Високовольтний ізолятор (варіанти) та високовольтна лінія електропередач, у якій використано такий ізолятор

Реферат: Високовольтний ізолятор для кріплення високовольтного проводу в електроустаткуванні або на лінії електропередач включає ізоляційне тіло, перший кінець якого призначений для механічного з'єднання з високовольтним проводом та/або з його кріпильним засобом, до другого кінця якого прикріплена металева арматура для закріплення ізолятора на опорі. Для надання ізолятору властивостей грозозахисного пристрою він додатково обладнаний мультиелектродною системою (МЕС), що складається з m електродів, механічно зв'язаних з ізоляційним тілом та розміщених між його кінцями. Електроди встановлені з можливістю формування електричного розряду між суміжними електродами, між електродом, суміжним з першим кінцем ізоляційного тіла та високовольтним проводом або його кріпильною арматурою, а також між електродом, суміжним з другим кінцем ізоляційного тіла, та металевою арматурою, з'єднаною з опорою. Ізолятор обладнаний засобами компенсації скорочення довжини шляху витоку ізолятора, внесеного МЕС. Лінія електропередач, у якій використано подібні ізолятори, не потребує застосування грозозахисних розрядників. UA 98222 C2 (12) UA 98222 C2 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід, що пропонується, стосується високовольтних ізоляторів, за допомогою яких можуть закріплюватися провода або ошиновка високовольтних пристроїв, а також високовольтних ліній електропередач та електричних мереж. Винахід також стосується високовольтних ліній електропередач (ВЛЕ), що використовують подібні ізолятори. Відомий високовольтний опорний ізолятор, який складається з ізоляційного (порцелянового) ребристого тіла та металевих фланців, встановлених на його кінцях для кріплення ізолятора до високовольтного електрода та до опорної конструкції (див. Техника высоких напряжений / Под ред. Д.В. Разевига - М.: Энергия, 1976, с. 78). Недоліком відомого ізолятора є те, що при грозовій перенапрузі відбувається перекриття повітряного проміжку між металевими фланцями, після чого це перекриття під дією напруги промислової частоти, прикладеної до високовольтного електрода, перетворюється у силову дугу промислової частоти, яка може пошкодити ізолятор. Відоме технічне рішення, що дозволяє захистити описаний вище ізолятор від дуги. Він полягає у використанні так званих захисних проміжків (див. Техника високих напряжений / Под ред. Д.В. Разевига - М.: Энергия, 1976, с. 287), які виконані з використанням металевих стрижнів, встановлених електрично паралельно до ізолятора та утворюють між собою іскровий повітряний проміжок. Довжина проміжку менша за шлях витоку по поверхні ізолятора, та менша за шлях перекриття його у повітрі. Тому під дією перенапруги перекривається не ізолятор, а повітряний проміжок між стрижнями, і дуга супровідного струму промислової частоти горить на стрижнях, а не на ізоляторі. Недоліком ізолятора із захисним проміжком є те, що в результаті його спрацьовування утворюється коротке замикання у мережі, що вимагає екстреного відключення високовольтного пристрою, який включає зазначений ізолятор. Відома також гірлянда з двох ізоляторів, яка відрізняється від описаного вище ізолятора тим, що між першим та другим ізоляторами, на металевих накінцівниках яких встановлені дугозахисні стрижні, розміщений третій стрижневий проміжний електрод, встановлений на металевій зчіпній арматурі між ізоляторами (див., наприклад, патент США № 4665460, Н01Т004/02, 1987). Таким чином, у відомій гірлянді замість одного повітряного іскрового проміжку створені два такі проміжки. Завдяки цьому вдалося трохи збільшити дугогасну здатність гірлянди ізоляторів з дугозахисними стрижнями та забезпечити гасіння невеликих (порядку десятків ампер) супроводжувальних струмів при однофазних замиканнях на землю. Однак цей пристрій не може відключати струми, більші за 100 А, які звичайно виникають при дво- та трифазних замиканнях на землю при грозових перенапругах. Найближчим до винаходу за технічною суттю є ізолятор з циліндричним ізоляційним тілом та спіральними (спіралеподібними) ребрами. На кінцях ізоляційного тіла прикріплені перший та другий металеві електроди, а усередині ізоляційного тіла встановлений напрямний електрод. У цього електрода в середній частині циліндричного тіла є металевий виступ, що виходить на поверхню ізоляційного тіла та виконує функцію проміжного електрода (див. патент РФ № 2107963, Н01B17/14, 1998). У такому ізоляторі при грозовій перенапрузі розряд розвивається поверхнею циліндричного ізоляційного тіла по спіральній траєкторії від першого основного електрода через проміжний електрод до другого основного електрода. Завдяки збільшеній довжині перекриття дуга від напруги промислової частоти не утворюється, і електропристрій, до складу якого входить ізолятор, може продовжувати роботу без відключення. Таким чином, даний ізолятор, на додаток до своєї основної функції, виконує також функцію грозозахисту, тобто служить грозовим розрядником. Однак відомий ізолятор як пристрій грозозахисту має обмежену ефективність, оскільки у випадку сильного забруднення та зволоження, а також при великих перенапругах (понад 200 кВ) розряд розвивається не за довгою спіраллю, а за короткою траєкторією, пробиваючи повітряні проміжки між ребрами. При цьому ізолятор втрачає свої властивості грозового розрядника, оскільки, як і у звичайному ізоляторі, після перекриття в ньому утворюється силова дуга. З іншого боку, металевий виступ, що знаходиться у центральній частині ізоляційного тіла, зменшує довжину шляху витоку і, таким чином, знижує допустиму напругу, при якій може застосовуватися даний ізолятор. Таким чином, його ефективність як ізолятора теж обмежена. Відомі також ВЛЕ, у яких використовують високовольтні ізолятори для кріплення проводів до опор у комбінації з пристроями грозозахисту даних ізоляторів (див., наприклад, патент РФ № 2248079, Н02Н9/06, 2005, який належить заявникові даного винаходу). Відомі, зокрема, ВЛЕ, у яких пристрій грозозахисту виконаний у формі різних іскрових розрядників, що приєднуються паралельно до ізоляторів (див., наприклад, US 5283709, Н02Н001/00, 1994 та RU 2002126810, Н02Н9/06, 2004). 1 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як найближчий аналог технічного рішення, що пропонується, може бути вибрана ВЛЕ, описана у патенті РФ № 2096882, H02G7/00, 1997, що належить заявникові даного винаходу. Дана ВЛЕ включає опори, ізолятори, закріплені на опорах за допомогою металевої арматури, щонайменше, один провід, що перебуває під високою електричною напругою, з'єднаний з ізоляторами за допомогою кріпильних засобів, і засоби захисту ізоляторів від грозових перенапруг у вигляді імпульсних іскрових розрядників. Хоча при правильному доборі імпульсних іскрових розрядників та схеми їх підключення відома ВЛЕ забезпечує високу надійність грозозахисту, необхідність використання великої кількості іскрових розрядників істотно ускладнює її конструкцію, а також вимагає значних витрат на виготовлення та монтаж таких розрядників. Розкриття винаходу Перша технічна задача, яку вирішує даний винахід, полягає у створенні високовольтного ізолятора, що має невисоку вартість виробництва та експлуатації, здатного надійно та ефективно виконувати функції як власне ізолятора, так і грозового розрядника. Це дозволить використовувати ізолятор за винаходом для кріплення елементів електропередач, що перебувають під високою напругою, наприклад, проводів ВЛЕ, підстанцій, та іншого електроустаткування. Відповідно, інша задача, на рішення якої спрямований винахід, полягає у розробці високовольтної лінії електропередач (ВЛЕ), що має поліпшені техніко-економічні характеристики, а саме, високу надійність роботи, у тому числі в умовах грозових перенапруг, при більшій простоті конструкції (і відповідно, меншій вартості) у порівнянні з відомими ВЛЕ. «Технічним результатом», що досягається, є також підвищення надійності електропередач. З метою рішення першої задачі пропонується перший основний варіант здійснення високовольтного ізолятора для кріплення, одиночним ізолятором або у складі колонки чи гірлянди ізоляторів, високовольтного проводу в електроустаткуванні або на лінії електропередач, що включає ізоляційне тіло й арматуру у вигляді встановлених на його кінцях першого та другого елементів арматури. Перший елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання, безпосередньо чи за допомогою кріпильного пристрою, з високовольтним проводом або з другим елементом арматури попереднього високовольтного ізолятора колонки або гірлянди ізоляторів. Другий елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання з опорою або з першим елементом арматури наступного високовольтного ізолятора колонки або гірлянди ізоляторів. Ізолятор за винаходом характеризується тим, що додатково включає мультиелектродну систему (МЕС), що складається з m (m  5) електродів, механічно зв'язаних з ізоляційним тілом. Електроди МЕС розміщені між кінцями ізоляційного тіла з можливістю формування, під дією грозової перенапруги, електричного розряду між першим елементом арматури та суміжним (суміжними) з ним електродом (електродами), між суміжними електродами, а також між другим елементом арматури та суміжним (суміжними) з ним електродом (електродами). Відстані між суміжними електродами МЕС, тобто довжини g іскрових розрядних проміжків вибираються з урахуванням необхідного значення напруги пробою цих проміжків. Вони можуть знаходитися у діапазоні від 0,5 мм до 20 мм, залежно від класу напруги ізолятора та його призначення, а також від того, які перенапруги передбачається обмежувати: індуковані або від прямого удару блискавки. Для широкого кола застосування розрядника за винаходом краще значення g становить кілька міліметрів. Кількість m електродів МЕС визначається з урахуванням ряду факторів, у тому числі класу напруги ізолятора та його призначення, а також того, які перенапруги передбачається обмежувати, якими є сила струму в супровідній дузі та умови її гасіння (ці умови розглянуті, наприклад, у патенті РФ № 2299508, Н02Н3/22, 2007). Як буде показано далі, мінімальну кількість електродів доцільно обрати рівною 5, тоді як при високих значеннях струму в дузі кількість електродів може становити у ізоляторі за винаходом 200 та більше. Однак (як це має бути очевидно фахівцям у даній галузі) встановлення в ізолятор великої кількості електродів призведе до істотного зменшення сумарної довжини шляху витоку ізолятора. Як наслідок, відбудеться значне погіршення його ізоляційних властивостей, зокрема, зменшиться допустима напруга, при якій він може застосовуватися. Для того, щоб уникнути небажаних наслідків введення МЕС з великою кількістю електродів, пропонується додатково обладнати ізолятор засобами компенсації скорочення довжини шляху витоку ізолятора, що вноситься МЕС. Засоби компенсації у кращому випадку виконані з можливістю забезпечення довжини шляху витоку по поверхні ізоляції, щонайменше, між частиною електродів (які утворюють k пар суміжних електродів, де 3km-l), що перевищує довжину повітряного розрядного проміжку між цими електродами та довжину одного із 2 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зазначених електродів. При цьому в рамках даного винаходу пропонуються різні варіанти виконання засобів компенсації. Вибір конкретного значення k, а також конкретного варіанта цих засобів слід робити залежно від конкретних умов функціонування ізолятора за винаходом та від типу використовуваного високовольтного ізолятора. Так, відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу, електроди виконані Т-подібними. Інакше кажучи, кожен електрод забезпечений вузькою ніжкою, за допомогою якої він прикріплений до ізоляційного тіла, та широкою поперечиною, орієнтованою у напрямку суміжного електрода. У цьому варіанті засоби компенсації утворені ділянками ізоляційного тіла, поміщеними між ніжками електродів, та повітряними зазорами. В альтернативному варіанті електроди розміщені усередині ізолятора. При цьому засоби компенсації виконані у вигляді шару матеріалу ізолятора, що відокремлює електроди від поверхні цього тіла, та прорізів, що виходять на поверхню ізолятора (наприклад, у формі щілин чи круглих отворів), виконаних між суміжними електродами. Для збільшення довжини шляху витоку по поверхні ізоляції між суміжними електродами глибину кожного прорізу доцільно вибирати такою, щоб вона перевищувала глибину розміщення електродів. З цією ж метою відстані між протилежними сторонами ділянок прорізів, розміщених глибше електродів, доцільно вибирати такими, що перевищують ширину прорізів у поверхні ізоляційного тіла, тобто, надати прорізам фігурної форми. Альтернативно, засоби компенсації можуть бути виконані у вигляді розміщеного на поверхні ізолятора (зокрема, на поверхні ізоляційного тіла), щонайменше одного ізоляційного елемента. При цьому єдиний ізоляційний елемент або сукупність ізоляційних елементів розміщений (розміщена) таким чином, щоб просторово відокремити електроди від поверхні ізолятора. В одному з варіантів на кожному ізоляційному елементі встановлено по одному електроду, тобто ізоляційні елементи у цьому варіанті мають вигляд виступів, причому їх кількість дорівнює m. При цьому один чи декілька (у загальному випадку n, n  1) ізоляційних елементів можуть бути виконані у вигляді спіральних ізоляційних ребер, що виступають з поверхні ізоляційного тіла. При цьому електроди можуть бути встановлені на одному чи декількох ізоляційних ребрах та/або на інших (окремих) m ізоляційних елементах (по одному електроду на ізоляційний елемент). У цьому варіанті максимальна загальна кількість ізоляційних елементів складе m + n. При використанні для встановлення електродів одного чи декількох спіральних ізоляційних ребер електроди встановлюються на торцевій поверхні (торцевих поверхнях) одного або декількох ізоляційних ребер. У даному варіанті між кожною парою електродів в ізоляційному ребрі краще мають бути виконані прорізи. Винахід може бути реалізований з ізоляторами різних типів, у тому числі такими, що використовують ізоляційне тіло, по суті, циліндричної форми, або мають вигляд конусоподібної чи плоскої тарілки. Якщо у ізоляторі за винаходом з ізоляційним тілом у вигляді плоскої тарілки є, щонайменше, одне ізоляційне ребро, воно може бути виконане виступним з нижньої поверхні тарілки. Для рішення першої задачі також пропонується другий основний варіант здійснення високовольтного ізолятора для кріплення, одиночним ізолятором або у складі колонки чи гірлянди ізоляторів, високовольтного проводу в електроустаткуванні або на лінії електропередач. Ізолятор включає ізоляційне тіло та арматуру у вигляді встановлених на його кінцях першого та другого елементів арматури. Перший елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання, безпосередньо чи за допомогою кріпильного пристрою, з високовольтним проводом або з другим елементом арматури попереднього високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди, а другий елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання з опорою або з першим елементом арматури наступного високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди. Ізолятор за винаходом характеризується тим, що включає також мультиелектродну систему (МЕС) з m (m  5) електродів, механічно зв'язаних з ізоляційним тілом та розміщених з можливістю формування електричного розряду між суміжними електродами МЕС. МЕС розміщена на еквіпотенціальній лінії або еквіпотенціальних лініях електричного поля промислової частоти, у якому працює ізолятор, перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора. При цьому ізолятор додатково включає перший та другий підвідні електроди. Кожен з першого та другого підвідних електродів відокремлений повітряним проміжком від ізоляційного тіла і одним кінцем зв'язаний гальванічно або через повітряний проміжок відповідно з першим та другим елементами арматури, а другим кінцем - через повітряний проміжок, відповідно, з першим та другим кінцями МЕС. При перенапрузі перший підвідний електрод забезпечує подачу високого потенціалу на один кінець МЕС (тобто на один з її крайніх електродів), а другий підвідний електрод забезпечує подачу низького потенціалу на інший кінець МЕС. 3 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Розміщення МЕС перпендикулярно до вектора напруженості електричного поля промислової частоти, тобто перпендикулярно траєкторії шляху витоку ізолятора, практично не зменшує довжину шляху витоку. Тому не потрібні засоби компенсації втрати довжини шляхи витоку внаслідок встановлення МЕС, завдяки чому забезпечується низька вартість ізолятора при забезпеченні високої надійності його функціонування і як ізолятора, і як грозового розрядника. Якщо ізолятор має конусоподібне ізоляційне тіло, МЕС слід розташувати на торцевій поверхні даного тіла. Якщо ж використовується тарілчастий ізолятор з концентричними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла, МЕС також може бути встановлена на зовнішньому периметрі ізоляційного тіла, однак, краще розмістити її на торцевій поверхні одного з ребер цього тіла. В альтернативному варіанті виконання ізолятора МЕС складається зі, щонайменше, двох відрізків, розміщених, щонайменше, на двох зазначених еквіпотенціальних лініях, взаємно зміщеними перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора. Дані відрізки сполучені за допомогою сполучних електродів, які виконані на кінцях зазначених відрізків, не зв'язаних з елементами арматури, і попарно зв'язані між собою гальванічно або через повітряний проміжок. Для реалізації даного варіанта також можна використовувати ізолятор з конусоподібним ізоляційним тілом. Однак кращим у цьому випадку здається застосування тарілчастого ізолятора з концентричними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла. У цьому випадку кожен відрізок МЕС може бути розміщений на торцевій поверхні одного з концентричних ребер. З метою рішення другої задачі пропонується високовольтна лінія електропередач (ВЛЕ), що включає опори, одиночні ізолятори та/або ізолятори, зібрані в колонки або гірлянди, і, щонайменше, один провід, що перебуває під високою електричною напругою, зв'язаний безпосередньо або за допомогою кріпильних засобів з елементами арматури одиночних ізоляторів та/або перших ізоляторів колонок або гірлянд ізоляторів. При цьому, щонайменше, один з ізоляторів ВЛЕ є ізолятором за винаходом, виконаним відповідно до будь-якого з вищеописаних варіантів. Таким чином, зазначений технічний результат (підвищення надійності лінії електропередач при спрощенні її конструкції) досягається завдяки тому, що щонайменше один ізолятор ВЛЕ (а краще, щонайменше один ізолятор на кожній опорі ВЛЕ) виконує, на додаток до своєї основної функції, функцію грозозахисту, тобто не вимагає використання сумісно з ним грозового розрядника. Винахід, що заявляється, ілюструється кресленнями, де: на фіг. 1 у поздовжньому перерізі показаний перший варіант ізолятора зі спіральним ребром та з вмонтованими в нього електродами у вигляді металевих Т-подібних пластин; на фіг. 2 ізолятор за фіг. 1 показаний у поперечному перерізі; на фіг. 3 у поздовжньому перерізі показаний другий варіант ізолятора зі спіральним ребром і з вмонтованими в нього електродами у вигляді відрізків металевих циліндрів; на фіг. 4 ізолятор за фіг. 3 показаний у поперечному перерізі; на фіг. 5 у перерізі, на виді зверху, в збільшеному масштабі показаний фрагмент варіанта спірального ребра ізолятора за фіг. 3, 4; на фіг. 6 у перерізі, на виді зверху, в збільшеному масштабі показаний фрагмент іншого варіанта спірального ребра ізолятора за фіг. 3, 4; на фіг. 7 на виді спереду показаний штировий ізолятор, на поверхні ізоляційного тіла якого встановлені ізоляційні елементи; на фіг. 8 показаний фрагмент ізолятора за фіг. 7 у криволінійному перерізі, що проходить крізь електроди; на фіг. 9 на виді спереду, частково у перерізі, показаний тарілчастий ізолятор зі спіральними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла; на фіг. 10 ізолятор за фіг. 9 показаний на виді знизу; на фіг. 11 на виді спереду, у перерізі, показаний фрагмент ізолятора за фіг. 9 і 10; на фіг. 12 на виді знизу показаний той же фрагмент, що й на фіг. 11; на фіг. 13 показаний конусний ізолятор із проміжними електродами, встановленими по окружності на торцеву поверхню ізоляційного ребра; на фіг. 14 ізолятор за фіг. 13 показаний на виді знизу; на фіг. 15 у перспективній проекції показаний фрагмент гірлянди ВЛЕ з ізоляторами за винаходом; на фіг. 16 на виді спереду, частково у перерізі, показаний тарілчастий ізолятор з концентричними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла; на фіг. 17 ізолятор за фіг. 16 показаний на виді знизу; 4 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 на фіг. 18 схематично показаний фрагмент ВЛЕ за винаходом, на фіг. 19 схематично показаний фрагмент ВЛЕ за винаходом. Як показано на фіг. 1, 2, для фіксації високовольтного (перебуваючого під високою напругою) проводу 1, який входить, наприклад, до складу ВЛЕ (такого типу, як показана на фіг. 18), може бути використаний одиночний опорний циліндричний ізолятор 100, що включає циліндричне ізоляційне тіло 2 зі спіральним ізоляційним ребром 3, виконане із твердого діелектрика, наприклад, з порцеляни. За допомогою металевої арматури, що складається з першого (верхнього) елемента арматури (не показаний) та другого (нижнього) елемента 15 арматури, він з'єднаний, відповідно, з високовольтним проводом 1 та з провідною заземленою опорою 16 (див. фіг. 18). Відповідно до першого основного варіанту винаходу ізолятор додатково включає мультиелектродну систему (МЕС), яка складається з m електродів 5. Мінімальне значення m доцільно задати за аналогією з розрядником довго-іскрового петльового типу на 10 кВ (РДІП10), виконаним відповідно до патенту РФ № 2299508, Н02Н3/22, 2007 (тобто, таким, що використовує МЕС), що набув широкого застосування у високовольтних лініях електропередач. Досвід експлуатації РДІП-10 показав, що він є здатним ефективно виконувати грозозахисні функції за умови використання у складі МЕС не менше 15 проміжних електродів. При цьому гасіння дуги відбувається при першому переході супровідного струму через нуль. Відповідно, з урахуванням того, що ізолятор за винаходом розрахований на застосування у мережах від 3 кВ та вище, значення m для нього повинне бути не меншим 5. У даному, першому, варіанті виконання ізолятора за винаходом електроди 5 закріплені у торцевій поверхні спірального ребра 3. Як було зазначено вище, відстані між суміжними електродами 5, тобто довжини g іскрових розрядних проміжків, можуть лежати в інтервалі від 0,5 мм до 20 мм, краще, становлячи декілька міліметрів. При високих імпульсних розрядних напругах (близько 100 кВ та більших), що можуть бути прикладені до ізолятора при грозовій перенапрузі, а також при необхідності гасіння каналу розряду безпосередньо після закінчення грозового імпульсу, тобто практично без супровідного струму промислової частоти, необхідна кількість m електродів 5 може становити сто та більше. Розміщення крайніх (першого та останнього) електродів 5 МЕС у кращому випадку вибирається таким чином, щоб довжини іскрових розрядних проміжків між кожним з цих електродів та суміжними з ним першим або другим елементами арматури також дорівнювали або були близькі до g. При дії на провід 1 грозової перенапруги достатньої величини перекривається повітряний проміжок між першим (не зображеним) елементом арматури, з'єднаним з проводом 1 (або з його кріпильним засобом 17) та найближчим до нього першим електродом 5, а потім розряд розвивається каскадно, тобто послідовно пробиваючи іскрові розрядні проміжки між суміжними електродами 5, поки не дійде до другого елемента 15 арматури, з'єднаного із заземленою опорою 16. Таким чином, провід 1 виявляється з'єднаним із заземленою опорою 16 каналом, що складається з відрізка каналу між першим елементом арматури, з'єднаного з високовольтним проводом 1 та першим електродом 5, множини дрібних відрізків каналу між електродами 5 та відрізка каналу між останнім електродом 5 та другим елементом 15 арматури, з'єднаним з опорою 16. Поблизу до негативно заряджених поверхонь електродів виникає так званий катодний спад напруги, що становить 50-100 В. У звичайних розрядних системах, що складаються з двох електродів (катода й анода), ефект катодного спада напруги невідчутний, тому що розрядні напруги становлять кіловольти. Внаслідок того, що в ізоляторі за винаходом число електродів досить велике (наприклад, для класу напруги 10 кВ при гасінні розряду без супровідного струму промислової частоти воно становить порядка 100), сумарний ефект від катодного спада напруги відіграє істотну роль. У цьому випадку основний спад напруги при розряді в маленьких проміжках між електродами припадає на прикатодну область. Також у ній виділяється більша частина загальної енергії, виділюваної каналом розряду між електродами. При цьому електроди нагріваються й тим самим охолоджують канал розряду. Після проходження струму грозової перенапруги канал швидко остигає, і його опір збільшується. Після закінчення імпульсу грозової перенапруги на ізолятор продовжує діяти напруга промислової частоти. Однак внаслідок великого сумарного опору каналу 6 розряд не може самостійно існувати й гасне. ВЛЕ, до якої входять ізолятори за винаходом, продовжує роботу без відключення. Таким чином, високовольтний ізолятор за винаходом з високою ефективністю реалізує функцію грозозахисту, виконувану у відомих ВЛЕ окремими пристроями грозозахисту, що підключаються до кожного ізолятора. Для того щоб ізолятор згідно до винаходу надійно виконував і свою основну, ізоляційну функцію під тривалою дією напруги промислової частоти в умовах забруднення та зволоження, 5 UA 98222 C2 5 10 15 20 Правилами побудови електроустановок (ППЕ) нормується питома ефективна довжина шляху витоку (відношення ефективної довжини шляху витоку ізолятора або гірлянди (колонки) ізоляторів, при якому забезпечується їх надійна робота, до найбільшої лінійної тривалоприпустимої напруги. Uприп). Значення нормованої питомої ефективної довжини шляху витоку підтримуючих гірлянд ВЛЕ 6-750 кВ та штирових ізоляторів на металевих опорах залежать від типу й класу лінії (а також від ступеню забруднення атмосфери) та знаходяться у діапазоні Іnum=1,4-4,2 см/кВ (див. Кучинский Г.С. и др. Изоляция установок високого напряжения - М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 145). Таким чином, значення сумарної довжини L шляху витоку між проводом І та заземленим (тобто з'єднаним із заземленою опорою) елементом 15 арматури ізолятора повинне бути не меншим визначеного формулою: (1) L= Uприп Іnum Сумарна довжина шляху витоку складається з довжини шляху витоку між першим елементом арматури ізолятора, з'єднаним з проводом 1 (або з його кріпильним засобом 17), та найближчим до нього електродом 5, lвиm.l, довжини шляху витоку між m електродами 5 (m-1) lвиm.0, (де lвиm.0 - довжина витоку між сусідніми електродами 5, див. фіг. 1 і 2) та довжини шляху витоку між останнім електродом 5 та заземленим другим елементом 15 арматури, lвиm.m. Якщо lвиm.l = lвиm.0 = lвиm.m, то (1) можна записати у вигляді: (m+1) lвиm.0= Uприп (2) Іnum Як вже згадувалося, кількість m електродів визначається умовою гасіння супровідного струму. При відомому m мінімально припустиму довжину шляху витоку між двома сусідніми проміжними електродами lвиm.0 можна визначити з (2) за формулою: lвum.0  25 30 35 40 45 50 55 Unpun  lnum (m  1) . (3) Як видно з (3), lвиm.0 визначається максимально припустимою робочою напругою мережі Unpun, нормованою питомою ефективною довжиною шляху витоку lnum та кількістю електродів m. Довжина шляху витоку ізолятора за спіральною траєкторією, що проходить по торцевій поверхні ізоляційного ребра 3 відомого ізолятора, більша, ніж найменша довжина шляху витоку від проводу 1 до другого елемента 15 арматури, що проходить за спіральною траєкторією по циліндричному ізоляційному тілу 2. Однак встановлення електродів 5 МЕС на торцеву поверхню ребра 3 у ізоляторі 100 за винаходом зменшує довжину шляху витоку за спіральною траєкторією, що проходить по торцевій поверхні ребра. Тому при великій кількості електродів 5 цей шлях витоку може стати меншим за зазначену найменшу довжину шляху витоку. З формули (3) видно, що у цьому випадку відбудеться зменшення максимальної припустимої напруги Unpun, тобто погіршення ізоляційних властивостей ізолятора 100. Щоб цього не відбулося, частинам електродів 5, що виступають з ребра 3, у кращому випадку надана Т-подібна форма, тобто кожен з них має вузьку ніжку 4, за допомогою якої він прикріплений до ребра 3 ізоляційного тіла 2, і широку поперечину 8. Таким чином, у даному варіанті високовольтного ізолятора за винаходом засоби компенсації скорочення довжини шляху витоку ізолятора, внесеного МЕС, утворені ділянками спірального ребра 3 ізоляційного тіла 2 та повітряними зазорами між ніжками 4 електродів 5. Крім того, завдяки тому, що ніжки 4 електродів зроблені вузькими, вони незначно скорочують загальну ізоляційну довжину спірального ребра 3. При описаному виконанні електродів 5 МЕС довжина lвиm.0 шляху витоку між суміжними електродами 5 (див. фіг. 2) перевищує довжину g іскрового розрядного проміжку. Отже, найкоротшим шляхом витоку від проводу 1 до другого елемента 15 арматури залишається шлях по циліндричному ізоляційному тілу 2 (а не по його спіральному ребру 3). Інакше кажучи, ізолятор 100 набуває властивостей розрядника, повністю зберігаючи свої ізоляційні властивості. При цьому, залежно від співвідношень довжин шляхів витоку по ізоляційному тілу та по спіральному ребру, при помірних вимогах до ізолятора 100 Т-подібну форму (що ускладнює конструкцію електродів 5) можна надавати не усім парам суміжних електродів, а тільки деякій кількості (k) таких пар. У реальних ситуаціях оптимальне значення k перебуває у інтервалі 3  k  m - 1. Іншим електродам 5 можна надати більш просту та технологічну форму пластин, брусків або циліндрів. Перевагою цього варіанта ізолятора є те, що він може застосовуватися у районах із сильним забрудненням атмосфери, тому що забруднення не може накопитися у проміжках між електродами. На фіг. 3, 4 показаний другий варіант здійснення ізолятора за винаходом, який теж є циліндричним ізолятором 100 з арматурами, що складається з двох елементів (на фіг. 3 показаний тільки другий елемент 15), зі спіральним ребром 3 та з вмонтованими у це ребро 6 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електродами 5 МЕС. Однак у даному варіанті електроди 5 виконані у вигляді відрізків металевих циліндрів, які, на відміну від попереднього варіанта, розміщені не ззовні, а усередині ізолятора 100 (у цьому випадку - усередині його спірального ребра 3). При цьому у спіральному ребрі 3 виконані прорізи 7, наприклад у формі щілин глибиною b (що перевищує глибину розміщення електродів 5) і шириною а  g. В результаті електроди 5 виявляються відокремленими один від одного невеликими іскровими розрядними проміжками довжиною g (що дорівнює у кращих варіантах декільком міліметрам). Як наочно показано у збільшеному масштабі на фіг. 5, засоби компенсації, що забезпечують у даному варіанті збільшення lвиm.0 шляху витоку між електродами, виконані у вигляді шару матеріалу ізоляційного ребра 3, що відокремлює електроди 5 від поверхні ізоляційного ребра 3, і прорізів 7. Перевагою цього варіанта є більш висока технологічність виготовлення та можливість надання необхідної довжини lвиm.0 шляху витоку простою зміною глибини b прорізу 7, тобто варіюванням глибини с тієї її частини, що знаходиться на більшій глибині відносно електродів 5, та/або товщини шару матеріалу, що відокремлює електроди від поверхні. Крім того, з фіг. 5 видно також, що ще одна можливість збільшення значення lвиm.0 полягає у виконанні прорізів 7 шириною a  g. Як показано у збільшеному масштабі на фіг. 6, для збільшення шляху витоку lвиm.0 прорізи 6 можуть бути виконані фігурними. Наприклад, ділянки прорізів 7, розміщені глибше за електроди 5, можуть бути виконані у вигляді кругових циліндрів або мати будь-яку іншу форму, при якій відстані між протилежними сторонами ділянок прорізів 7, розміщених глибше за електроди 5, перевищують ширину прорізів у поверхні ребра 3 ізоляційного тіла 2. Очевидно, що таке виконання прорізів також забезпечує збільшення lвиm.0 тобто підвищення ефективності засобів компенсації скорочення довжини шляху витоку ізолятора 100 в результаті використання електродів 5. Слід також зазначити, що, залежно від конкретних вимог, що висуваються до ізолятора 100, та співвідношень між іншими його параметрами (такими як діаметр ізоляційного тіла 2, загальна довжина спірального ребра 3 і т.д.), фігурними (тобто, складнішими у виготовленні) можуть бути зроблені тільки деякі з прорізів 7. Аналогічно, тільки частина прорізів 7 може мати збільшену глибину b. На фіг. 7, 8 показаний третій варіант здійснення ізолятора за винаходом. У цьому варіанті він є штировим ізолятором 101, закріпленим на опорі 16 за допомогою другого елемента своєї арматури 15 у вигляді штиря. На поверхні дзвоноподібного ізоляційного тіла 2 за спіральною траєкторією встановлені m ізоляційних елементів 9. Ці елементи в даному варіанті утворюють засіб компенсації, що забезпечує збільшення шляху витоку між електродами 5, які закріплені усередині ізоляційних елементів 9 та виступають з них. Ізоляційні елементи 9, наприклад - у формі пластин, брусків або циліндрів, можуть бути виконані, зокрема, із силіконової гуми та приклеєні до ізоляційного тіла 2. У даному варіанті ізолятора за винаходом електроди 5 виконані у вигляді відрізків круглих циліндрів (дротів) та ізольовані один від одного невеликими іскровими проміжками довжиною g (близько одного чи декількох міліметрів). Завдяки застосуванню засобів компенсації у вигляді ізоляційних елементів 9 шлях витоку lвиm.0 між суміжними електродами 5 визначається (як це показано на фіг. 8) сумою шляхів с витоку по суміжних ізоляційних елементах 9 та шляху а витоку по поверхні ізоляційного тіла між суміжними елементами 9: lвиm.0 = 2с + а. Завдяки такому виконанню значення lвиm.0 виявляється суттєво більшим довжини g іскрового проміжку та більшим довжини одного із зазначених електродів 5. Завдяки тому, що електрична міцність повітряного проміжку при впливі напруги промислової частоти значно більша за розрядні напруги по поверхні забрудненої та зволоженої ізоляції, встановлення електродів на ізоляційних елементах забезпечує компенсацію зменшення сумарної довжини шляху витоку уздовж лінії розміщення електродів 5 і, тим самим, запобігає зниженню ізоляційних властивостей ізолятора при одночасному забезпеченні його високих характеристик як пристрою грозозахисту. Розглянутий варіант ізолятора за винаходом цікавий тим, що для його виготовлення можуть бути використані масово виготовлювані штирові порцелянові ізолятори. Оскільки необхідність закріплення на поверхні ізоляційного тіла 2 великої кількості ізоляційних елементів ускладнює технологію виготовлення високовольтного ізолятора за винаходом, здається бажаним об'єднати ці елементи в один або кілька протяжних ізоляційних елементів, що виступають з поверхні ізоляційного тіла 2, наприклад - надати їм вигляду одного або n спіральних ізоляційних ребер. Показаний на фіг. 9-12 четвертий варіант ізолятора за винаходом є модифікацією тарілчастого ізолятора і призначений для використання у складі гірлянди аналогічних ізоляторів. На нижній поверхні тарілчастого ізоляційного тіла 2 тарілчастого ізолятора 102 7 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 виконані два ізоляційні спіральні ребра. Одне з них (ребро 10) виконує чисто ізоляційну функцію, тобто служить для забезпечення необхідного значення мінімального шляху витоку за наявності МЕС. У тілі другого ізоляційного ребра (ребра 3) встановлені електроди 5, розділені між собою прорізами 7, які можуть бути виконані так, як показано на фіг. 5 і 6, або, альтернативно, у вигляді круглих отворів, як показано на фіг. 10 та 12. У цьому варіанті між електродами сформовані газорозрядні камери, що підвищують ефективність функціонування ізолятора 102 як грозового розрядника. При дії на ізолятор імпульсу перенапруги розряд розвивається від шапки 11 ізолятора (тобто від першого елемента його арматури), яка контактує з незображеним проводом або з його кріпильним пристроєм, або з товкачиком (другим елементом арматури) попереднього ізолятора гірлянди за верхньою поверхнею ізоляційного тіла 2 до першого електрода 5 МЕС (див. фіг. 9) і далі, послідовно пробиваючи проміжки між електродами 5, до товкачика 12 (див. фіг. 10). Напрямок розвитку розряду показаний на фіг. 9, 10 стрілками. У процесі утворення та розвитку іскрового каналу відбувається його розширення з надзвуковою швидкістю. Завдяки тому, що об'єми розрядних іскрових камер між електродами 5 досить малі, у цих камерах утворюється високий тиск, під дією якого канали іскрових розрядів між електродами 5 зсуваються до поверхні ізоляційного тіла й далі викидаються назовні у повітря навколо ізолятора. Внаслідок виникаючого дуття ефективність дугогасіння значно підвищується у порівнянні з варіантами, показаними на фіг. 1-8. Однак прорізи у вигляді газорозрядних камер схильні до забруднення. Тому такий варіант виконання прорізів застосовно до варіанта ізолятора за фіг. 9, 10 є доцільним переважно для районів з низьким ступенем забруднення атмосфери. Ефективність ізолятора за першим основним варіантом винаходу, що суміщує ізоляційні та грозозахисні функції, підтверджена результатами порівняльних випробувань. Для їх проведення були підготовлені два ізолятори класу напруги 3 кВ постійного струму: (1) порцеляновий підвісний ізолятор L 3036-12 зі спіральним ребром, що випускається чеською компанією Elektroporcelan Louny a.s., і (2) ізолятор за винаходом. Ізолятор (2) відповідно до винаходу виконаний на основі ізолятора L 3036-12, але додатково обладнаний установленими на спіральне ребро ізоляційними елементами та електродами МЕС, аналогічними до описаних вище з посиланнями на фіг. 8 елементів 9 і електродів 5, відповідно. Електроди були виконані у вигляді відрізків дроту з нержавіючої сталі діаметром 2 мм та довжиною 10 мм. Вони вставлялися у ізоляційні елементи довжиною 7 мм, які були виготовлені з профілю із силіконової гуми шириною 10 мм та висотою 8 мм з напівкруглою верхньою частиною та приклеєні до торцевої поверхні спірального ребра ізолятора спеціальним силіконовим клеєм. Основні параметри ізоляторів наведені в Таблиці 1. Таблиця 1 Основні параметри випробуваних ізоляторів Параметри Ізолятор L 3036-12 Загальна довжина, мм 262 Довжина порцеляни, мм 154 Максимальний діаметр спірального 125 ребра, мм Діаметр стрижня, мм 76 Кількість витків ребра 6 Маса ±10%, кг 3,3 Максимально допустима напруга Сухо 95 змінного струму, кВ У дощ 50 Імпульсна розрядна напруга, 1,2/50 170 мкс, кВ Повітрям, найкоротшим Траєкторія розряду шляхом 2 Напруга, що залишається , кВ ~0 Ізолятор за винаходом на основі L 3036-12 262 154 125+2*8'=141 76 6 3,5 95 50 150 По спіралі через електроди 4 35 40 Примітки: (1) Висота силіконових ізоляційних елементів, що наклеюються на спіральне ребро ізолятора, становила 8 мм. (2) Найменша напруга, що залишається на ізоляторі після його перекриття грозовим імпульсом. 8 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Довжина торцевої поверхні спірального ребра становила близько 2500 мм. Було встановлено 240 електродів. Довжина повітряних проміжків між електродами становила g = 0,5 мм. Таким чином, сумарна довжина повітряних проміжків становила G = (m+l)*g = (240+1)*0,5 = 120 мм. За ППЕ, залежно від ступеня забруднення атмосфери (СЗА), питома довжина шляху витоку знаходиться у діапазоні lnиm.= 1,4-4,2 см/кВ. Для класу напруги U=3 кВ постійного струму довжини шляху витоку повинні дорівнювати Lвиm. = U* 3 * lnиm. = 3* 3 *(1,4  4,2) = 7,3  22 см. Видно, що введення МЕС може зменшити довжину шляху витоку до неприпустимого значення. Однак, як було описано вище, при використанні засобів компенсації скорочення довжини шляху у вигляді ізоляційних елементів згідно з винаходом довжина шляху витоку між сусідніми електродами визначається формулою: lвиm.0= 2с + а. У даній конструкції а = с = 2,5 мм. Відповідно, lвиm.0 = 7,5 мм, і сумарна довжина шляху витоку між електродами за траєкторією спірального ребра дорівнює L = (m + 1) lвиm.0 = (240+1 )*7,5 = 1807,5 мм  181 см. Таким чином, у ізоляторі за винаходом L  Lвum. для районів з будь-яким СЗА. Випробування обох ізоляторів були проведені напругою промислової частоти та грозовими імпульсами. Основні результати також наведені в Таблиці. Під дією напруги промислової частоти розрядні характеристики обох ізоляторів практично однакові. Це означає, що встановлення електродів не погіршило ізоляційних властивостей ізолятора при промисловій частоті. Під дією грозового імпульсу звичайний ізолятор перекривається по повітрю найкоротшим шляхом. При цьому з осцилограми напруги видно, що напруга зменшується практично до нуля, тобто опір каналу розряду дуже малий. Після грозового перекриття ізолятора, встановленого в експлуатацію у електричну мережу, каналом перекриття буде протікати супровідний струм мережі, що означає коротке замикання, яке робить необхідним екстрене відключення мережі. В ізоляторі за винаходом при його перекритті за спіральною траєкторією через множину електродів напруга не зрізується до нуля, а існує значна залишкова напруга, що становить 4 кВ, яка перевищує напругу мережі, що дорівнює 3 кВ. Це означає, що супровідного струму не буде, тобто ізолятор спрацьовує як пристрій грозозахисту: відводить струм грозової перенапруги без супровідного струму і, відповідно, без відключення мережі. Розглянуті у даному описі варіанти й модифікації виконання ВЛЕ та ізолятора за винаходом наведені лише для пояснення його конструкції та принципів роботи. Фахівцям у даній галузі техніки має бути зрозуміло, що можливі відхилення від вищенаведених прикладів виконання. Наприклад, проміжні електроди за фіг. 1 і 2 можуть мати не Т-подібну, а Г-подібну форму, що може виявитися більш технологічним. Для збільшення довжини шляху витоку бічні поверхні електродів можуть бути покриті шаром ізоляції. У варіанті, показаному на фіг. 9 і 10, мультиелектродна система (МЕС) може бути розміщена на обох ізоляційних ребрах 3 і 10 (а не на одному ребрі 3, як показано на фіг. 9 і 10). У цьому випадку під дією грозової перенапруги спрацюють обидві гілки МЕС, так що супровідний струм розділиться між цими гілками, що полегшить його гасіння. Замість одиночних ізоляторів, подібних показаним на фіг. 1-6 і на фіг. 18, можуть бути використані колонки, зібрані з двох чи більше подібних ізоляторів. Крім того, ізолятори за винаходом, у вигляді одиночних ізоляторів або колонок (гірлянд) ізоляторів, можуть застосовуватися не тільки у ВЛЕ, але й у різних високовольтних пристроях, причому для закріплення не тільки проводів, але й ошиновок. На фіг. 13, 14 показаний другий основний варіант виконання ізолятора на основі ізолятора 150 з конусоподібним ізоляційним тілом 21 та арматурою, який складається з першого елемента, у вигляді металевого товкачика 12, і другого елемента, у вигляді металевої шапки 11. Такі ізолятори мають добрі аеродинамічні властивості, й тому слабко забруднюються. Вони можуть застосовуватися в районах із сильним ступенем забруднення атмосфери. На торцевій поверхні ізоляційного тіла по більшій частині окружності закріплені проміжні електроди 22, які розділені між собою проміжками 26 довжиною g і сукупно утворюють МЕС 25. МЕС 25 займає більшу частину периметра ізолятора. Менша частина периметра ізолятора є вільною від проміжних електродів, так що між кінцями МЕС є проміжок 29 довжиною G. До одного з кінців МЕС (на фіг. 14 він знаходиться ліворуч від вертикальної осі ізолятора) підходить перший (нижній) підвідний електрод 24, гальванічно з'єднаний з товкачиком 12 ізолятора. Він утворює з першим проміжним електродом 22 повітряний іскровий проміжок 28 довжиною S2. До останнього проміжного електрода 22, розміщеного на іншому кінці МЕС 25 (на фіг. 14 він знаходиться праворуч від вертикальної осі ізолятора), підходить другий (верхній), з'єднаний з шапкою 11 ізолятора, підвідний електрод 23. Він утворює з останнім проміжним електродом 22 повітряний іскровий проміжок 27 довжиною SI. На фіг. 15 показана частина гірлянди 300, зібраної з двох ізоляторів 150 шляхом з'єднання другого елемента арматури (шапки) 11 першого (нижнього) ізолятора з першим елементом 9 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 арматури (товкачиком) 12 наступного (верхнього) ізолятора. Шапка верхнього ізолятора може бути з'єднана з опорою ВЛЕ (див. фіг. 19) або з товкачиком наступного ізолятора (у випадку включення до гірлянди ще одного аналогічного ізолятора), а товкачик нижнього ізолятора - з високовольтним проводом ВЛЕ. Для більшої наочності ізоляційні тіла обох ізоляторів показані напівпрозорими. Під дією перенапруги на ізолятор 150 пробиваються повітряні проміжки 27 та 28, і перенапруга виявляється прикладеною до МЕС 25. Під дією цієї перенапруги іскрові проміжки 26 між проміжними електродами 22 послідовно пробиваються. В результаті шапка 11 ізолятора 150 та його товкачик 12 виявляються зв'язаними через канал розряду, розбитий на множину невеликих відрізків, що сприяє його ефективному гасінню після протікання струму перенапруги. Слід підкреслити, що встановлення МЕС за винаходом практично не змінює ізоляційних характеристик вихідного ізолятора, тому що вона розміщується за еквіпотенціальною концентричною лінією електричного поля ізолятора перпендикулярно до найкоротшого шляху витоку ізолятора. Довжина шляху витоку (відстань по верхній та нижній поверхням ізолятора від шапки 11 до товкачика 12) зменшується лише на ширину проміжного електрода. Наприклад, у ізолятора ПСК-70 довжина шляху витоку 310 мм, а проміжний електрод має ширину 5 мм, тобто скорочення шляху витоку становить усього 5/310 = 1,6%. Це справедливо навіть при сильному забрудненні та зволоженні, коли проміжні електроди 22 зв'язані між собою провідними ділянками забруднення. Підвідні електроди 23 і 24 розміщуються на відстані декількох сантиметрів від верхньої та нижньої поверхонь ізолятора, відповідно, і не скорочують шлях витоку ізолятора. Шлях розряду по ізолятору 150 показаний на фіг. 13-15 стрілками. У випадку використання гірлянди 300 ізоляторів під дією перенапруги спочатку пробиваються іскрові проміжки першого (у показаному варіанті нижнього) ізолятора 150, з'єднаного з високовольтним проводом ВЛЕ, після чого перенапруга прикладається до другого ізолятора, в результаті чого відбувається пробій його іскрових проміжків. Якщо у гірлянді є більше двох ізоляторів, описаний процес повторюється для кожного наступного ізолятора. Як це обґрунтовано вище, загальна кількість проміжних електродів 22, що утворюють МЕС, не повинна бути меншою п'яти. Конкретна кількість m проміжних електродів, а також конкретні значення довжин g, G, S1, S2, відповідно, іскрових проміжків 26 між проміжними електродами, проміжку 29 між кінцями МЕС 25 і проміжків 27, 28 між підвідними електродами 23, 24 та крайніми проміжними електродами 22 МЕС, повинні бути вибрані таким чином, щоб під дією на ізолятор 150 перенапруги перекриття відбувалося відповідно до наведеного вище опису, а проміжок 29 не перекривався під дією перенапруги. Отже, розрядна напруга проміжку 29 повинна бути більшою, ніж у m іскрових проміжків g, тобто довжина G проміжку 29 повинна суттєво перевищувати сумарну довжину m проміжків g (G > mg). Довжини S1 і S2 проміжків 27 і 28 підбираються експериментально. Наприклад, як показали проведені дослідження та випробування під дією грозового імпульсу 1,2/50 мкс з найбільшим значенням 300 кВ, належне спрацьовування ізолятора за винаходом, виконаного на основі ізолятора ПСК 70 з діаметром ізоляційного тіла D = 330 мм, забезпечується при таких параметрах: G = 90 mm; S1 = S2 = 20 mm; g = 0,5 мм і m = 140. На фіг. 16, 17 показаний варіант ізолятора за винаходом, виконаний на основі найбільш поширеного тарілчастого ізолятора з концентричними ребрами 10 на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла 21. Аналогічно до описаного вище варіанту ізолятора за фіг. 13, 14 ізолятор 200 за фіг. 16, 17 включає множину проміжних електродів, що утворюють МЕС 25. У показаному варіанті МЕС розділена на три відрізки 25-1, 25-2, 25-3, кожен з яких розміщений на торці одного з трьох концентричних ребер 10. Однак, залежно від конкретних умов використання, на які розрахований ізолятор, у тому числі - від розрахункового значення перенапруги та, відповідно, від загальної кількості проміжних електродів 22, можливе використання МЕС, встановленої, наприклад, тільки на зовнішньому концентричному ізоляційному ребрі, або МЕС, розділеної тільки на два відрізки, розміщених на будь-якій парі концентричних ізоляційних ребер 10. Таким чином, у ізоляторі 200 усі проміжні електроди 22 МЕС 25 також розміщені на еквіпотенціальних лініях електричного поля промислової частоти, у якому працює ізолятор 200, перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора. До лівого кінця (тут і далі поняття «лівий» та «правий» приводяться стосовно фіг. 17) першого відрізка 25-1 МЕС 25, встановленого на зовнішньому концентричному ребрі 10 ізолятора 200, підходить верхній (другий) підвідний електрод 23, з'єднаний із шапкою 11 ізолятора. На правому кінці цього відрізка 25-1 МЕС, не зв'язаному безпосередньо з будь-яким елементом арматури, закріплений сполучний електрод 30. На суміжному з ним (правому) кінці другого відрізка 25-2 МЕС 25, встановленого на середньому концентричному ізоляційному ребрі 10, також закріплений сполучний електрод 31, який разом зі сполучним електродом 30 утворює 10 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 перший іскровий розрядний проміжок 32 довжиною Sp. На лівому кінці даного відрізка 25-2 МЕС також встановлений сполучний електрод 33. Аналогічно, на суміжному (лівому) кінці третього відрізка 25-3 МЕС 25, встановленого на внутрішньому концентричному ребрі 10, закріплений сполучний електрод 34, а на його правому кінці - перший підвідний електрод 24. Сполучний електрод 34 утворює разом зі сполучним електродом 33 другий іскровий розрядний проміжок 35 довжиною Sp. Підвідний електрод 24 утворює аналогічний, третій іскровий розрядний проміжок 35 довжиною Sp з товкачиком 12 ізолятора 200. Під дією перенапруги на ізолятор спочатку пробивається проміжок 27 між верхнім підвідним електродом 23 і крайнім лівим проміжним електродом 22 першого відрізка 25-1 МЕС 25. (см. фіг. 17). Далі послідовно пробиваються усі розрядні проміжки цього відрізка МЕС, далі пробивається проміжок 32 між сполучними електродами 30, 31 першого й другого відрізків 25-1, 25-2 МЕС. Далі перекриваються усі розрядні проміжки другого відрізка 25-2 МЕС, іскровий розрядний проміжок 35 між сполучними електродами 33, 34 другого й третього відрізків 25-2, 25-3 МЕС, усі розрядні проміжки третього відрізка 25-3 МЕС і, зрештою, іскровий розрядний проміжок 35 між першим підвідним електродом 24 та товкачиком 12. Шлях перекриття показаний на фіг. 16 і 17 стрілками. Таким чином, шапка 11 ізолятора 200 та його товкачик 12 і в цьому випадку виявляються зв'язаними через канал розряду, розбитий на множину невеликих відрізків, що сприяє ефективному його гасінню після протікання струму перенапруги, як це було описано вище. Цей варіант виконання ізолятора за винаходом з розташуванням проміжних електродів на торцях двох та більше концентричних ізоляційних ребер дозволяє зручно розмістити найбільшу кількість проміжних електродів, що сприяє підвищенню ефективності гасіння каналу струму перенапруги. Оскільки в ізоляторі 200 усі проміжні електроди 22 МЕС 25 також розміщені на еквіпотенціальних лініях електричного поля промислової частоти, у якому працює ізолятор 200, перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора, скорочення довжини шляху витоку ізолятора в результаті введення МЕС не перевищує ширини одного проміжного електрода, помножену на кількість відрізків МЕС (яка у розглянутому варіанті дорівнює 3). Очевидно, що у випадку використання тільки двох відрізків (наприклад, відрізків 25-1 і 25-2) МЕС 25, відпадає необхідність у використанні двох сполучних електродів 33, 34, а перший підвідний електрод 24 з'єднується з кінцем МЕС, не з'єднаним з другим підвідним електродом 23. Аналогічно, якщо уся МЕС 25 розміщена на одному концентричному ізоляційному ребрі 10 (наприклад, на зовнішньому ребрі), відпадає необхідність у використанні будь-яких сполучних електродів. У даних варіантах скорочення довжини шляху витоку ізолятора складе, відповідно, дві та одну ширину проміжного електрода. Ефективність ізолятора за другим основним варіантом винаходу, що суміщує ізоляційні та грозозахисні функції, підтверджена результатами порівняльних випробувань. Для їх проведення були підготовлені два ізолятори з класом напруги 10 кВ змінного струму: скляний підвісний ізолятор ПСК-70 з конусним гладким ізоляційним тілом і ізолятор за винаходом. Ізолятор за винаходом був виконаний на основі ізолятора ПСК-70, але додатково обладнаний встановленими на торцеву поверхню конусного ізоляційного тіла проміжними електродами 22, аналогічними до описаних вище з посиланнями на фіг. 13-15. Як проміжні електроди використовувалися гайки М2,5. Вони приклеювалися до торцевої поверхні конусного ізолятора спеціальним епоксидним клеєм. Довжина g повітряних проміжків 26 між електродами (відстань між паралельними гранями гайок) становила 0,5 мм. Відстань між кінцями МЕС (тобто довжина G проміжку 29) становила 90 мм; довжини S1, S2 проміжків 27, 28 дорівнювали 20 мм. Основні параметри ізоляторів наведені в Таблиці 2. 11 UA 98222 C2 Таблиця 2 Основні параметри випробуваних ізоляторів і результати випробувань Параметри Ізолятор ПСК-70 Зовнішній діаметр, мм Кількість g проміжних електродів Витримувана під дощем напруга змінного струму, кВ Імпульсна розрядна напруга, 1,2/50 мкс, кВ 330 0 Ізолятор за винаходом на основі ПСК-70 1 334 140 40 40 Траєкторія розряду 2 Напруга, що залишається , кВ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 90 Повітрям, найкоротшим По МЕС шляхом ~0 70 6 Примітки: 1) Товщина гайок, що наклеюються на торцеву поверхню ізолятора, становила 2 мм; 2) Найменша напруга, що залишається на ізоляторі після його перекриття грозовим імпульсом. Випробування обох ізоляторів були проведені напругою промислової частоти та грозовими імпульсами. Основні результати також наведені у Таблиці 2. Під дією напруги промислової частоти розрядні характеристики обох ізоляторів практично однакові. Це означає, що встановлення електродів не погіршило ізоляційних властивостей ізолятора при промисловій частоті. Імпульсні розрядні напруги ізолятора за винаходом (70 кВ) нижчі, ніж у вихідного ізолятора (90 кВ), тому що його перекриття розвивається по МЕС, а не уздовж поверхні, як у звичайного ізолятора. Тому ізолятор за винаходом може використовуватися як розрядник при встановленні його паралельно до звичайного ізолятора. Під дією грозового імпульсу звичайний ізолятор перекривається по повітрю найкоротшим шляхом. При цьому з осцилограми напруги видно, що напруга зменшується практично до нуля, тобто опір каналу розряду дуже малий. Після грозового перекриття ізолятора, встановленого в експлуатацію у електричну мережу, по каналу перекриття буде протікати супровідний струм мережі, що означає коротке замикання, яке робить необхідним екстрене відключення мережі. У ізоляторі за винаходом при його перекритті по МЕС через множину електродів напруга не зрізується до нуля, а існує значна залишкова напруга, що становить 6 кВ. На ВЛЕ 10 кВ застосовують два підвісні ізолятори у гірлянді. У випадку застосування двох ізоляторів за винаходом на основі ізолятора типу ПСК-70 сумарна залишкова напруга буде становити 6+6 = 12 кВ, що значно перевищує найбільшу фазну робочу напругу Uф.н.р. = Uном. * 1,2/1,73 = 10*1,2/1,73 = 7 кВ. Це означає, що супровідного струму не буде, тобто ізолятор спрацьовує як пристрій грозозахисту: відводить струм грозової перенапруги без супровідного струму і, відповідно, без відключення мережі. Розглянуті у даному описі варіанти й модифікації виконання ізолятора за винаходом наведені лише для пояснення його конструкції та принципів роботи. Фахівцям у даній галузі техніки має бути зрозуміло, що можливі відхилення від вищенаведених прикладів виконання. Наприклад, для виключення переміщення дуги по підвідним електродам вони можуть бути покриті шаром ізоляції. У варіанті, показаному на фіг. 13 і 14, МЕС може бути розміщена на декількох концентричних окружностях, що збільшить число проміжних електродів та підвищить ефективність гасіння супровідного струму (хоча й приведе до деякого подорожчання ізолятора). Можливі незначні відхилення при встановленні проміжних електродів від еквіпотенціальної лінії, обумовлені зручністю технології виготовлення ізолятора за винаходом. На фіг. 18 показаний варіант виконання ВЛЕ 10 кВ (позначеної в цілому 110) з використанням варіанта ізолятора за фіг. 1, 2. ВЛЕ 10 кВ найчастіше відключаються від індукованих перенапруг. Як вже згадувалося, для захисту від таких відключень у Росії використовуються розрядники РДІП-10. Вони встановлюються по одному на опору з чергуванням фаз. Наприклад, на першій опорі такий розрядник встановлюється на фазу А, на другій - на фазу В, на третій - на фазу С і т. д. Як показано на фіг. 18, аналогічно, тобто по одному на опору з чергуванням фаз, можуть бути встановлені й ізолятори за винаходом, наприклад, ізолятори 100 зі спіральним ребром за фіг. 1-6 або штирові ізолятори 101 за фіг. 7, 8. Інші ізолятори 18 можуть мати традиційне виконання. Альтернативно, на одну з фаз може 12 UA 98222 C2 5 10 15 20 бути встановлена гірлянда тарілчастих ізоляторів 102 за винаходом (проілюстрованих фіг. 912). На фіг. 19 показаний фрагмент ВЛЕ 35 кВ, виконаної відповідно до винаходу. ВЛЕ включає три проводи 1, які перебувають під високою електричною напругою та відповідають різним фазам. Кожен з проводів 1 механічно зв'язаний із зібраними у гірлянди конусними ізоляторами. Гірлянди ізоляторів закріплені на опорах ВЛЕ (тільки одна з цих опор, опора 16, показана на фіг. 19). Як видно на фіг. 19, у показаному варіанті ВЛЕ гірлянда 300 верхньої фази ВЛЕ побудована з використанням ізоляторів за винаходом (у варіанті за фіг. 13-15). Для грозозахисту відомих ВЛЕ 35 кВ використовуються грозозахисні троси. У випадку використання ізоляторів за винаходом для гірлянди верхньої фази від застосування грозозахисного троса можна відмовитися. При ударі блискавки у цьому випадку перекривається гірлянда 300 ізоляторів за винаходом, так що струм блискавки протікає по МЕС ізоляторів і, завдяки великій кількості проміжних електродів, дуга супровідного струму промислової частоти не утворюється. ВЛЕ продовжує роботу без відключення. При цьому провід 1 верхньої фази виконує функцію грозозахисного троса для нижніх фаз, тобто він запобігає прямому удару блискавки у них. Якщо лінія проходить по району з високим питомим опором ґрунту, застосування грозозахисного троса виявляється неефективним, тому що внаслідок високого опору заземлення опори при ударі блискавки у трос або опору 10 відбувається зворотне перекриття з опори на провід. У цьому випадку доцільне застосування ізоляторів за винаходом для усіх трьох гірлянд ізоляторів. При цьому ВЛЕ буде надійно захищена від грозових перенапруг. Усі подібні варіанти й модифікації також охоплюються прикладеною формулою винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 55 1. Високовольтний ізолятор, як одиночний ізолятор або у складі колонки чи гірлянди ізоляторів, для кріплення високовольтного проводу в електроустаткуванні або на лінії електропередач, що включає ізоляційне тіло та арматуру у вигляді встановлених на його кінцях першого та другого елементів арматури, причому перший елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання, безпосередньо або за допомогою кріпильного засобу, з високовольтним проводом або з другим елементом арматури попереднього високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди, а другий елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання з опорою або з першим елементом арматури наступного високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди, який відрізняється тим, що додатково включає: - мультиелектродну систему, що складається з m (m ≥ 5) електродів, механічно зв'язаних з ізоляційним тілом та розміщених між його кінцями з можливістю формування, під дією грозової перенапруги, електричного розряду між першим елементом арматури і суміжним (суміжними) з ним електродом (електродами), між суміжними електродами, а також між другим елементом арматури і суміжним (суміжними) з ним електродом (електродами); і - засоби компенсації скорочення довжини шляху витоку ізолятора, внесеного мультиелектродною системою. 2. Ізолятор за п. 1, який відрізняється тим, що засоби компенсації виконані з можливістю забезпечення довжини шляху витоку по поверхні ізоляції між суміжними електродами k (3 ≤ k ≤ m - 1) пар суміжних електродів, яка перевищує довжину повітряного розрядного проміжку між зазначеними електродами та довжину одного із зазначених електродів. 3. Ізолятор за п. 2, який відрізняється тим, що електроди виконані Т-подібними, з вузькою ніжкою, за допомогою якої кожен електрод прикріплений до ізоляційного тіла, та з широкою поперечиною, орієнтованою в напрямку суміжного електрода, а засоби компенсації утворені розміщеними між ніжками електродів ділянками ізоляційного тіла та повітряними зазорами. 4. Ізолятор за п. 2, який відрізняється тим, що електроди розміщені усередині ізолятора, а засоби компенсації виконані у вигляді шару матеріалу ізолятора, що відокремлює електроди від його поверхні, та прорізів, які виконані між суміжними електродами та виходять на поверхню ізолятора. 5. Ізолятор за п. 4, який відрізняється тим, що прорізи виконані у вигляді щілин або круглих отворів. 6. Ізолятор за п. 4, який відрізняється тим, що глибина кожного прорізу перевищує глибину розміщення електродів. 7. Ізолятор за п. 6, який відрізняється тим, що відстані між протилежними сторонами ділянок прорізів, розміщених глибше електродів, вибрані такими, що перевищують ширину прорізів на поверхні ізолятора. 13 UA 98222 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 8. Ізолятор за п. 2, який відрізняється тим, що засоби компенсації виконані у вигляді розміщеного на поверхні ізолятора щонайменше одного ізоляційного елемента, причому єдиний ізоляційний елемент або сукупність ізоляційних елементів просторово відокремлюють електроди від поверхні ізолятора. 9. Ізолятор за п. 8, який відрізняється тим, що кількість ізоляційних елементів вибрана такою, що дорівнює m, при цьому на кожному ізоляційному елементі встановлено по одному електроду. 10. Ізолятор за п. 8, який відрізняється тим, що n (n ≥ 1) ізоляційних елементів виконані у вигляді спіральних ізоляційних ребер, що виступають з поверхні ізоляційного тіла. 11. Ізолятор за п. 10, який відрізняється тим, що кількість ізоляційних елементів вибрана такою, що дорівнює m + n, при цьому n ізоляційних елементів виконані у вигляді спіральних ізоляційних ребер, виступаючих з поверхні ізоляційного тіла, а на кожному з решти m ізоляційних елементів встановлено по одному електроду. 12. Ізолятор за п. 11, який відрізняється тим, що електроди розміщені на торцевій поверхні щонайменше одного ізоляційного ребра. 13. Ізолятор за п. 12, який відрізняється тим, що між кожною з пар електродів у ізоляційному ребрі виконані прорізи. 14. Ізолятор за кожним з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що ізоляційне тіло виконане, по суті, циліндричним або у вигляді конусоподібної чи плоскої тарілки. 15. Ізолятор за п. 10, який відрізняється тим, що ізоляційне тіло виконане у вигляді плоскої тарілки, перший елемент арматури виконаний у вигляді шапки ізолятора, другий елемент арматури виконаний у вигляді товкачика, а щонайменше одне спіральне ізоляційне ребро виконане виступаючим з нижньої поверхні зазначеної тарілки. 16. Високовольтний ізолятор, як одиночний ізолятор або у складі колонки чи гірлянди ізоляторів, для кріплення високовольтного проводу в електроустаткуванні або на лінії електропередач, що включає ізоляційне тіло, арматуру у вигляді встановлених на його кінцях першого та другого елементів арматури, причому перший елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання, безпосередньо чи за допомогою кріпильного засобу, з високовольтним проводом або з другим елементом арматури попереднього високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди, а другий елемент арматури виконаний з можливістю з'єднання з опорою або з першим елементом арматури наступного високовольтного ізолятора зазначених колонки або гірлянди, який відрізняється тим, що додатково включає: - мультиелектродну систему (МЕС) з m (m ≥ 5) електродів, механічно зв'язаних з ізоляційним тілом та розміщених з можливістю формування електричного розряду між суміжними електродами МЕС, причому МЕС розміщена на еквіпотенціальній лінії або еквіпотенціальних лініях електричного поля промислової частоти, у якому працює ізолятор, перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора; і - перший та другий підвідні електроди, при цьому кожен з першого та другого підвідних електродів відокремлений повітряним проміжком від ізоляційного тіла та одним кінцем зв'язаний гальванічно або через повітряний проміжок, відповідно, з першим та другим елементами арматури, а другим кінцем - через повітряний проміжок, відповідно, з першим та другим кінцями МЕС. 17. Ізолятор за п. 16, який відрізняється тим, що має конусоподібне ізоляційне тіло, а МЕС розміщена на торцевій поверхні зазначеного тіла. 18. Ізолятор за п. 16, який відрізняється тим, що виконаний у вигляді тарілчастого ізолятора з концентричними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла, а МЕС розміщена на торцевій поверхні одного із зазначених ребер. 19. Ізолятор за п. 16, який відрізняється тим, що МЕС складається зі щонайменше двох відрізків, розміщених щонайменше по двох зазначених еквіпотенціальних лініях, взаємно зміщених перпендикулярно до траєкторії шляху витоку ізолятора і сполучених за допомогою сполучних електродів, які виконані на кінцях зазначених відрізків, не зв'язаних з елементами арматури, і попарно зв'язані між собою гальванічно або через повітряний проміжок. 20. Ізолятор за п. 19, який відрізняється тим, що виконаний у вигляді тарілчастого ізолятора з концентричними ребрами на нижній стороні тарілчастого ізоляційного тіла, а кожен відрізок МЕС розміщений на торцевій поверхні одного із зазначених ребер. 21. Високовольтна лінія електропередач, що включає опори, одиночні ізолятори та/або ізолятори, зібрані у колонки чи гірлянди, і щонайменше один провід, що перебуває під високою електричною напругою, зв'язаний безпосередньо або за допомогою кріпильних засобів з елементами арматури одиночних ізоляторів та/або перших ізоляторів колонок або гірлянд ізоляторів, причому кожен одиночний ізолятор або кожна колонка чи гірлянда ізоляторів 14 UA 98222 C2 закріплений (закріплена) на одній з опор за допомогою елемента своєї арматури, суміжного із зазначеною опорою, яка відрізняється тим, що щонайменше один з ізоляторів є ізолятором, виконаним відповідно до будь-якого з пп. 1-20. 15 UA 98222 C2 16 UA 98222 C2 17 UA 98222 C2 18 UA 98222 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 19