Izolátory se spirálovou stříškou

Izolátory se spirálovou stříškou

Krystian Leonard Chrzan, Wroclavská polytechnika,
Ústav základů elektrotechniky a elektrotechnologie

Úvod

Izolátorové tyče se spirálovou stříškou byly poprvé patentovány ve Francii v roce 1960 [1]. Zvláštní postavení mezi spirálovými izolátory mají izolátory se stříškami podobnými šroubovému závitu. Tyto izolátory byly nejprve vyráběny ve Francii, v bývalém Sovětském svazu [2] a od roku 1968 byly konstruovány i v Československu [3]. Uvedený typ izolátorů však nebyl masově používán. V České republice, na Slovensku a ve Finsku se uplatňovaly především v sítích 110 kV a v sítích elektrické trakce. Byly vyrobeny i jejich modifikace ze silikonového kaučuku pro přístrojové izolátory.

Obr. 1. Podpěrný izolátor s talířky šroubového tvaru [11]

Izolátory se spirálovou stříškou jsou v technické praxi používány více než 40 let. Výzkumem pevnosti izolátorů při jejich znečištění za provozních podmínek se odborníci nejvíce zabývali v 60. a 70. letech dvacátého století. V bývalém Sovětském svazu byla značná pozornost věnována jejich aerodynamickým vlastnostem. Důvodem bylo jejich využití na pouštních územích se zanedbatelným výskytem srážek [4], [5]. V přirozených podmínkách znečištění byly testovány v Německu [6], [7], ve Švédsku [7] a v Polsku [8]. Nejvíce laboratorních zkoušek spirálových izolátorů při umělém znečištění se uskutečnilo v Československu [9], [10].

Konstrukce spirálových izolátorů

Vzorem pro existující konstrukce izolátorů s plným jádrem se spirálovou stříškou byl podpěrný izolátor patentovaný Stoupou v roce 1929 (obr. 1) a čapkový izolátor se spirálním žlábkem na horním talířku patentovaný v roce 1932 (obr. 2). V roce 1954 patentoval Crona izolátor se šroubovým poklopem [13].

Rozdíl v konstrukci spirálových tyčových izolátorů oproti obyčejným izolátorům spočívá ve velikosti stoupání (výšce) talířku a jejich tvaru. Na talířku izolátoru CT-35 jsou dva paralelní žlábky (obr. 3a) a izolátor LPS 75 11 má žlábek jenom jeden (obr. 3c). Spirální talířky tyčových izolátorů velmi prodlužují dráhy průtoku vody a zvyšují její množství zadržené na izolátoru. Snižuje se nerovnoměrnost rozložení napětí podél dráhy spirálového izolátoru. Nerovnoměrnost rozložení napětí na izolátorech se standardními talířky je větší z důvodu velkého rozdílu mezi průměrem stříšky izolátoru a jádra [2], [8].

Obr. 2. Čapkový izolátor se šroubovým žlábkem na horním talířku [12]
Obr. 3. Konstrukce spirálových izolátorů: a, b – izolátory série CT-35 [6], c – izolátor polské výroby, typ LPZS 75/11

Izolátor Spirelec SSB 10054 je charakteristický zajímavým řešením kování čepu (obr. 4b). Při stejné montážní délce má tento izolátor větší izolační schopnost ve srovnání s izolátory s kovaným nástavcem. U těchto izolátorů se začaly projevovat konstrukční závady, a proto byly instalovány pouze v sítích o středním napětí. Na obr. 4a a 4b jsou ukázány izolátory s talířky šroubového tvaru zhotovené z epoxidové pryskyřice a silikonového kaučuku.

Výzkum

Zkoušky provedené v Československu
Laboratorní zkoušky provedené v Československu byly založeny na testování vysokonapěťových spirálových izolátorů v prostředí slané mlhy, po nanesení konstantní vrstvy slané vody a metodou flow on ucpání drážek metylcelulózou [9]. Podobně se zkoušely i podpěrné izolátory [10]. V tab. 1 jsou uvedeny výsledky zkoušek vykonávaných v komoře se slanou mlhou.

Tab. 1. Parametry zkoušených izolátorů pro vedení a výsledky zkoušek v prostředí slané mlhy [9]

Tab. 2. Konstrukční parametry podpěrných izolátorů a gradienty přeskokového napětí [10]; L – délka povrchové dráhy, H – vzdálenost kování izolátorů, izolátor č. 5 – podpěrný izolátor se spirálovou stříškou

Pro získání konstantní vrstvy byla využita suspenze ze směsi 100 g křemeliny a 10 g aerosolu na litr vody. Navlhávání izolátoru bylo zajištěno pomocí páry (steam fog). Na obr. 5 jsou charakteristiky znečištění získané způsobem konstantní vrstvy pro čtyři typy izolátorů. Na obr. 6 lze vidět charakteristiky znečištění izolátorů získané metodou flow on (to lze chápat jako metodu umělého deště, popř. umělého zkrápění slanou vodou) při použití metylcelulózy.

Přeskokové napětí se měřilo u tří podpěrných izolátorů s proměnným vyložením talířků (tab. 2, izolátory č. 1, 2 a 4), jednoho podpěrného izolátoru o stejných talířcích (tab. 2, izolátor č. 3) a jednoho podpěrného izolátoru šroubového tvaru (tab. 2, izolátor č. 5) ve slané mlze o koncentraci 40 g/l. Parametry zkoušených izolátorů a gradienty napětí jsou uvedeny v tab. 2.

Obr. 4. Izolátory spirálové: a – izolátor z epoxidové pryskyřice, b – izolátor SSB 10054, c – přístrojový izolátor se stíněním ze silikonového kaučuku

U izolátorů s talířky šroubového tvaru bylo naměřeno největší přeskokové napětí pouze při jejich znečištění metylcelulózou. Elektrická pevnost izolátorů v prostředí slané mlhy a při nanesení konstantní vrstvy znečištění je menší než u běžných izolátorů. Tyto izolátory mají velmi dobré vlastnosti pouze při značných tloušťkách jednotlivých vrstev znečištění.

Zkoušky provedené v ostatních státech
V bývalém Sovětském svazu odborníci upozorňovali na samočištění deštěm a menší kumulace znečištění spirálových izolátorů oproti standardním izolátorům s plným jádrem [4]. Porovnávací zkoušky několika typů spirálových izolátorů v aerodynamickém tunelu ukázaly, že nejmenší kumulaci znečistění vykazoval izolátor o nejmenším stoupání závitu (obr. 3b). Izolátory byly umístěny v tunelu s cementovým prachem o rychlosti proudění vzduchu 5 m/s. Po této zkoušce byly izolátory vloženy do mlhové komory. Měřil se svodový proud a přeskokové napětí (tab. 3). Referenčním izolátorem byl izolátor CT-35 s šesti klasickými stříškami stejného průměru stříšek a jader. Výška byla shodná jako u spirálových izolátorů.

Z tab. 3 vyplývá, že největší přeskokové napětí 65 kV bylo změřeno na izolátoru o nejmenším stoupání závitu, ale napětí přeskoku zbývajících spirálových izolátorů bylo mnohem menší než napětí porovnávaného izolátoru se standardními stříškami, které dosáhlo 60 kV. Výsledky ukázaly, že izolátor šroubového tvaru může mít horší vlastnosti za podmínek znečištění než izolátory se standardními stříškami.

Tab. 3. Výsledky zkoušek znečištěných spirálových izolátorů po znečištění v aerodynamickém tunelu [4]; L – délka povrchové dráhy; montážní výška izolátorů 42 cm

Tab. 4. Řada izolátorů podle výsledků zkoušek v přírodních podmínkách [7]; 5a, 5b – spirálové izolátory

V letech 1969 až1973 bylo v Německu zkoumáno osmnáct opěrných izolátorů na terénní stanici se znečištěním průmyslového typu při napětí 125 kV [6]. Vzdálenost mezi kováním izolátoru byla 107 cm. Výsledky zkoušek, jako množství registrovaných přeskoků ve funkci délky izolátoru, ukazuje obr. 7.

V této závislosti lze trojúhelníkem vytyčit izolátory č. 6, 17, 18. Bod odpovídající izolátoru šroubového tvaru leží mimo oblast tohoto trojúhelníku. Přes značnou přeskokovou dráhu tohoto izolátoru na něm byl registrován stejný počet přeskoků jako u běžných izolátorů se standardními stříškami s dvojnásobně kratšími přeskokovými dráhami.

Obr. 5. Charakteristiky znečištění izolátorů konstantní vrstvou [9]
Obr. 6. Charakteristiky znečištění izolátorů flow on při použití metyloceluózy [9]

Ve Švédsku bylo vyzkoušeno dvacet typů plnojádrových a talířových izolátorů a dva typy izolátorů šroubového tvaru, které jsou v tab. 4 označeny jako 5a a 5b (tab. 4 představuje část údajů [7]). Byly vypočítány přeskokové dráhy, při kterých je četnost přeskoků stejná pro všechny izolátory. Izolátory se šroubovými stříškami neprokázaly zvýšenou elektrickou pevnost při znečištění – s ohledem na přeskokovou vzdálenost obsadily 16. a 20. místo. Při kumulovaném znečistění zůstal izolátor 5a na čtvrtém místě.

Autorův výzkum

Autor zkoušel znečistění metodou flow on při využití suspenze 50 g kaolinu na litr vody. Konstrukční údaje a charakteristiky znečištění spirálových izolátorů (LPS 75/11, LPZS 75/15, LPZ 75/37W a VKL 75/14) jsou uvedeny v tab. 5 a na obr. 8.

Tab. 5. Charakteristiky zkoušených izolátorů: H – vzdálenost kování izolátorů, L – délka povrchové dráhy, D/d – poměr velkého a malého talířku

Tab. 6. Výsledky zkoušek ve slané mlze při koncentraci soli 14 g/l

Nerovnoměrné rozložení znečistění vrstvy způsobilo snížení přeskokového napětí. Výsledkem je snížení elektrické pevnosti znečištěných izolátorů šroubového tvaru oproti pevnosti zbývajících izolátorů (obr 8).

Byly vypočítány hodnoty přeskokového napětí a maximálního svodového proudu před přeskokem zkouškou v prostředí slané mlhy při koncentraci soli 14 g/l (sestaveno v tab. 6). V tab. 6 jsou uvedeny hodnoty výdržného napětí U_v, padesátiprocentního napětí U_50%, nejmenší a největší měřené hodnoty proudu přímo před přeskokem a hodnoty výdržného napětí děleného výškou izolační části a délky přeskokové dráhy. Izolátor se spirálovou stříškou má menší pevnost než zbývající izolátory.

Výsledky zkoušek

Uvedené výsledky zkoušek ukazují, že pevnost porcelánových izolátorů se spirálovou stříškou je menší než pevnost porcelánových izolátorů se standardní stříškou. Záměry konstruktérů omezit nerovnoměrnosti rozložení vodivosti vrstvy zůstaly nenaplněny. Tvar spirálových izolátorů umožňuje tvorbu jednotlivých výbojů v horní části izolátoru.

Obr. 7. Množství registrovaných přeskoků jako funkce přeskokové dráhy na podpěrných izolátorech; izolátor šroubového tvaru je označen číslem 2 [7]
Obr. 8. Charakteristiky znečištění izolátorů podle metody flow on [14]
Obr. 9. Výboje na izolátorech se spirálovou stříškou: a – izolátor LPS 75/11, b, c – izolátor SSB 10054

Průběh výboje u izolátoru SSB 1054 je znázorněn na obr. 9b a 9c. Po přivedení napětí se objevují malé výboje, které s časem zvětšují svoji délku. Metylocelulóza vytvořila velmi hustou hmotu, proto bylo možné mít na izolátoru vrstvy o rovnoměrné tloušťce. Pevnost šroubového izolátoru byla větší než u izolátoru se standardními stříškami.

V případě izolátoru SSB 1054 na vedeních 110 kV v České republice a na Slovensku jsou velmi vysoké hodnoty průrazného napětí povrchových drah – až 4 cm/kV. V zemích, které jsou kvalifikovány do IV. třídy znečištění, je minimální jednotková povrchová dráha větší než 3,1 cm/kV. Vedení o napětí 110 kV jsou většinou vedena přes území s malým znečištěním (I. třída), proto jsou izolace toho typu poddimenzovány. Šroubové izolátory ze silikonového kaučuku jsou v posledních letech využívány jako staniční zařízení a tvar jejich stříšek je jiný než u porcelánových šroubových izolátorů. Stříšky mají prostou geometrii bez žlábků (obr. 4a, 4c).

Závěr

Zkoušky pevnosti při znečištění spirálových izolátorů v přírodních i v laboratorních podmínkách prokázaly, že přeskokové napětí je menší než u izolátorů se standardním talířkem.

Malá pevnost izolátorů se spirálovou stříškou je způsobena tvořením slabší vrstvy znečištění v horní části izolátorů.

Pevnost při znečištění spirálových izolátorů je možné zvětšit modifikací tvaru izolátorů.

Shrnutí

Tento článek se zabývá vlivem znečištění izolátorů se spirálovou stříškou na jejich elektrickou pevnost. Shrnuje výsledky zkoušek provedených v přírodních i v laboratorních podmínkách, včetně vlastního výzkumu autora. Získané poznatky ukazují, že elektrická pevnost znečištěných spirálových izolátorů je menší než u izolátorů se standardními tvary stříšek. Příčinou klesání elektrické pevnosti izolátorů se spirálovou stříškou je nestejnoměrné rozložení povrchové vodivosti a vznik jednotlivých elektrických výbojů.

Poděkování
Výzkum izolátorů v komoře se slanou mlhou byl proveden v laboratoři vysokých napětí EGÚ v Praze díky vstřícnosti Ing. Jaroslava Vokálka a Ing. Václava Skleničky.
Překlad článku a odborná korektura: Jan Mikeš, doc. Ing. Vladislav Kvasnička, CSc., ČVUT FEL Praha