержнем (сталь 40Х, диаметр у основания - 40 мм) армируют глухой заделкой с помощью цементно-песчаной связки. Только при глухой армировке со специальным стержнем, который не гнется при нагрузке 12,5 кН, удается провести испытания.
То есть, в обычных условиях узел «изолятор -нормальный штырь» не выдерживает более 3 кН, поэтому применение на промежуточных опорах изоляторов с большей разрушающей нагрузкой экономически нецелесообразно и может привести к падению самой опоры, дополнительным затратам и времени на восстановление опоры. В случае же поломки изолятора при нагрузке (например, 4 кН) меньшей, чем прочность опоры (8 кН), электроснабжение можно быстро восстановить, заменив изолятор. При этом провод в большинстве случаев не падает на землю, так как остается висеть на сломанном изоляторе, если, конечно, прекращено воздействие нагрузки (например, причиной аварии было падение дерева) [9].
В проектах на железобетонные опоры предусматриваются максимальные тяжения в следующих значениях: 2; 4; 6; 8 кН. Нужен ли полимерный изолятор на нагрузку 12,5 кН? Такой изолятор будет достаточно дорогой. Мы считаем, что для массового применения целесообразно разработать два типоразмера изолятора: на нагрузки 4 кН и 8 кН. Они вполне обеспечат надежность при действующих в эксплуатации механических нагрузках.
Требования к грозоупорности. Для удовлетворения требований по высокой грозоупорности необходимо выполнить два условия:
1. Не допустить сквозного пробоя диэлектрика при прямых ударах молнии в провод.
2. Не допустить перекрытия изоляторов при индуктированных перенапряжениях с последующим переходом искрового разряда в дуговой.
Удовлетворение этих требований позволит исключить в воздушных линиях опасных режимов ОЗЗ по причине низкой грозоупорности изоляторов.
Для исключения пробоя необходимо увеличить толщину диэлектрика в изоляционной части (детали) изолятора, а для исключения перекрытия - увеличить разрядное расстояние по поверхности (расстояние между металлическими частями по воздуху). В обоих случаях цель достигается увеличением изоляционной высоты опорно-стержневого изолятора к.
Разрядное расстояние для опорных изоляторов определяется по известному выражению [10]:
Цтр.+ = 6701*, (1)
где и1тр+ - воздействующее на изолятор импульсное напряжение от индуктированных волн при грозовом разряде (амплитудное значение), кВтах; - разрядное расстояние, м.
Амплитудные значения импульсных перенапряжений и1тр.+ имеют статистическую природу. Экспериментальные законы распределения амплитуд индуктированных перенапряжений в сетях 6-10 кВ изучались в работе [4]. В ней показано, что на уровне вероятности Р(иСЬ8) < 0,08^0,05 амплитудные значения и1тр.+ составляют 200-300 кВтах.
Подставив эти значения в формулу (1), находим, что £¡1 может быть принято в диапазоне 300-570 мм. Учитывая достаточно малую вероятность перекрытия при таких разрядных расстояниях а также коэффициент перехода импульсного перекрытия в дугу 0,5-0,7 [4], опасная в линии ситуация, связанная с возникновением ОЗЗ при индуктированных перенапряжениях, будет сведена до минимума.
Для опорно-стержневых изоляторов 6-20 кВ соотношение £¡1 равно примерно 1,2; поэтому при = 300-570 мм толщина изоляционной детали по оси изолятора составит 250-475 мм. При таких толщинах внутренний пробой изоляторов маловероятен, то есть первое условие грозоупорности также выполняется.
На основании вышеприведенных разъяснений были сформулированы основные требования к опорно-стержневым изоляторам для воздушных линий 10-20 кВ, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
Основные технические требования к опорно-стержневым изоляторам для ВЛ-10-20 кВ
Выводы.
1. Сформулированы основные технические требования к опорно-стержневым линейным изоляторам для ВЛ 10-20 кВ.
2. На ВЛ 10 кВ, расположенных в районах с повышенной грозовой деятельностью, рекомендуется при-
менять линейные опорно-стержневые изоляторы вместо штыревых. На ВЛ-20 кВ рекомендуется применять только опорно-стержневые изоляторы.
3. Применение на ВЛ-10-20 кВ опорно-стержневых изоляторов высокой грозоупорности существенно повысит электробезопасность и надежность электроснабжения потребителей.
4. Увеличенная в 2-3 раза стоимость опорно-стержневых изоляторов по сравнению с применяемыми будет компенсирована за счет эффектов от сокращения количества разрушаемых опор, ущерба от не-доотпуска электроэнергии, от трудозатрат при транспортировании и восстановлении разрушенных опор, моральной стороны от снижения несчастных случаев при поражении электрическим током в зоне аварийной ситуации.
5. Предлагаемые для ВЛ-10-20 кВ изоляторы могут быть использованы для крепления как голых так и защищённых проводов.
6. Исключение из конструкции наиболее слабых элементов - колпачков и штырей повысит надёжность силового изоляционного узла.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сантоцкий В.Г. Некоторые результаты автоматической регистрации замыканий на землю в воздушных сетях 10 кВ // 1нформацшний зб1рник шституту «Укрсшьенергопроект» «Розподшьч1 електромережЬ» - 2016. - №3-4. - С. 17-24.
2. Иерусалимов М.Е., Ильенко О.С., Козюра В.Н., Соколовский С.А. Исследование импульсных характеристик штыревых изоляторов // Техническая электродинамика. -1983. - №5. - С.3-9.
3. Сантоцкий В.Г. Об остаточной электрической прочности штыревых изоляторов 10 и 20 кВ, пробитых грозовыми импульсами, и продолжительности их пребывания в электрической сети 10 кВ под рабочим напряжением // Тезисы рабочего совещания 4-й секции научного совета по теоретическим и электрофизическим проблемам повышения надежности и долговечности изоляции сетей с изолированной нейтралью. - Таллин, 1981. - 180 с.
4. Малышева Е.П. Повышение надежности распределительных сетей от 6 до 10 кВ на основе моделирования и усиления грозоупорности: дис. канд. техн. наук. - Новосибирск, 2006.
5. Арайс Р.Ж., Стелманис И.О. Эксплуатация электрических сетей сельской местности. - М.: «Энергия», 1977. - 280 с.
6. Федосеенко Р.Я., Мельников А.Я. Эксплуатационная надежность электросетей сельскохозяйственного назначения. - М.: «Энергия», 1997. - 320 с.
7. Шерстобитов Р.М., Юндин М.А. Влияние однофазных замыканий на землю в сети ВЛ 10 кВ на надежность электроснабжения потребителей // Надежность и безопасность энергетики. - 2010. - №10. - С.63-66.
8. Номенклатура высоковольтных полимерных изоляторов. Основные линейные штыревые полимерные изоляторы для ВЛЭП 20 кВ. Каталог ЗАО «Арматурно-изоляторный завод». - Лыткарино, 2013.
9. Опорные линейные стержневые полимерные изоляторы. Режим доступа: https://elektro-montagnik.ru/lectures/part2/file/OLK.pdf.
10. Синявский В.Н. Расчет и конструирование электрокерамических изоляторов. - М.: «Энергия», 1977. - 192 с.
11. Sangkasaad S. Research and experience with new insulator technologies in Thailand // Proceeding of 2001 World insulator congress: applying new technologies for better reliability and lower costs. - Shanghai, 2001. - pp. 154-167.
Наименование показателя Фарфоровые изоляторы Полимерные изоляторы
10 кВ 20 кВ 10 кВ 20 кВ
Механическая сила на изгиб -РьякЪ кН 8 8 4 4
Разрядное расстояние 1л, мм 400 450 400 450
Испытательное напряжение грозового импульса, кВтах 280 300 280 300
Длина пути тока утечки (не менее), мм 700 700 700 700
Вероятность перекрытия при индуктированных перенапряжениях Р(и10), не более 0,08 0,075 0,05 0,075
REFERENCES
1. Santotskiy V.G. Some results of automatic detection of ground faults in 10 kV air grids. Information collection of the UkrSilEnergoProject Institute «Distribution Grids», 2016, no.3-4, pp. 17-24. (Rus).
2. Ierusalimov M.Ye., Il'yenko O.S., Kozyura V.N., Soko-lovskiy S.A. Investigation of impulse characteristics of pin insulators. Technical electrodynamics, 1983, no.5, pp. 3-9. (Rus).
3. Santotskiy V.G. On the residual electrical strength of 10 and 20 kV pin insulators, pierced by lightning impulses, and the duration of their stay in the 10 kV electric grid under operating voltage. Abstracts of the workshop of the 4th Section of the Scientific Council on Theoretical and Electrophysical Problems of Increasing the Reliability and Durability of Isolating Networks with Isolated Neutral. USSR, Tallin, 1981. 180 p. (Rus).
4. Malysheva Ye.P. Povysheniye nadezhnosti raspredeli-tel'nykh setey ot 6 do 10 kV na osnove modelirovaniya i usi-leniya grozoupornosti. Diss. cand. techn. nauk [Increase of reliability of distribution networks from 6 to 10 kV on the basis of modeling and strengthening of lightning resistance. Cand. tech. sci. diss.]. Novosibirsk, 2006. (Rus).
5. Arays R.Zh., Stelmanis I.O. Ekspluatatsiya elektricheskih setey sel'skoy mestnosti. [Operation of rural electric grids]. Moscow, Energiya Publ., 1977. 280 p. (Rus).
6. Fedoseyenko R.Ya., Melnikov A.Ya. Ekspluatatsionnaya nadezhnost elektrosetey selskokhozyaystvennogo naznacheniya. [Operational reliability of agricultural grids]. Moscow, Energiya Publ., 1997. 320 p. (Rus).
7. Sherstobitov R.M., Yundin M.A. Influence of single-phase earth faults in the 10 kV overhead line on reliability of power supply to consumers. Safety & Reliability of Power Industry, 2010, no.10, pp. 63-66. (Rus).
8. The nomenclature of high-voltage polymer insulators. The main linear pin polymer insulators for VLEP 20 kV. Catalog of ZAO «Rebar-insulator plant». Lytkarino, 2013. (Rus).
9. Supporting linear rod polymeric insulators. Available at: https://elektro-montagnik.ru/lectures/part2/file/OLK.pdf (accessed 02 May 2013). (Rus).
10. Sinyavskiy V.N. Raschet i konstruirovaniye elektrokera-micheskikh izolyatorov. [Calculation and construction of elec-troceramic insulators]. Moscow, Energiya Publ., 1977. 192 p. (Rus).
11. Sangkasaad S. Research and experience with new insulator technologies in Thailand. Proceeding of 2001 World insulator congress: applying new technologies for better reliability and lower costs. Shanghai, 2001, pp. 154-167.
Поступила (received) 10.11.2017
Шумилов Юрий Николаевич1, д.т.н., проф., Сантоцкий Виктор Григорьевич2 вед. инж., Шумилова Эмилия Дмитриевна3, к.т.н., доц.,
1 ПАО «Славянский завод высоковольтных изоляторов», 84105, Донецкая обл., Славянск, ул. Краматорская, 79, тел/phone +380 95 1813515, e-mail: sumilovurij2@gmail.com
2 Научно-проектный центр развития ОЭС Украины, 04112, Киев, ул. Дорогожицкая, 11/8,
тел/phone +380 95 2757375, e-mail: npcr-kanc@ua.energy
3 Донбасский Государственный педагогический университет, 84116, Донецкая обл., Славянск, ул. Г. Батюка, 19, e-mail: shumilov3@ukr.net
Yu.N. ShumilovV.G. Santotsky2, E.D. Shumilova3
1 PSC «Slavyansk High Voltage Insulators Works»,
79, Kramatorskaya Str., Slavyansk, Donetsk Reg., 84105, Ukraine.
2 Research & Design Center for development of the IPS of Ukraine,
11/8, Dorohozhytska Str., Kyiv, 04112, Ukraine.
3 Donbass State Pedagogical University,
19, G. Batyuka Str., Slavyansk, Donetsk Reg., 84116, Ukraine. On the need to increase the reliability of linear insulators for distribution networks 10-20 kV.
Introduction. In Ukraine high voltage overhead distribution lines (OL) of class 6 and 10 kV are the most extended. Their total length exceeds 280,000 km. More than 95% of the lines are made on line supports from reinforced concrete racks. On all poles of the overhead line, pin insulators are installed. According to the data of operation experience, up to 60-70% of single-phase earth (SPE) faults due to «insulation» occurs on VL supports due to damage to line pin insulators, mainly during the thunderstorm period. Problem. Insufficient reliability of pin insulators leads to interruptions in power supply, accidents on the line, accidents in the area of reinforced concrete poles, where in the case of insulator damages, a long process of SPE occurs. Goal. The purpose of the work is to select the design and develop requirements for new linear insulators of 10-20 kV overhead lines that provide high resistance to lightning overvoltages with direct and inductive effects of lightning. Methodology. The research methodology consists in analyzing operational experience, calculating insulator parameters and laboratory tests. Results. Using statistical data on lightning parameters and data on mechanical loads on insulators, the main dimensions of line post insulators have been determined that will ensure their reliable operation under conditions of intense thunderstorm activity and extreme ice and wind loads. Conclusions. The main technical requirements for line post insulators for 10-20 kV distribution lines were formulated. On the 10 kV OL located in areas with increased thunderstorm activity it is recommended to use line post insulators instead of pin-type ones. On the OL-20 kV it is recommended to use only line post insulators. The use of high-lightning-resistant line post insulators on OL-10-20 kV will significantly increase the electrical safety and reliability of power supply to consumers. Increased by 2-3 times the cost of line post insulators in comparison with those used will be compensated for by the effects of reducing the number of collapsible supports, damage from under-supply of electricity, labor costs during transportation and restoration of destroyed supports, the moral side of reducing accidents in case of electric shock in the emergency zone. The insulators offered for OL-10-20 kV can be used for fixing both bare and protected wires. The exclusion from the design of the weakest elements - polyethylene caps and metal pins will increase the reliability of the power isolation unit. References 11, tables 2, figures 1. Key words: overhead power line, pin insulators, line post insulators, lightning over voltages, electrical breakdown, flashover of insulator, power supply interruptions, electrical safety, reliability.
