ГЕРМЕТИЧНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВВОД

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к магистральным электрическим силовым линиям, применяемым в кабельных переходах между областями с различным давлением, и может быть использована для обеспечения герметичного пропуска электрических кабелей через стены в загрязненную зону, в частности, во внутреннее пространство герметичного подземного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов.
Обязательным условием проведения взрывных работ является наличие системы дополнительных защитных сооружений - гермостенок, которые являются дополнительными защитными барьерами. Магистральные силовые кабели, проходя через гермостенку, подлежат обязательной герметизации. Силовой кабель представляет собой сложное электротехническое изделие, состоящее из металлических токоведущих элементов (жил, экранов), изоляторов (наружная, внутренняя изоляция) и воздушных зазоров. Последние являются каналами прохождения избыточного давления экологически опасных газообразных продуктов (аэрозолей), возникающих вследствие возможной разгерметизации подземного помещения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов. Для устранения возможной разгерметизации подземного помещения применяется система «газовой блокировки», в которой изоляционные элементы кабеля заменяются расплавами пластмасс, массами компаундов, клеев. Данные устройства герметизации трудоемки в исполнении и ненадежны с точки зрения длительной эксплуатации, так как в их основу положены органические материалы, которые разрушаются при длительном воздействии «жестких» факторов эксплуатации при проведении взрывных экспериментов. Целесообразным является применение проходных газоблокирующих переходов на основе стекло-, керамо-, металлических материалов, не содержащих органических материалов и практически не подверженных старению. Так как магистральные силовые кабели имеют медные жилы, то для минимизации переходных сопротивлений общей электрической линии и уменьшения габаритов кабельных переходов токоведущие стержни проходного перехода целесообразно изготавливать также из меди.
Известен герметичный электрический ввод [SU №619970, МПК Н01B 17/26, опуб. 05.07.1978 г], содержащий кабель, размещенный в узле герметизации, и токоведущие стержни, изолированные электроизоляционными втулками. Узел герметизации кабеля выполнен в виде расположенного в кожухе элемента, сформированного из электроизоляционной массы. Токоведущие стержни выполнены коническими.
Недостатком данного устройства является отсутствие герметизации между токоведущими стержнями, электроизоляционными втулками и корпусом. Конструкция ввода ненадежна и в аварийных ситуациях (при повреждениях кабеля или сформированного узла герметизации), возможно проникновение, например влаги, в защищаемый объем.
Известно герметичное устройство с тоководом [RU №181310, МПК H01R 13/40, опуб. 10.07.2018 г., бюл. №19], которое содержит корпус, стеклянный изолятор, установленный в корпусе и имеющий хотя бы одно осевое отверстие, в котором размещен токовод, при этом изолятор спаян согласованным спаем с корпусом и тоководом по соприкасающимся поверхностям. Токовод выполнен в виде коаксиального биметаллического вывода, внешняя часть которого выполнена из ковара, а внутренняя - из меди. Для обеспечения герметичности место механического негерметичного стыка поверхностей внутренней и внешней части токовода выполнено оплавленным.
2
Данное устройство относится к слаботочным устройствам, таким как реле и соединители. Токовод выполнен в виде ограниченного по длине элемента, в котором гальваническая связь с внешними кабельными линиями обеспечивается по коваровой оболочке, что при коммутации силовых магистральных электрических кабелей в условиях подземных сооружений нецелесообразно, так как сечение жил кабелей достигает 200 мм, при этом потребляемый ток достигает 1000 А. Коммутация жил кабеля такого сечения к тоководам должна осуществляться сваркой или пайкой, что сопряжено с большими тепловыми затратами, которые отрицательно влияют на целостность металлостеклянного спая. А для надежного соединения потребуется отвод тепла, поэтому концы токовода необходимо выносить далеко за пределы герметизирующего элемента. При этом сечение всех элементов конструкции, по которым протекает ток, должно соответствовать токовой нагрузке. В данном устройстве наличие в электрической цепи коммутации силовых кабелей с медными жилами элементов из ковара приведет при обеспечении требуемой токовой нагрузки к значительному увеличению габаритов данного спая, возникновению больших переходных сопротивлений, выделению энергии в виде тепла, а также к энергетическим потерям мощности и снижению надежности металлостеклянного спая.
Известен наиболее близкий и поэтому принятый за прототип герметичный узел [SU №1735914, МПК Н01В 17/26, опуб. 23.05.1992 г], который представляет собой устройство прохода токопроводящих элементов в герметичную камеру или приборов, работающих в условиях воздействия давления жидких или газообразных сред. Данное устройство содержит цилиндрический металлический (стальной) корпус, в котором размещена перегородка, перфорированная отверстиями, через каждое отверстие проходит токопроводящий элемент, изолированный электроизоляционной втулкой, при этом токопроводящие элементы выполнены из металла с низким удельным электрическим сопротивлением, например из меди. Отверстия перегородки выполнены в виде цилиндра, переходящего в усеченный конус, основание которого расположено со стороны высокого давления. Цилиндрическая часть отверстий заполнена бороксилатным стеклом, а коническая - уплотнительной эпоксидной композицией.
Надежность данного узла герметизации по прототипу определяется заливкой уплотнительной композиции в конические проточки отверстий и исключением растрескивания стекла и разгерметизации при попадании влаги на разогретую поверхность стекла в аварийном режиме, что обусловлено эксплуатацией узла в водной среде.
-6
-1
-6
-1
Однако недостатком прототипа является низкая надежность при эксплуатации в условиях взрывного эксперимента в подземных защитных сооружениях. В конструкции металлостеклянного спая прототипа применено боросиликатное стекло, которое создает условие использования токопроводящих элементов, выполненных из меди, а корпуса - из стали. Однако, из области техники известно, что для создания заявленного в прототипе согласованного металлостеклянного спая необходимо, чтобы значение коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР) меди (проводящий элемент) должно быть равно КЛТР стекла (электроизоляционная втулка), а КЛТР стали (корпуса) должно быть равно или немного больше КЛТР стекла. Известно, что КЛТР меди равен 18⋅10град (сталь с подобным коэффициентом существует). Боросиликатное стекло с КЛТР 18⋅10 град является «нестандартным» и требует затратных условий разработки и производства. Из области техники известно [Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом / М.Л. Любимов. - М.: Госэнергоиздат, 1957], что чем больше у стекла КЛТР, тем меньше температура его плавления. Соответственно, диапазон рабочих температур конструкции стеклоспаев на основе таких стекол также будет ограничен. Данное обстоятельство снижает важные показатели характеристик стеклоспаев, такие как: гигроскопичность, ударостойкость и сопротивление избыточному давлению, что является важным в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышение надежности при эксплуатации герметичного электрического ввода в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях.
Технический результат достигается тем, что герметичный электрический ввод, содержащий цилиндрический металлический корпус с перегородкой, перфорированной отверстиями, через каждое отверстие проходит токопроводящий элемент, изолированный стеклянной электроизоляционной втулкой, при этом токопроводящие элементы выполнены из металла с низким удельным электрическим сопротивлением, например из меди, согласно полезной модели на каждый токопроводящий элемент, имеющий сформированное со стороны области высокого давления утолщение, дополнительно надета демпфирующая втулка, торцом упирающаяся в указанное утолщение и герметично соединенная с ним, например сваркой, с образованием между внутренней поверхностью демпфирующей втулки и наружной поверхностью токопроводящего элемента кольцевого зазора, по длине выступающего за пределы электроизоляционной втулки, при этом демпфирующая втулка средней частью длины герметично соединена с электроизоляционной втулкой, а величина зазора превышает величину предельно допустимого перемещения демпфирующей втулки в зоне ее соединения с электроизоляционной втулкой, причем материалы корпуса, демпфирующей и электроизоляционной втулок согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения.
Введение между токопроводящим элементом и стеклянной электроизоляционной втулкой демпфирующей втулки, герметично соединенной средней частью длины с электроизоляционной втулкой, причем материалы корпуса, демпфирующей и электроизоляционной втулок согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения обеспечивает создание согласованного по КЛТР паяного соединения (корпус - электроизоляционная втулка - демпфирующая втулка) как типового сжатого металлостеклянного спая, что предотвращает развитие напряжений в металлических и стеклянных элементах, способных нарушить герметичность соединения стекла с металлом.
Наличие на каждом токопроводящем элементе сформированного со стороны области высокого давления утолщения, в которое торцом упирается демпфирующая втулка и герметично соединяется с ним, например сваркой, обеспечивает эксплуатационную надежность герметичного электрического ввода за счет отсутствия разрушающих напряжений в месте герметичного соединения демпфирующей втулки с утолщением токопроводящего элемента. Так как воздействующее на герметичный ввод при проведении взрывных экспериментов высокое давление со стороны утолщения токопроводящего элемента обеспечивает постоянное поджатие демпфирующей втулки к утолщению. При этом сварное соединение работает на сжатие, что в условиях динамических ударных перегрузок более предпочтительно.
Образование между внутренней поверхностью демпфирующей втулки и наружной поверхностью токопроводящего элемента кольцевого зазора, по длине выступающего за пределы электроизоляционной втулки, при этом величина зазора превышает величину предельно допустимого перемещения демпфирующей втулки в зоне ее соединения с электроизоляционной втулкой, дает возможность компенсировать несогласованность по КЛТР материалов демпфирующей втулки и токоведущего элемента и обеспечить гарантированное исключение контакта демпфирующей втулки и токопроводящего элемента в области создания металлостеклянного спая с электроизоляционной втулкой. При изготовлении металлостеклянного спая в процессе остывания стекла электроизоляционной втулки возможна деформация демпфирующей втулки за счет сжимающего радиального давления корпуса со стеклянной электроизоляционной втулкой на демпфирующую втулку. Отсутствие зазора может привести к растрескиванию стекла и, соответственно, к потере герметичности ввода. При этом деформация граничащих с металлостеклянным спаем, свободных от соединения со стеклом участков демпфирующей втулки не создает в металлостеклянном спае дополнительных напряжений. Кроме того, на герметичный электрический ввод в процессе эксплуатации (транспортировка, проведение взрывного эксперимента, а также дальнейшего длительного хранения в условиях, например близких к вечной мерзлоте) воздействуют различные температуры, которые усиливают внутренние напряжения сопрягаемых элементов конструкции, отвечающих за герметичность. Данные несогласованные напряжения могут привести к растрескиванию стекла и, как следствие, к потере герметичности ввода и проникновению экологически опасных продуктов в зону нахождения обслуживающего персонала при проведении взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях. Наличие указанного зазора исключает разрушительные напряжения несогласованных по КЛТР элементов.
Таким образом, совокупность вышеперечисленных существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает повышение эксплуатационной надежности герметичного электрического ввода в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующим условию «новизна».
Полезная модель иллюстрируется чертежами:
на фиг. 1 - показан общий вид герметичного электрического ввода, где Р - область высокого давления;
на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1.
Устройство выполнено следующим образом.
Герметичный электрический ввод (фиг. 1-2) содержит стальной цилиндрический корпус 1 с перегородкой, профилированной отверстиями 2. Через каждое отверстие 2 проходит медный токопроводящий элемент 3, изолированный электроизоляционной втулкой 4 из стекла С52-1. На каждый токопроводящий элемент 3, имеющий сформированное со стороны области высокого давления Р утолщение 5, надета коваровая демпфирующая втулка 6, средней частью длины герметично соединенная с электроизоляционной втулкой 4 и торцом упирающаяся в указанное утолщение 5 и герметично соединена с ним, например сваркой. Втулка 6 может быть приварена к токопроводящему элементу 3 и вторым своим торцом. Между внутренней поверхностью втулки 6 и наружной поверхностью токопроводящего элемента 3 образован кольцевой зазор, сформированный кольцевой проточкой 7, выполненной либо во втулке 6, либо в элементе 3. Втулка 6 установлена так, что проточка 7 по длине выступает за пределы втулки 4, а величина зазора Δ превышает величину предельно допустимого перемещения демпфирующей втулки в зоне ее спая с электроизоляционной втулкой 4. Материалы корпуса 1, демпфирующей 6 и электроизоляционной 4 втулок согласованы по коэффициенту линейного теплового расширения.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
На каждый медный токопроводящий элемент 3 надевают коваровую демпфирующую втулку 6 с упором ее торца в выполненное у токопроводящего элемента 3 утолщение 5 и соединяют с утолщением 5 сваркой. Демпфирующая втулка 6 может также быть приварена к элементу 3 и вторым торцом. Затем на демпфирующую втулку 6 надевают стеклянную втулку 4 и вводят каждую такую сборку в отверстия 2 корпуса 1. При этом демпфирующую втулку 6 ориентируют средней частью длины относительно стеклянной втулки 4 и с обеспечением выхода по длине имеющейся между втулкой 6 и токопроводящим элементом 3 кольцевой проточки 7 за пределы втулки 4. Собранную конструкцию по технологии металлостеклянных спаев нагревают, а затем остужают. Материал стеклянной втулки 4 при нагреве растекается, происходит спай втулки 4 с корпусом 1 и демпфирующей втулкой 6. После остывания стекло приобретает прочностные свойства, обеспечивающие равнопрочность соединения с соединяемыми элементами. Собранный электрический ввод проверяют на герметичность избыточным давлением, для чего на корпус 1 надевают уплотнительные резиновые элементы 8, размещенные в кольцевых проточках. При положительном результате проверки герметичный электрический ввод готов к дальнейшей сборке в проходке сильноточной, используемой в гермостенках подземных защитных сооружений.
Гарантированный зазор Δ между демпфирующей втулкой 6 и токопроводящим элементом 3 устраняет внутренние напряжения в области металлостеклянного спая, возникающие при его изготовлении. Отсутствие зазора может привести к негативным последствиям. Так, в процессе изготовления металлостеклянного спая токопроводящий элемент 3 в результате нагрева расширяется, деформируя демпфирующую втулку 6 и соответственно стеклянную втулку 4, которая до достижения температуры плавления может треснуть. А при остывании металлостеклянного спая и вследствие того, что значение КЛТР стали больше, чем КЛТР стекла и ковара, стальной корпус 1 давит на стеклянную втулку 4, которая в свою очередь давит на демпфирующую втулку 6, деформируя ее. Так как КЛТР материала корпуса 1 (сталь) больше КТЛР материала токопроводящего элемента 3 (медь), то сопрягаемые поверхности коваровой демпфирующей втулки 6 и токопроводящего элемента 3 начнут контактировать, создавая внутренние напряжения, которые могут привести к разрушению стеклянной втулки 4.
Перечисленные особенности делают конструкцию предлагаемого технического решения более надежной в эксплуатации, что существенно для герметичного электрического ввода, используемого в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях.
При этом простота конструкции герметичного электрического ввода и соответственно более технологичное производство, а также возможность применения стекла стандартных марок, аналогичных С52-1, при изготовлении металлостеклянного спая позволяет уменьшить затраты на производство ввода, в отличии от прототипа, где используется сложный при изготовлении металлостеклянный спай на основе боросиликатного стекла. Температура плавления стекла С52-1 около 1000°С, соответственно, рабочий диапазон использования конструкции расширяется, что делает характеристики стеклоспая (ударостойкость, стойкость избыточному давлению) более высокими и стабильными. Кроме того появляется возможность применить материал стеклянной втулки, который создаст металлостеклянный спай с повышенными прочностными характеристиками.
На предприятии была изготовлена опытная партия, которая подтвердила эксплуатационную надежность заявляемого герметичного электрического ввода.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при его осуществлении относится к области электротехники, а именно к магистральным электрическим линиям связи, применяемых в кабельных переходах между областями с различным давлением, и может быть использовано для обеспечения герметичного пропуска электрических кабелей через стены в загрязненную зону, в частности, во внутреннее пространство герметичного подземного сооружения, предназначенного для проведения взрывных экспериментов;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, предназначено для повышения эксплуатационной надежности герметичного электрического ввода в условиях взрывных экспериментов в подземных защитных сооружениях;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию "промышленная применимость".