Новые технические решения штыревой линейной изоляции для повышения энергоэффективности распределительных сетей 6-10-20 кВ.

Энергоэффективность распределительных сетей во многом характеризуется фактическими потерями электроэнергии в них. Под потерями в данном случае понимается разность между электроэнергией, поступившей с сеть, и электроэнергией, отпущенной из сети потребителям.

По данным, содержащимся в «Положении ОАО «Россети» о единой технической политике в электросетевом комплексе», утвержденном в 2013 г., в отдельных АО-энерго потери достигают 15-20% от полезного отпуска электроэнергии, а в муниципальных городских и районных ЭС их доля составляет 25-50%. Среднее значение потерь электрической энергии в сетях напряжением 0,4 – 110 (220) кВ составляет 8,4%, при этом на долю сетей среднего напряжения приходится около трети. На сегодняшний день в России относительные потери электроэнергии при ее передаче и распределении в 2-2,5 раза превышают уровень потерь в промышленно развитых странах.

Потери включают в себя составляющие различной природы и разделяются на технологические (условно-постоянные, составляющие около 20%, и «нагрузочные» - до 80%) и коммерческие.

В данном докладе речь пойдет о возможностях снижения технологических потерь электроэнергии в распределительных сетях напряжением 6-10 – 20 кВ за счет использования новых технических решений в штыревой линейной изоляции.

Традиционно для изоляции высоковольтных проводов на напряжение 6-10 – 20 кВ применяются штыревые изоляторы.  Все штыревые изоляторы в России до 2005 года изготавливались из фарфора. Фарфор является наиболее древним электроизоляционным материалом и применялся повсеместно до 70-х годов прошлого века в качестве основного материала высоковольтных изоляторов.

Основной проблемой штыревых фарфоровых изоляторов является возможность образования микротрещин в наиболее напряженной механически и электрически головке изоляторов и, как следствие этого, происходящие частичные или постоянные пробои и утечки тока на землю. Так как в применяемых в нашей стране ВЛЭП в основном используется схема с изолированной нейтралью, короткое однофазное замыкание на землю через фарфоровый изолятор не приводит к отключению линии автоматикой и по сути является «нормальной» работой. Таким образом происходят значительные потери электроэнергии.

Известно, что основные потери электроэнергии происходят в распределительных, а не в магистральных электросетях. Магистральные линии электропередачи на напряжение 110 кВ и выше в настоящее время используют изолирующие подвески, выполненные на стеклянных подвесных изоляторах, в которых исключена возможность микропробоев внутри тела изолятора. Ситуация осложняется тем, что фарфоровый штыревой изолятор в случае возникновения трещины внутри тела и утечки через нее токов на землю невозможно обнаружить. Визуально тело изолятора непрозрачно, и осмотр не дает результатов.

Результат воздействия увеличенных токов через микротрещины на сам фарфор не приводит, как в случае с полимерными изоляторами, к видимому обугливанию или другим следам воздействия. Автоматика не может определить, что происходит в сети – увеличенное санкционированное потребление или это «короткое замыкание» на землю. Бытует даже шутка, что «короткое замыкание на землю» для штыревых фарфоровых изоляторов не считать «коротким», понимать как норму. В результате значительная часть электроэнергии просто не доходит до потребителя. Возникает большой дисбаланс между электроэнергией, отпущенной конечным потребителям, и принятой.

Этого недостатка полностью лишены изоляторы из электротехнического стекла. В стеклянном изоляторе исключено возникновение микротрещин и других дефектов, по которым может происходить короткое замыкание на линиях электропередачи. Это в большинстве своем обеспечило быстрое внедрение стеклянных изоляторов в электрических сетях не только в нашей стране, но и по всему миру. В настоящее время сложно найти на высоковольтных линиях электропередачи подвесные фарфоровые тарельчатые изоляторы. Однако на линиях электропередачи 6-10 – 20 кВ до последнего времени наиболее массовыми оставались фарфоровые изоляторы ШФ-10, ШФ-20.

Ситуация изменилась, когда в 2005 году Лыткаринский арматурно-изоляторный завод освоил производство стеклянного изолятора ШС-10Д. На заводе при освоении было многое сделано впервые в России. Например, впервые в России было сварено электротехническое стекло малощелочного состава С-9, идентичного составу, применяемому для высоковольтных изоляторов во Франции. Для производства высоковольтных изоляторов впервые была запущена автоматизированная, роботизированная линия немецкого производства. Впервые при варке электротехнического стекла было применено принудительное перемешивание для лучшего осветления стекломассы. В результате впервые в России был произведен штыревой стеклянный изолятор.

Преимущества нового изолятора первыми оценили специалисты нефтегазового сектора. Они первыми применили этот тип изоляторов в проектах для вдольтрассовых линий электропередачи, а именно там, где очень сложно обслуживать оборудование и где требуется надежность работы электрической изоляции в тяжелых климатических и природных условиях. Изолятор использовался для класса напряжения 6-10 кВ; для линий электропередачи 20 кВ изолятор был не рассчитан. С 2005 года завод выпустил несколько миллионов изоляторов этого типа.

Успешное применение и опыт эксплуатации стеклянных изоляторов на напряжение 10 кВ типа ШС-10Д и пожелания энергетиков дали возможность Лыткаринскому арматурно-изоляторному заводу в начале 2009 года разработать и освоить высоковольтный стеклянный изолятор на 20 кВ типа ШС-20Д, а затем его усовершенствованную модификацию – ШС-20Г. Изолятор сразу нашел применение для распределительных сетей потребителей всех отраслей. Возможность применения на класс напряжения 20 кВ, а также возможность прямой замены изоляторов ШФ-20 на современные стеклянные, сделала этот изолятор популярным у энергетиков во всех районах нашей страны.

Неоспоримыми преимуществами стеклянных изоляторов являются:

  • отсутствие скрытых дефектов внутри изоляционного тела: каждый изолятор проходит оптический контроль на отсутствие пузырьков в силовой головке изолятора;
  • контроль изоляторов на угол поляризации проходящего света позволяет гарантировать отсутствие внутренних напряжений, стабильные электроизоляционные свойства, недостижимые в керамике;
  • стеклянные изоляторы не стареют, в теле изолятора со временем не появляются микротрещины;
  • стеклянные изоляторы можно быстро идентифицировать на линии при их выходе из строя;
  • стеклянные штыревые изоляторы исключают возможность потерь электроэнергии. Утечка электроэнергии через микротрещины на землю полностью исключена.

Автоматизированное производство методом прессования стеклянной массы является высокопроизводительным. Ручной труд полностью исключен. Производство же фарфорового изолятора методом обточки валюшки производится вручную. Это позволяет значительно снизить стоимость стеклянного изолятора. Например, стоимость стеклянного изолятора ШС-10Д равна стоимости изолятора на 20 кВ ШС-20Г. Это вызвано тем, что технологический процесс, сырье и время производства изоляторов идентичны, изоляторы отличаются только формой с точки зрения производства. С точки зрения потребителя и эксплуатации штыревой изолятор на 20 кВ значительно превосходит по характеристикам изолятор ШС-10Д, рассчитанный на класс напряжений 10 кВ.

Изолятор ШС-20Г при одинаковой стоимости с изолятором ШС-10Д имеет:

  • увеличенную длину пути утечки;
  • увеличенный воздушный промежуток;
  • увеличенное разрядное напряжение как в мокром, так и в сухом состоянии;
  • увеличенное напряжение пробоя.

Стеклянный штыревой изолятор ШС-20Г может успешно применяться на наиболее распространенных в России линиях 10 кВ и иметь увеличенный запас надежности при одинаковой цене с ШС-10Д. Именно для увеличения надежности ранее повсеместно применяли фарфоровые ШФ-20 на линиях класса напряжения 10 кВ. Теперь можно применять не только изолятор более высокого класса напряжения, но и совершенно другой по классу надежности стеклянный штыревой изолятор ШС-20Г.

С внедрением в распределительных сетях линий с самонесущим изолированным проводом (СИП) встала задача разработки и внедрения в конструкциях штыревой изоляции специальных мер по недопущению повреждения защитной изоляции провода при подвеске и монтаже.

Исторически первыми такими изоляторами, получившими распространение в России и Казахстане, стали изоляторы марки SDI37. Эти высококачественные фарфоровые изоляторы, рассчитанные на напряжение 24 кВ, в техническом плане зарекомендовали себя весьма неплохо. Однако их очевидные достоинства, такие как расчет на избыточное для наших распределительных сетей напряжение, унифицированные обвязка и крепеж, явились одновременно и фактором, сдерживающим их широкое распространение. Высокая стоимость, невозможность монтажа этих изоляторов на типовые металлоконструкции опор ВЛ при их строительстве и реконструкции вызвали необходимость разработки отечественных изоляторов аналогичного класса.

Ими стали фарфоровые изоляторы ШФ-20УО и ШФ-20Г1 российского производства. Они получили широкое распространение. Практически все вновь проектируемые ВЛ с защищенными проводами (ВЛЗ) на напряжение 6 – 10 кВ комплектуются указанными изоляторами. Их доля в заявках на фарфоровые линейные изоляторы этого класса напряжений, формируемых подразделениями ОАО «Россети» и ведущими эксплуатирующими организациями, к началу 2014 года превысила 30%.

Применение изоляторов с разрезной поворотной пластиковой втулкой на головке способствует монтажу провода без раскаточных роликов, позволяет широко варьировать последовательность технологических операций сборки и крепления металлоконструкций (траверс, оголовков, штырей и др.) на вновь устанавливаемых и реконструируемых опорах воздушных линий. Причем эти преимущества обеспечиваются как для изолированного, так и для голого провода.

Однако приходится констатировать, что обеспечив решение поставленной задачи по повышению качества подвески и монтажа провода, данные технические решения оказались одновременно «шагом назад». Они отбросили достигнутые ранее положительные результаты по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях, улучшению их эксплуатационных характеристик и показателей надежности, которые были обеспечены внедрением штыревых линейных изоляторов из электротехнического стекла.

Новые собственные научно-конструкторские разработки, внедренные в серийное производство Лыткаринским арматурно-изоляторным заводом, позволили решить задачу повышения качества подвески и монтажа провода, в том числе и самонесущего изолированного, сохранив при этом все преимущества электротехнического стекла как материала для изоляторов.

Изолятор марки ШС-20УО снабжен разрезной поворотной пластиковой втулкой на головке, позволяющей вести монтаж провода без раскаточных роликов. Протяжка провода производится через отверстие в головке изолятора, защищенное пластиковой втулкой. Втулка имеет продольный разрез, через который провод закладывается в головку изолятора. Втулка поворачивается на 900 – 1800, предотвращая выпадение провода. По завершении натяжки провод фиксируется в продольном направлении стандартными спиральными вязками.

Детальная проработка конструкции изолятора ШС-20УО позволила обеспечить его электрические и прочностные характеристики на уровне соответствующих характеристик хорошо зарекомендовавшего себя изолятора ШС-20Г. Отпускные цены этих изоляторов также практически равны.

Еще одним направлением повышения энергоэффективности распределительных сетей является снижение расходов на монтаж, эксплуатацию и ремонт оборудования воздушных линий, в т.ч. и их изоляции.

Наиболее трудоемкими и ответственными операциями при монтаже штыревых изоляторов являются действия по установке изолятора на штырь и крепление на изолятор  провода. 

Для  установки на штырь традиционных изоляторов требуется сначала натянуть предварительно нагретый полиэтиленовый колпачок на штырь, а после этого завернуть по резьбе с усилием, проверяемым динамометром, сам изолятор и отвернуть его на четверть оборота. В итоге на практике колпачок набивается на штырь молотком, после чего изолятор на него накручивается в «меру человеческих сил» монтажника «до характерного хруста». Фразы в кавычках являются цитатами описаний монтажа самими монтажными организациями. Конечно, после таких усилий многие изоляторы получают дефекты, нарушающие изоляцию и приводящие к выходу изолятора из строя еще до начала эксплуатации.

Чтобы исключить возможность поломки изолятора при монтаже, в разработанных специалистами Лыткаринского арматурно-изоляторного завода изоляторах марки ШТИЗ на напряжение 10 и 20 кВ, в том числе и для применения с проводом СИП, используется особая конструкция: для крепления на штыре нет необходимости в полиэтиленовых колпачках и в измерении усилия, необходимо лишь одеть изолятор трубкой оконцевателя на штырь траверсы и затянуть гаечным ключом хомут. В случае перетягивания гайки хомута и ее срыва изолятор не пострадает, а хомут можно просто заменить. Время монтажа изолятора сокращается в несколько раз и в среднем составляет не более одной минуты.

Кроме того, ряд модификаций изоляторов ШТИЗ имеет металлический оголовок с прижимной планкой специальной конструкции. Монтаж провода на таком изоляторе не требует специальных навыков по вязке провода на шейке изолятора вязальной проволокой. Монтажнику требуется лишь затянуть два болта на прижимной планке верхнего фланца. Кроме того, при срыве головки болтов изоляционные свойства ШТИЗ не страдают, а болт можно заменить другим.

При подсчете общей стоимости монтажно-строительных работ вы сможете оценить экономию применения изоляторов ШТИЗ уже на этапе  монтажных работ. К  этому необходимо добавить отсутствие потерь электроэнергии из-за отсутствия шунтирования на землю за весь период службы изолятора и быстроту обнаружения его на линии в случае выхода из строя.

Срок эксплуатации изоляторов марок ШС и ШТИЗ всех модификаций составляет не менее 30 лет, гарантийный срок – 5 лет со дня ввода в эксплуатацию. Все модели изоляторов прошли необходимые испытания, имеют сертификаты соответствия и успешно эксплуатируются на различных объектах электросетевого хозяйства, способствуя повышению энергоэффективности систем передачи и распределения электроэнергии.