«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЩИТ» (ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР) ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ Ахметшин Э.Р.
Аннотация: в данной работе рассмотрены фарфоровые, стеклянные, полимерные изоляторы. Проведена историко-исследовательская работа: «Электрический щит» высоковольтных линий электропередач: история применения электрических изоляторов и перспективы их развития». Проведён анализ исторических работ по разработкам изоляторов электрических для высоковольтных линий электропередач и спрогнозировано: смогут ли более новые материалы постепенно вытеснить те, что применялись традиционно.
Ключевые слова: изолятор, полимерный, электрический, фарфоровый, стеклянный, щит, электропередача.
В современной энергосистеме большое внимание уделяется «электрическому щиту», электротехнической продукции, поскольку от неё в полной мере зависит бесперебойная и безопасная подача электроэнергии на различные жизненно важные объекты. Значимую функцию в процессе распределения электроэнергии и передачи выполняют «электрические щиты» (изоляторы). Электрические изоляторы деловито применяются при строительстве трансформаторных подстанций, при монтаже оборудования линий электропередач, для реконструкции железнодорожных контактных сетей и высоковольтных линий, используются для крепления и изоляции токоведущих частей и в комплексных распределительных устройствах.
В энергетике электросетевые предприятия осуществляют передачу электроэнергии повсеместно от мест её производства до потребителей по воздушным линиям электропередачи напряжением до 1150 кВ. Значимое значение имеет надежная работа самих линий электропередачи и прочего оборудования. Значительную роль играет надежность, прочность изоляции электрических систем и изоляционных устройств.
«Электрический щит» высоковольтных линий электропередачи - это электротехническое устройство, предназначенное для изолирования и предотвращения протекания электрического тока между разнопотенциальными частями электроустановки и механического крепления токоведущих частей. Конструкция электрического изолятора содержит диэлектрик и детали для его крепления (арматуру).
Ахметшин Эдуард Рауфович - студент, направление: электроэнергетика и электротехника, кафедра электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, г. Уфа
В мировой и отечественной электроэнергетике на высоковольтных линиях электропередачи на сегодняшний день по материалу применяемого диэлектрика используются три вида изоляторов: фарфоровые, стеклянные, полимерные. Каждая проекция «электрического щита» имеет свою историю и содержательный опыт эксплуатации.
Первыми изоляционными материалами использовались гуттаперча и пропитанный джут, появившиеся в результате многолетнего опыта эксплуатации телеграфных линий. В конце 80-х начале 90-х годов в качестве изоляционного материала взамен джута стали использовать пропитанную бумагу, что позволило повысить напряжение силовых кабелей с 2 до 10 кВ. Изоляция развивалась в тесном взаимодействии с научными исследованиями электроэнергетики. В соответствии со временем производились изменения конструкции изоляторов. Первоначально это были изоляторы штыревые фарфоровые и стеклянные колоколообразные, затем появились фарфорово-масляные, потом начали применяться изоляторы: двухюбочный прусской конструкции Doppelglocke (1857 г.), конструкции Pademo (Италия, 1896 г.), фарфоровой фабрики Richard Ginori (Италия, 1896 г) и изоляторы с длинными и тонкими фарфоровыми юбками типа «Дельта» (Германия, 1897 г.) [7]. Изоляторы «Дельта» оказались весьма удачными с технологическими и эксплуатационными характеристиками. Далее в 1906 году американским изобретателем Хьюлетом разработана конструкция «цепочного» подвесного изолятора [7], пригодного для промышленной эксплуатации, который позволил увеличить напряжение электропередач. 1907 - 1910 г.г. создаётся конструкция опытных подвесных изоляторов с «шапкой и стержнем» Фреда Локе (Fred Locke) и Джона Данкана (John Duncan), также тарельчатые изоляторы фирмы Ohio Brass (США) [7]. Кроме того, в 1910 году предложена конструкция трехъюбочного изолятора конструкции Faradoid (Германия) [7]. Также в 19 веке в Германии разрабатывали различные, порой весьма сложные «бесцементные» конструкции: Kugelkopf (H. Shomburg & Söhne AG, 1914), Untra (1917), V-ring, Federring (Porzellanfabrik Hermsdorf, 1919), Kegelkopf (P. Rosenthal & CO, 1922), Kugelring (1925) [7]. С распространением воздушных телеграфных и телефонных линий увеличивались требования к диэлектрическим свойствам изоляторов. В 1948 году Сименс (немецкий ученый, инженер, изобретатель) предложил конструкцию первого колоколообразного изолятора для воздушных линий связи, широко использовавшийся в Европе и Америке. Изготовление его производилось из фарфора, либо обожженной глины, или стекла.
В Россию до 30-х годов изоляторы импортировались из Германии, доминирующим поставщиком была фирма P. Rosenthal. В дальнейшем в период ГОЭЛРО отгружались «электрические щиты» (изоляторы) фирмами HESCHO [1] (Hermsdorf-Schomburg isolatoren gesellschaft, бывший KWH, Гермсдорф, Тюрингия), «Розенталь» [1] (Rosenthal & CO, Зельб, Бавария), «Норден» («Norden», Копенгаген, Дания), «Тельтов» [1] («Teltow», Тельтов близ Берлина), «Томас -Хьюлетт» («ThomasHewlett», США). Доля импорта мониторилась за пределами 50% от общего числа закупаемых изоляторов [1]. В 1931 году в России производство изоляторов достаточно хорошо было отлажено, в результате можно было отказаться от крупных зарубежных поставок [1]. В конце 60-х начале 70-х годов стало сокращаться применение фарфоровых изоляторов [1], а внедрение получило новое поколение изоляторов - стеклянных тарельчатых, значительно более легких, надежных, удобных в монтаже и эксплуатации. В 1970 году изобретают полимерные изоляторы, в 1975 году полимерный изолятор из кремнийорганической резины -композитные изоляторы из силикона. В эксплуатации их использовали только в некоторых районах. Но с конца 80-х и начала 90-х годов стали в полной мере применять полимерные изоляторы в области среднего напряжения и для электрификации железных дорог. В 1990 году в Латинской Америке в сетях внедрена технология полимерных изоляторов. Полимерные изоляторы устанавливались на
43
проблемных участках линий, проходящих вдоль морского побережья, пустынных прибрежных равнин с субтропическим климатом, высокой влажностью и малым количеством осадков. Через 10 лет появляются полимерные изоляторы нового поколения с наилучшей конструкцией, выполненные из кислотостойких стержней с применением технологии радикального сжатия с контролем деформации. На этом история «электрического щита» не заканчивается, а лишь продолжает совершенствоваться и модифицироваться с учетом устранения всех недостатков и пожеланий потребителей и эксплуатирующих предприятий.
Первые изоляторы появились из фарфора. Производство и технология их изготовления достаточно сложна и капризна. Получаются изоляторы довольно громоздкими и тяжелыми. Нормативный срок службы предусматривают — 25 лет. Фарфоровые изоляторы имеют свойство стареть, появляются микротрещины [6] и микропробои. Фарфоровые изоляторы, на отдельных линиях электропередач, построенных пятьдесят лет назад, всё ещё находятся в работоспособном состоянии. Фарфор - это материал, отличающийся особыми свойствами: твердостью, механической прочностью, термостойкостью, изменяет электрические свойства изолятора до полупроводника, с высокой коррозийной стойкостью, более устойчив к климатическим воздействиям и агрессивен к загрязнениям среды, поэтому фарфоровые «электрические щиты» используются в загрязненных районах с цементными, металлургическими и прочими предприятиями, где выбросы предполагают, кислую реакцию [4]. Фарфор - материал инертный, более химически стойкий и не разрушается. Фарфоровые изоляторы обладают отличными диэлектрическими свойствами и не меняют своих химических и физических свойств за весь период эксплуатации. Имеют низкий уровень надежности, большой вес и хрупкость, низкую ударопрочность, большие потери при перевозке и монтаже, трудоемкие при сборке гирлянд. Дорогие в производстве и обслуживании.
В России стеклянные изоляторы появились в конце шестидесятых годов двадцатого века [4]. Они легче и дешевле фарфоровых. Стекло - это технологическая основа, обеспечивающий более кратковременный цикл производства и большой объем выпуска. Любой дефект стеклянного изолятора можно обнаружить визуально и изъян одного изолятора в гирлянде не приводит к пробою электроэнергии. На сегодняшний день технология производства стеклянных «электрических щитов» полностью автоматизирована и отличается дешевизной. Стеклянные изоляторы не подвержены деформации, хорошо противостоят ультрафиолетовым лучам, не воспламеняются и не гигроскопичны. Они имеют более высокую надежность, прозрачность стекла дает возможность при визуальном осмотре выявить микротрещины и различного рода внутренние дефекты. Стеклянные изоляторы обладают высокими диэлектрическими характеристиками. Но имеют большой «бой» при перевозке и монтаже, значительные затраты на сборку гирлянд и плохую устойчивость к засорениям. В настоящее время во всём мире и в России на высоковольтных линиях электропередач применяют в основном стеклянные изоляторы.
При производстве полимерных «электрических щитов» используют особые пластмассовые массы (стеклопластиковые). Полимерные изоляторы более устойчивы к пыли и загрязнению, температурным перепадам, ударным механическим нагрузкам, влажности, имеют высокую устойчивость к поверхностным электрическим разрядам, солнечной радиации. Сохраняют высокую электрическую стойкость при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений, не требуют обмыва, чистки, деффектировки, профилактических работ. У них высокая устойчивость к проявлениям вандализма. Они имеют высокую гидрофобность, энергосбережение, низкое загрязнение изоляционной поверхности и отпадает необходимость их обслуживания. Они имеют эксплуатационную надежность, удобство и простота монтажа и транспортирования. Но у полимерных изоляторов имеются недостатки -это свойство старения, при больших температурах снижается механическая
44
прочность, применяются только в электросетях с напряжением до 220 кВ, отсутствие опыта длительной эксплуатации. При повреждении тел полимерных изоляторов значительно снижаются их диэлектрические характеристики. Доля применения полимерных изоляторов для высоковольтных линий электропередач в мировой и отечественной энергетике с каждым годом растёт [2]. Расширение применения на энергетических объектах современных полимерных изоляторов констатируется факт наличия важных их преимуществ в сравнении с традиционно применяемыми: фарфоровыми и стеклянными. В электросетях Китая в последние годы происходит существенное опережающее применение полимерных изоляторов. В 2005 году в России освоено производство полимерных изоляторов с применением новых материалов и конструктивных решений, ранее не применяемых в мире. Открытые технические решения заложили проектную основу для создания нового класса полимерных изоляторов. Сегодня на энергетических объектах эксплуатируются изоляторы трех различных современных конструкций: с полиолефиновой защитной оболочкой; кремнийорганической защитной оболочкой шашлычного типа; кремнийорганической цельнолитой защитной оболочкой.
Электрическая изоляция линий электропередач в настоящее время в России полностью оснащена изоляторами отечественного производства. Самыми распространенными изоляторами, которые используются в данный момент, являются фарфоровые и стеклянные. Изоляторы из закаленного стекла производят больше, чем фарфоровые. Да, рынок на сегодняшний день достаточно консервативен. В конце 20-го века характер применения изоляторов кардинально меняется. Южноуральский арматурно - изоляторный завод в 1994 году изобретает технологию производства нового вида изоляторов - полимерных, осваивает их выпуск, находит механизмы гарантии качества [3]. Так рождается перспективное направление производства и применения инновационного продукта, новинка рынка [4]. Сегодня насчитывается в России двадцать компаний производителей полимерных изоляторов. В энергосистемах России эксплуатируются более 250 тысяч полимерных изоляторов, что составляет 10% [2] от общего числа применяемых «электрических щитов» (изоляторов). Они нашли своё применение в районах Нечерноземья, Урала, Сибири, Дальнего Востока [3]. Привлекательными преимуществами полимерных изоляторов являются простота и удобство в монтаже и транспортировке, гидрофобность, высокая устойчивость к атмосферным выбросам, вандалоустойчивость, высокая стойкость к перенапряжениям, не поддаются старению длительное время (25 - 30 лет) [3] и имеют сниженный вес, почти на 90% по сравнению с фарфоровыми и стеклянными изоляторами. Использование полимерных «электрических щитов» существенно снижает затраты на сооружение и эксплуатацию линий электропередачи, что говорит о перспективной тенденции развития производства и внедрение в эксплуатацию в дальнейшем полимерного изолятора («электрического щита»). Сегодня в России выпускается одиннадцать типов полимерных изоляторов для линий электропередачи от 35 до 500 кВ, которые прошли типовые испытания в ВЭИ г. Москва, имеющие сертификаты соответствия Ассоциации «Энергосерт» (Росстандарт) [3]. Мировая практика показывает, что в современных условиях использование полимерной изоляции будет перспективно и в дальнейшем действительно только возрастёт.
Скорее всего, в следующем столетии полимерные изоляторы наметят тенденцию вытеснения полностью фарфоровых и частично стеклянных изоляторов. Стеклянные изоляторы будут востребованы, как минимум ещё четверть века, рынок на них будет стабильным. Полимерные изоляторы потребители приобретают только для текущего ремонта и лишь некоторые из них для строительства новых линий.
Вывод: Все изоляторы рано или поздно выходят из строя. Фарфоровые изоляторы, выработавшие свой ресурс, на высоковольтных линиях электропередач меняют на стеклянные или полимерные. Прогресс не стоит на месте, очень быстро развивается. Действительно, на сегодня рынок фарфоровых изоляторов - это история, планетарное
45
фарфоровое прошлое. На ближайшие несколько лет стеклянные изоляторы не являются перспективными. Производственные мощности в стране превышают потребности рынка в несколько раз. Выпуск полимерных изоляторов не требует огромных вложений и помещений, как при производстве фарфоровых и стеклянных. Таким образом, не смотря на имеющиеся недостатки полимерных изоляторов, хотя преимуществ гораздо больше, рынок полимерных изоляторов постепенно расширяется. В среднесрочной перспективе распространение получат именно полимерные изоляторы с защитной оболочкой из кремнийорганической смеси. Возможно, в долгосрочной перспективе полимерный изолятор будет модернизирован. Или, вообще, изобретён новый вид полимерных изоляторов наивысшего качества, способный повысить технические и технологические характеристики, увеличить технологический срок жизни и службы, учесть экологические аспекты производства и утилизации изоляторов, облегчить монтаж и удешевить затраты на содержание и эксплуатацию линий электропередачи, использовать новейшие методики обслуживания и инспекции изоляторов на линиях электропередач.
Список литературы
1. Высоковольтные линейные изоляторы в России с 1914 по 1950 годы. [Электронный ресурс], 2012. Режим доступа: https://novoklimov.io.ua/s201330/vyso kovoltnye_lineynye_izolyatory_v_rossii_s_1914_po_1950_gody/ (дата обращения: 14.12.2017).
2. Полимеры или фарфор? Выбираем изолятор. [Электронный ресурс], 2009. Режим доступа: http://www.elec.ru/articles/polimery-ili-farfor-vybiraem-izolyator/ (дата обращения: 15.12.2017).
3. Отчет о проведении маркетинговых исследований по изоляторам для воздушных линий электропередач, компания «Центр Маркетинга». [Электронный ресурс] 2016. Режим доступа: Ы1р://тагкей^62.т/?р=390/ (дата обращения: 14.12.2017).
4. Тенденции развития рынка изоляторов. [Электронный ресурс], 2016. Режим доступа: http://www.gig-group.com/newspaper/article/734/ (дата обращения 15.12.2017).
5. Какие изоляторы предпочесть? [Электронный ресурс], 2009. Режим доступа: http://aiz.su/about-us/press/kakie-izolyatory-predpochest/ (дата обращения: 12.12.2017).
6. Фарфор, полимер, стекло - кто победит? [Электронный ресурс], 2006. Режим доступа: https://www.eprussia.ru/epr/75/5217.htm/ (дата обращения: 12.12.2017).
7. Сухов Е.А. Первые высоковольтные линии электропередачи в России и за рубежом. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mosenergo-museum.ru/upload/iblock/203/20314573c302a5b5fbba53f91fbdc223.pdf/ (дата обращения: 12.12.2017).