Каждая работающая сеть — это бегущий музей поколений изоляторов. Один распределительный фидер может содержать телеграфное стекло на ответвлении, фарфоровые штыревые изоляторы на основной линии и полимерный стержневой изолятор полимерный стержневой изолятор у ворот подстанции. Мало какие элементы арматуры несут свою историю так открыто.
Именно поэтому эволюция изоляторов — это не просто история о прошлом. Запросы, поступающие в отдел заказов RaxPower, по-прежнему касаются полимерных заменителей, соответствующих размерам присоединения фарфоровых гирлянд, установленных поколения назад. Иными словами, материальная история продолжает превращаться в актуальные закупочные решения.
Почему эволюция изоляторов всё ещё видна на современных линиях
Изоляторы обслуживают внешнюю изоляцию энергосистем уже более 120 лет, и на раннем этапе эту функцию выполняли исключительно керамические и стеклянные конструкции. Каждое последующее поколение оставило после себя оборудование, с которым до сих пор сталкиваются бригады в поле. Когда линия, построенная в одном десятилетии, встречается с нагрузками, спроектированными в другом, решения по изоляторам предыдущих бригад становятся сегодня ограничивающими факторами для реконструкции.
Представьте последний столб на сельском фидере: его новая гирлянда должна стыковаться со старой муфтой, проходить мимо старой траверсы и оставаться в рамках нагрузок, рассчитанных на более лёгкую арматуру. По нашему мнению, самый быстрый способ прочитать незнакомую линию — определить, к какому поколению относится каждая гирлянда. Этот навык чтения именно то, что даёт данная история, поскольку каждая конструкция на линии отвечала на какой-то предыдущий отказ.
Телеграфное стекло: где началась изоляция линий
Первыми электрическими системами, использующими изоляторы, были телеграфные линии. Прямое крепление проводов к деревянным столбам давало очень плохие результаты, особенно во влажную погоду, поэтому отрасль своим горьким опытом усвоила первый урок о токах утечки.
Стекло стало первым стандартным решением. Изначально оно получило популярность как изоляционный материал благодаря низкой себестоимости производства и отличным диэлектрическим свойствам для цепей того времени.
Затем появились керамические изоляторы и быстро распространились. Первое массовое применение керамических электрических изоляторов occurred between 1855 and 1860, and from that point the material race between glass and ceramics never really stopped.
Фарфор захватывает лидерство по мере роста напряжения
Телеграфные линии десятилетиями опирались преимущественно на стеклянные изоляторы, однако те же стеклянные конструкции были недостаточны для высоковольтных линий электропередачи. Будучи схожими по природе с керамикой, но более прочными по конструкции, фарфор стал основным материалом для изготовления высоковольтных изоляторов.
Последовал масштаб. К 1890-м годам фарфор стал мировым стандартом для высоковольтных линий передачи благодаря своей прочности и диэлектрическим свойствам. Материал был широко доступен, процесс его производства был воспроизводим, и он десятилетиями выдерживал электрические перегрузки растущих сетей.
У фарфора также была известная слабая сторона, которая впоследствии определила всю эволюцию изоляторов. Керамические и стеклянные изоляторы легко повреждаются при транспортировке, погрузке и разгрузке, и такие повреждения могут привести к пробою при загрязнённых условиях. Те, кто ронял юбку, редко узнавал об этом до первого тумана.
Почему штыревые изоляторы уперлись в напряжение
На распределительных цепях, штыревой изолятор стал рабочей лошадкой ранней эпохи. Штыревые конструкции по-прежнему обслуживают сигналы связи и электроснабжение при напряжениях до 33 кВ, и делают это с такой простотой, которую по-прежнему ценят линейные бригады.
Выше этого диапазона концепция теряла площадь. Изоляторы, рассчитанные на рабочее напряжение от 33 кВ до 69 кВ, обычно оказываются громоздкими и становятся экономически нецелесообразными. Вся конструкция должна передавать натяжение линии через один жёсткий штырь и одну хрупкую оболочку. Линейные конструкторы поступили так же, как человек, который перестаёт носить тяжёлую ношу на одном плече: они перестали подвешивать растущее напряжение на один штырь. Любой, кто specifies эти детали сегодня, может увидеть полную анатомию в этом разъяснение штыревого изолятора.
Распределительные сети нашли промежуточный вариант до появления полимеров. Стойковый изолятор, появившийся в 1930-х годах, был более компактным, чем традиционный штыревой, и быстро вытеснил многие штыревые изоляторы на линиях до 69 кВ. Он до сих пор фиксирует фазные провода на бетонных и композитных столбах по всей карте.
Появление подвесной гирлянды с шарнирными изоляторами
Решением стала не большая штыревая конструкция, а иной путь нагрузки. Для напряжений свыше 33 кВ обычным делом стало использование подвесных изоляторов, состоящих из стеклянных или фарфоровых дисков, соединённых последовательно металлическими звеньями в гирлянду.
Фарфоровый подвесной单元 с оголовком и шпилькой превратил физику материала в натяжной элемент. Фарфор обладает высокой прочностью на сжатие, и конструкция использовала эту прочность для создания подвесного изолятора, воспринимающего натяжение, в 1909 году — конструкции, используемой до сих пор. Каждый диск добавлял путь утечки, и каждый добавленный диск увеличивал рабочее напряжение гирлянды без необходимости усиления штыря.
Концепция быстро доказала себя на знаковых линиях. Фарфоровые колоколообразные изоляторы Ohio Brass были использованы на первой высоковольтной линии передачи в Северной Америке — линии 110 кВ на Генерационной станции Ниагарского водопада. Формат гирлянды обеспечивал рост передачи с тех пор.
Закалённое стекло делает отказы видимыми
Стекло вернулось в линии передачи в более прочной форме. Колоколообразный дизайн фарфора привёл к повторному введению стекла для высоковольтных применений в качестве закалённой альтернативы фарфоровым колоколам. Процесс закалки придал стеклянной оболочке дополнительную прочность.
Его отличительная черта — диагностическая, а не дефектная. Чтобы дефектные единицы были очевидны, стеклянные диски спроектированы так, что перенапряжение вызывает пробоарковую дугу сквозь стекло, а не перекрытие. Закалённое стекло затем рассыпается, делая повреждение видимым.
Этот режим отказа с самомаркировкой изменил routine осмотров. Разрушенное стекло сохраняет достаточную механическую прочность для удержания линии, поэтому бригады могутlocate отказ и запланировать соответствующее время для замены. Разница с фарфором является ключевой: фарфоровые подвесные колокола могут выглядеть целыми, хотя внутри уже произошёл отказ. Линия из закалённого стекла эффективно сигнализирует о собственных дефектах, словно гирлянда сама подаёт отчёт о повреждениях.
Появление полимеров и уроки первого поколения
Следующий материал пришёл с уверенностью и оставил ранние шрамы. Первые некерамические изоляторы 1960-х годов были изготовлены из эпоксидной смолы, но быстро выходили из строя в условиях открытого воздуха. Промежуточная конструкция 1970-х годов использовала фарфоровые юбки на стеклопластиковом стержне, покрытом эпоксидной смолой. Вскоре появилось первое поколение современных композитных линейных изоляторов со стеклопластиковым стержнем и полимерными защищающими юбками.
Архитектура закрепилась в той, что используется и сегодня. Эти конструкции обычно состоят из центрального стержня из стеклопластика и внешней защитной оболочки из силиконового каучука или EPDM. Металлические наконечники обжимаются на стержне для его защиты — конструкция, подробно описанная в этом руководство по полимерным изоляторам. Через 12 лет исследований и разработок в области технологии полимерных изоляторов компания Hubbell выпустила свои первые полимерные изоляторы в 1976 году под брендом Ohio Brass. Эта инвестиция показала, насколько серьёзно устоявшиеся производители восприняли переход.
Ранняя эксплуатация выявила слабые интерфейсы. Единицы первого поколения страдали от слежения и эрозии материалов оболочки и юбок, что приводило к перекрытиям, а также к проникновению воды с последующим электрическим отказом. Проблемы стали настолько серьёзными, что некоторые производители решили прекратить производство. Эволюция изоляторов продолжалась именно потому, что эти уроки были заложены в следующие конструкции.
Три материалые итерации, исправившие ранние отказы
Комpozитная история лучше всего рассказывается как три поколения оборудования. Первое поколение (1967–1975) столкнулось с сильной эрозией, а также отложениями соли и грязи. Его вулканизированная при комнатной температуре резина становилась хрупкой, а пористая герметизация пропускала воду к сердечнику на торцевых крышках, вызывая гидролиз и образование азотной кислоты. Второе поколение (1975–1980) ввело HTV силикон, который был более эластичным и более устойчивым к эрозии, а также усиливающую смоляную герметизацию для сопротивления гидролизу.
Поколение 3 атаковало оставшиеся корневые причины. Конструкции заменили усиливающую смолу на метастабильный силиконовый гель и перешли со E-стекла на кислотостойкое ECR-стекло, и волокна E-CR теперь предпочтительнее благодаря их устойчивости к кислотам. Также изменились фитинги: клиновидные крышки уступили место пресс-обжимным fittings. Силиконовая резина добавила ещё одно тихое преимущество, поскольку низкомолекулярные силоксаны мигрируют на поверхность и оборачивают слой загрязнения так, что даже загрязнённые поверхности проявляют гидрофобность.
Поиск изоляторов across generations?
Независимо от того, требует ли проект полимерных стержневых изоляторов или арматуру, сохраняющую legacy strings в эксплуатации, спецификация определяет результат. Сопоставьте поколение конструкции с состоянием линии перед заказом.
Где каждое поколение изоляторов живёт сегодня
Ни одно из трёх поколений не выведено из эксплуатации, поэтому современная сеть работает на преднамеренном миксе. Полимерные изоляторы вытеснили фарфор как предпочитаемый изолятор для многих применений по всей Северной Америке и теперь составляют крупнейший сегмент отрасли. Композитные конструкции подробно описаны на современных линиях передачи. Фарфор остаётся предпочтительным материалом для подстанционных опорных изоляторов, тогда как закалённое стекло прочно удерживает позиции в подвесных гирляндах линий передачи.
Композитные конструкции несут достаточно честную оговорку, которую покупатели должны озвучивать в каждом тендере. Эти материалы пока не обладают проверенным многими десятилетиями сроком службы, как стекло и фарфор. Поэтому выбор материала определяется возрастом линии, условиями окружающей среды и культурой обслуживания, а не модой. А Сравнение трёх материалов упрощает обоснование компромиссов.
| Поколение | Внедрённый прорыв | Где оно используется сейчас |
|---|---|---|
| Стекло | Первая массовая изоляция для телеграфных и ранних электрических линий | Закалённые диски в подвесных гирляндах линий передачи |
| Фарфор | Конструкция с колпачком и штырём, воспринимающая натяжение за счёт сжатия | Подстанционные опорные изоляторы, штыревые изоляторы, устаревшие гирлянды |
| Полимерный композит | Лёгкий стеклопластиковый сердечник с гидрофобными силиконовыми юбками | Новое распределительное и передающее оборудование, загрязнённые участки |
Распределительные и передающие сети по-разному читают эту карту. Планировщик распределительных сетей видит путь от штыревого к опорному к полимерному изолятору почти на каждой опоре, тогда как инженер линий передачи видит гирлянды: стекло там, где ценятся самоиндицирующие изоляторы при осмотре, композит там, где доминируют вес и загрязнение. Взгляд на эти решения с уровня опоры описан далее в этом справочник по опорным изоляторам.
Чтение истории перед модернизацией линии
История окупается на этапе проектирования, а не в архиве. Каждый этап эволюции изоляторов оставил практические уроки для любого, кто модернизирует стареющую гирлянду. Сначала определите её поколение, ожидайте характерных для этого поколения видов отказов и учитывайте ограничения, которые оно оставляет после себя.
- Составьте карту установленного фонда по материалу и эпохе, затем ожидайте соответствующие виды отказов: скрытые пробои на старом фарфоре, разбитые диски на закалённом стекле, проблемы на стыках у полимерных изоляторов первого поколения.
- Проверяйте механическую совместимость заранее, потому что полимерный стержневой изолятор должен воспроизводить соединительный размер, класс прочности и длину пути утечки, которые обеспечивала заменяемая гирлянда.
- Спрашивайте поставщиков, к какой итерации материала относится их конструкция, поскольку сердечники из ECR-стекла, оболочки из HTV-силикона и пресс-фитинги отделяют современные конструкции от поколений, которые заработали плохую репутацию.
Именно такой разговор заказный стол RaxPower ведёт каждую неделю: история, считываемая через оборудование. Покупатель, знающий, к какому поколению относится гирлянда, также знает, какие вопросы задавать в первую очередь. Энергокомпании, хорошо различающие поколения, покупают меньше сюрпризов, а их модернизированные гирлянды вывешиваются с первой попытки, а не с третьей.
Часто задаваемые вопросы
Какие существуют три поколения линейных изоляторов?
Сначала применялись стекло и фарфор, затем закалённое стекло вновь вернулось для использования в натяжных системах, а в 1960‑х появились полимерные композитные конструкции. Все три типа до сих пор применяются на современных электросетях.
Почему штыревые изоляторы уступили место подвесным гирляндам?
Конструкции штыревых изоляторов становятся громоздкими и неэкономичными в диапазоне от 33 кВ до 69 кВ, поэтому энергоснабжающие организации перешли на подвесные изоляторы чашечно-штыревого типа, воспринимающие натяжение от опоры.
Почему закалённое стекло разбивается при эксплуатации?
Термическая обработка создаёт в стеклянной оболочке напряжения сжатия. Внутренний прокол раскалывает оболочку, делая дефект видимым с земли, при этом трос сохраняет свою механическую прочность.
Когда полимерные изоляторы впервые появились на линиях?
Некерамические варианты исполнения были впервые представлены в 1960‑х годах. Ранние эпоксидные и каучуковые устройства первого поколения быстро выходили из строя, а последовательные усовершенствования материалов в 1980‑х годах привели к созданию силиконовых вариантов, которые используются сегодня.
Изоляторы из фарфора и стекла всё ещё используются?
Да. Фарфор по-прежнему широко используется для опорных изоляторов подстанций, закалённое стекло сохраняет значительную долю в подвесных цепях линий передачи, а полимерные конструкции доминируют в новом распределительном и линии передачи оборудовании на многих рынках.