CIRED ŠK 1-01 Podporni kompozitni izolatorji z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala 10. konferenca CIGRE-CIRED Tomaž Završnik IZOELEKTRO, d. o. o. Limbuška cesta 2, 2341 Limbuš E-mail: tomaz@izoelektro.si; tel.: 051 634 004 Jože Hrastnik IZOELEKTRO, d. o. o. Limbuška cesta 2, 2341 Limbuš E-mail: joze@izoelektro.si; tel.: 041 656 529 Povzetek Podporni izolatorji predstavljajo pomemben element pri konstruiranju ločilnikov. Referat obravnava inovacijo na podpornem kompozitnem izolatorju, ki se uporablja za vgradnjo v ločilnike. Predstavljena je konstrukcija novega podpornega kompozitnega izolatorja s priključki iz izolacijskega materiala. Dosedanji klasični podporni kompozitni izolatorji imajo priključke iz prevodnega materiala kovine. V članku so prikazane prednosti novih izolatorjev in s tem povezane prednosti ločilnikov. Line post insulator with upper and lower fitting made of insulation material 10 th conference CIGRE-CIRED Abstract Post line insulators are an important element in constructing of the switching devices. The paper deals with innovation in post line composite insulator used for the installation in switching devices. The construction of a new post line composite insulator with connections made of insulating material is presented in this article. The current post line composite insulators have connections of conductive material - metal. The paper presents the advantages of a new post line composite insulator and related benefits for switching devices. Stran 1 od 6
CIRED ŠK 1-01 I. UVOD Izolatorji so zelo pomembni elementi v elektroenergetskem sistemu na področju prenosa električne energije in tudi v stikalnih aparatih kot nosilci stikalnih elementov. Danes se v večini v stikalnih aparatih še vedno uporabljajo cikloalifatski in porcelanski izolatorji. V zadnjem obdobju porcelanske in steklene izolatorje vse bolj izpodrivajo kompozitni izolatorji, ki so se pojavili pred približno 40 leti [1]. Kompozitni izolatorji so bili najprej razviti v Nemčiji [1], kasneje pa tudi pri ostalih proizvajalcih v Angliji, Franciji, Italiji in ZDA. Prvi kompozitni izolatorji na nadzemnih vodih so bili vgrajeni leta 1967 v Nemčiji [1]. V štiridesetletni razvojni zgodovini izdelave in uporabe kompozitnih izolatorjev, so njihove vsesplošne prednosti pred klasičnimi izolatorji prepričale še tako velike zagovornike stare tehnologije, da so pričeli uporabljati kompozitne izolatorje. Glede na to, da so kompozitni izolatorji še vedno relativno novi na trgu so potrebne vedno nove izboljšave. epoksidnimi izolatorji iz cikloalifatske smole. Nadalje so zaradi prodora in cenovne sprejemljivosti in predvsem izkušenj na področju vgrajevanja kompozitnih izolatorjev v SN omrežje kot izolatorji; se je razvoj stikalnih naprav premaknil v smer podpornih kompozitnih izolatorjev PKI. Z uporabo podpornih kompozitnih izolatorjev so se še dodatno izboljšale mehanske in električne lastnosti stikalnih aparatov. Podporni kompozitni izolatorji v stikalnih napravah služijo kot izolant in mehanski vzvod med ozemljenim delom in delom pod napetostjo. Zgradba enostavnega srednjenapetostnega ločilnika: - podnožje za podporne izolatorje, - podporni kompozitni izolatorji PKI, - kontaktni noži, - iskrila - mehanizem za premikanje kontaktov, - fleksibli. II. LOČILNIKI IN LOČILNA STIKALA podnožja varovalk - SPLOŠNO Z željo po zagotavljanju kvalitetne dobave električne energije naraščajo tudi zahteve po vedno novih inovativnih tehničnih rešitvah. Kot na celotnem energetskem področju se tako tudi na področju distribucijskega srednjenapetostnega omrežja v Sloveniji pojavlja veliko število inovacij in razvojnih projektov. Med pomembnejše člene distribucijskega srednjenapetostnega omrežja spadajo stikalni aparati. Glede na velikost toka, ki ga lahko stikalni aparat vklaplja ali izklaplja in funkcijo ločimo: - odklopnike, - ločilna stikala, - ločilnike. Glede na pogon ločimo stikalne aparate na: - ročni pogon, - motorni pogon, - pogon z magnetnim aktuatorjem. Stikalni aparati so v svoji zgodovini doživeli že mnogo posodobitev, kar se je odražalo v razvoju leteh. Po večini se je v Slovenji do leta 1999 vgrajevalo v SN omrežje stikalne aparate, ki so imeli vgrajene keramične izolatorje. Zaradi teže keramičnih izolatorjev, težje montaže na terenu in cenovne nesprejemljivosti na javnih naročilih so se v letu 2000 začeli vgrajevati stikalni aparati z podpornimi Slika 1: Zgradba srednjenapetostnega ločilnika. III. KONSTRUKCIJA PODPORNIH KOMPOZITNIH IZOLATORJEV Kompozitni izolator je izdelan v enem kosu in ima razmeroma enostavno zgradbo. Glavni elementi so: - nosilno jedro, - zgornji in spodnji pritrdilni element, - zaščitna obloga (silikonski plašč), Nosilni jedro ima nosilno funkcijo in je tako bistven za mehanske lastnosti izolatorja. Pri kvalitetnejših izvedbah izolatorjev je nosilni element izolatorja izveden v obliki palice iz steklenih vlaken in posebnega polnila. Izolator z nosilnim elementom v obliki palice iz steklenih vlaken je izredno odporen na delovanje nateznih obremenitev pri čemer je nosilni element hkrati prožen in je sposoben prenašati tudi upogibne obremenitve. Stran 2 od 6
Na vsakem koncu izolatorja je v osnovi ustrezen priključni del, ki služi za pritrditev na nosilec (spodnji priključni del) oziroma vodnik (zgornji priključni del). Izolacijski plašč je pri večini znanih rešitev izveden predvsem iz keramike, porcelana ali araldita. Pri sodobnejših izvedbah pa je izolacijski plašč izveden iz silikonske gume. Električne lastnosti podpornega kompozitnega izolatorja so odvisne predvsem od izolacijskega plašča, s katerim je zaščiteno jedro. Ustrezna oblika (obroči) je pomembna zaradi dobre dielektrične zdržnosti izolatorja tudi ob neugodnih vplivih iz okolja. Izmed raznih organskih materialov, primernih za izdelavo oblog (polivretani, polietileni, teflon...), sta se uveljavila predvsem dva: - EPDM (etilen-propilen-dien monomer) in - silikonska guma. Najboljši rezultati pri do sedaj znanih konstrukcijskih rešitvah pri izdelavi kompozitnih izolatorjev se dosegajo z uporabo izolacijskega plašča iz silikonskega materiala. Nujno je, da se stik med jedrom in oblogo izdela s kemijsko spojitvijo. S tem je povezava med jedrom in oblogo trdna oz. tesna. Že sama prisotnost vmesne zračne reže povzroči delovanje ionizacije znotraj izolatorja. Če pride do vdora vlage se razmere dodatno poslabšajo in preboj je neizogiben. Izolator v obratovanju ima vsak trenutek zgornji priključni del na potencialu, ki ga določa trenutna vrednost napetosti (obratovalne ali prenapetosti), spodnji priključni del pa je na potencialu zemlje. Na lesenem stebru praviloma prečni kovinski nosilec ni ozemljen, vendar so zaradi simetrije v fazah (kapacitivnosti) razmere podobne. Tudi pri preizkušanju je zgornji priključni del pod napetostjo, spodnji pa je ozemljen. Vmes se električno polje porazdeli v odvisnosti od geometrijskih razmer (razdalja, oblika priključnih delov) in lastnosti materialov (dielektrična konstanta ε). Kovinski priključni puši lahko obravnavamo kot elektrodi iskrišča, ki zdrži določeno napetost ali pa ne. preskoka) na enoto razdalje med elektrodama d iskr konstantna. Če podvojimo d iskr, pride do preskoka na iskrišču pri dvakrat večji U 50. Vpliv geometrije iskrišča in polaritete je pomemben. Geometrijo iskrišča zajamemo s faktorjem iskrišča k iskr. Za vrednost k iskr velja približna ocena: k iskr 1 (palica na strani napetosti, plošča na ozemljeni strani), k iskr 1,5 (iskrišče palica palica), k iskr 2 (plošča na strani napetosti, palica na ozemljeni strani). Če med elektrodi vstavimo izolator, pride v določenih primerih do velikih sprememb v obnašanju iskrišča. ZGORNJI PRITRDILNI ELEMENT NOSILNO JEDRO SPODNJI PRITRDILNI ELEMENT Slika 2: Zgradba podpornega kompozitnega izolatorja brez zaščitne obloge. Predvsem velja pravilo, da se izogibamo ostrim kovinskim robovom, saj se tam električno polje močno zgosti. Ostri robovi kovinskih priključnih puš se zato zaoblijo. To velja tako za del, ki je prekrit z izolacijskim plaščem, kot tudi na zunanjem robu prehoda izolacijskega plašča na priključni del. Dobra lastnost prekrivanja dela priključnih delov z izolacijskim plaščem je, da si pri isti dolžini izolatorja zagotovimo večjo preskočno razdaljo in večjo zdržno napetost. Kovinski puši je možno obravnavati kot iskrišče. Preizkusi so pokazali, da so karakteristike iskrišč brez izolatorjev v odvisnosti od d iskr praktično premice. Drugače povedano, za vsako iskrišče je preskočna napetost U 50 (napetost s 50 % verjetnostjo Slika 3: Podporni kompozitni izolator z zgornjim in spodnjim priključkom iz izolacijskega materiala. Stran 3 od 6
IV. ELEKTRIČNE RAZMERE MED VODNIKOM IN PRITRDILNIM ELEMENTOM IZOLATORJA Vzdolž izolatorja se vzpostavi električno polje, ki pa ni homogeno, pač pa odvisno od lastnosti materialov in geometrije. Vse to vpliva na dielektrične obremenitve vzdolž izolatorja, ki rastejo z velikostjo napetosti U oziroma električnega polja E. Izolator naj bi zdržal vsaj takšne preskusne napetosti, kot jih določa standardni izolacijski nivo. Vsak material zdrži le določeno kritično električno polje E krit, nato pa popusti (ionizacija, oblok, korona). Ker električno polje ni homogeno, E na določenem mestu prekorači E krit že pri nižji napetosti, kar izzove lokalno ionizacijo in tudi prezgodnji preskok. Zgornji in spodnji kovinski puši predstavljata torej elektrodi, ki zaradi svoje oblike (in tudi ostalih karakteristik izolatorja) vplivata na preskočno napetost. Na preskočno napetost U pr iskrišča, poleg razdalje med elektrodama d iskr, vplivajo tudi mnogi pomembni dejavniki, kot so: oblika napetosti, oblika elektrod, material, iz katerega so narejene elektrode, atmosferski pogoji (temperatura, tlak, vlaga), onesnaženje iz okolja. V. PODPORNI KOMPOZITNI IZOLATOR Z ZGORNJIM IN SPODNJIM PRITRDILNIM ELEMENTOM IZ IZOLACIJSKEGA MATERIALA Za material zgornjega in spodnjega pritrdilnega elementa smo uporabili poliamid PA6 z dodatkom 30 % steklenih vlaken in je UV stabilen. Za ta material smo se odločili, ker v podjetju Izoelektro d.o.o. že 12 let uporabljamo sponko iz enakega materiala in se v času staranja zelo dobro obnaša. A. Poliamid PA 6 Material nudi optimalno kombinacijo mehanske trdnosti, trdote in žilavosti, zmožnost mehanskega dušenja in odpornost na obrabo. Te lastnosti skupaj z dobro električno izolativnostjo in dobro kemično odpornostjo dokazujejo, da je PA 6 vsestransko uporabna inženirska kvaliteta za mehansko konstruiranje in vzdrževanje. Če se mu doda 30 % steklenih vlaken, se mu poveča trdnost, togost, odpornost proti lezenju in dimenzijska stabilnost, obenem pa obdrži še odlično odpornost na obrabo. Dovoljuje tudi višje maksimalne delovne temperature. B. Izolator z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala Opisana problematika v poglavju IV. je rešena tako, da sta zgornji in spodnji priključni del izvedena iz puš iz kovinskega materiala, ki ju obdaja izolacijski material. Kovinske puše v zgornjem in spodnjem priključnem delu zagotovijo ustrezne mehanske lastnosti za pritrditev zgornjega priključnega dela na vodnik in spodnjega priključnega dela na konzolo. Izolacijski material, ki hkrati obdaja nosilni element izolatorja in kovinski puši poveča plazilno in preskočno razdaljo izolatorja. Z zagotovitvijo daljše izolirane dolžine na podpornem kompozitnem izolatorju se poveča električna prebojna trdnost izolatorja s čimer se posledično zmanjšajo izgube na izolatorju. Kovinski puši je možno pritrditi v plastična dela in ju zaliti z izolacijskim plaščem ali pa jih je možno kar enostavno zaliti z izolacijskim plaščem. Zunanja stran kovinskih puš oziroma plastičnih delov je oblikovno izvedena tako, da se ojača oprijem z silikonskim plaščem, kar je možno izvesti na primer z orebritvijo zunanje strani kovinskih puš ali plastičnih delov. Tak način izvedbe prav tako zmanjšuje porabo energije pri izdelavi podpornega kompozitnega izolatorja, saj sta kovinski puši vstavljeni v izolativni plastični material in hkrati z nosilnim elementom zalijeti s silikonskim plaščem. Zaradi nadomestitve zgornjega in spodnjega priključnega dela se hkrati zmanjša skupna teža podpornega kompozitnega izolatorja. S predstavljeno izvedbo se pri v naprej določeni dolžini podpornega kompozitnega izolatorja zagotovijo boljše električne lastnosti pri nespremenjenih mehanskih lastnostih izolatorja. Opisan kompozitni izolator sestoji iz nosilnega elementa, ki je hkrati s spodnjim in zgornjim priključnim delom zalit s silikonskim izolacijskim plaščem. Zgornji in spodnji del zaobsegata kovinski puši, ki sta lahko zaradi zagotavljanja boljše povezave s silikonskim plaščem vstavljeni v plastična dela. Takšna konstrukcija podpornega kompozitnega izolatorja, omogoča varno in trajno obratovanje pri višjih napetostih ne da bi se pojavili preboji izolatorja. Prav tako pri taki konstrukcijski rešitvi ne prihaja do električne influence med vodnikom in zgornjim priključkom izolatorja. Izolacijski plašč zalije zgornji in spodnji priključni del ter nosilni element z dobrimi mehanskimi in izolacijskimi lastnostmi v trajno zvezo tako, da jih ni več možno razstaviti, ne da bi se izolator pri tem poškodoval. Stran 4 od 6
Tak izolator omogoča višje prebojne in preskočne napetosti, kar zagotavlja nemoteno delovanje. Pri sami izvedbi se odpravijo težave z oblikovanjem zgornjega priključnega dela, ker ko smo zamenjali material zgornjega priključnega dela nimamo več iskrišč. Prav tako ne prihaja do napetosti zaradi influence med vodnikom in zgornjim priključnim delom iz izolacijskega materiala, zaradi česar se podaljša življenjska doba izolatorja in vodnika. 3 6 5 Slika 5: Zunanja zgradba podpornega kompozitnega izolatorja. Zunanja zgradba podpornega kompozitnega izolatorja z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala: - zgornji plastični del 3, - spodnji plastični del 5, - izolacijski plašč iz silikonske gume 6. Slika 4: Notranja zgradba podpornega kompozitnega izolatorja z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala. Elementi podpornega kompozitnega izolatorja z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala so sledeči: - nosilni element 1, - zgornja kovinska puša 2, - zgornji plastični del 3, - spodnja kovinska puša 4, - spodnji plastični del 5. V izvedbenem primeru je prikazan podporni kompozitni izolator, ki je sestavljen iz nosilnega elementa 1 iz steklenih vlaken in posebnega polnila, zgornje kovinske puše 2, spodnje kovinske puše 4, zgornjega plastičnega dela 3 in spodnjega plastičnega dela 5. Vsi sestavni deli so skupaj zaliti z izolacijskim plaščem iz silikonske gume 6. Zgornji plastični del 3 in spodnji plastični del 5 imata na zunanji strani rebra, zaradi zagotovitve močnejšega spoja z izolacijskim plaščem iz silikonske gume 6. Posamezni sestavni deli so tekom izdelave povezani v trajno zvezo tako, da jih ni več možno razstaviti, ne da bi se podporni kompozitni izolator pri tem poškodoval. Prednosti Predstavljena je izboljšana izvedba kompozitnega izolatorja, ki glede na do sedaj znane rešitve pri isti višini izolatorja zagotavlja: - večjo plazilno razdaljo, - večjo preskočno razdaljo, - večje električne prebojne trdnosti izolatorja, - manjše izgube izolatorja, - manjšo porabo energije pri izdelavi in - manjšo težo izolatorja in posledično stikalnega aparata. Stran 5 od 6
VI. PREIZKUŠANJA V LABORATORIJU IN MERITVE V laboratoriju podjetja Izoelektro, d.o.o. smo na izolatorjih z zgornjim pritrdilnim elementom iz električno prevodnega materiala in na izolatorjih z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz električno izolacijskega materiala naredili naslednje električne preskuse: - zdržne izmenične napetosti v suhem in - preizkus 50% atmosferske udarne preskočne napetosti v suhem. [2] J. Hrastnik: Razvoj podpornega kompozitnega izolatorja, FERI Maribor, oktober 2006. [3] J. Hrastnik: EL. SG. Analiza okvar na PIV vodnikih odcep Metnikar, junij 2005, Izoelektro d.o.o., delovno gradivo. [4] Jože Pihler: Stikalne naprave elektroenergetskega sistema, založniška dejavnost FERI, MB, maj 1999. Pri izolatorju z zgornjim in spodnjim priključkom iz izolacijskega materiala je vrednost zdržne izmenične napetosti višja za cca 7% in vrednost preskočne udarne napetosti višja za 5 %. Težo izolatorja smo zmanjšali za 50%, (na 1,29kg za en kos). VII. ZAKLJUČEK Kompozitni izolatorji imajo v primerjavi s klasičnimi (steklo, porcelan, cikloalifat) veliko prednosti. Glede na to, da so kompozitni izolatorji še vedno relativno novi na trgu so potrebne vedno nove izboljšave. V referatu je prikazan nov podporni kompozitni izolator z zgornjim in spodnjim priključnim elementom iz PA izolacijskega materiala, ki se uporablja v stikalnih napravah. Z vgradnjo opisanega kompozitnega podpornega izolatorja v stikalno napravo, smo le-tej izboljšali vzdržne električne lastnosti, višjo prebojno trdnost, daljšo preskočno razdaljo, pri daljših plazilnih razdaljah in to pri isti višini izolatorja. Zaradi manjše teže izolatorjev smo zmanjšali maso celotni stikalni napravi in tako smo tudi zmanjšali obremenitev drogov oz mesto vpetja stikalne naprave. Izolator z zgornjim in spodnjim pritrdilnim elementom iz izolacijskega materiala smo imenovali Izolator z PA priključki. REFERENCE [1] E. A. Bauer: Plastic Composite insulators to the system Rodurflex, Presentation to the IEEE Nonceramic/Composite Insulator Working group in New York, January 28, 1976. Stran 6 od 6