ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР С АРМИРУЮЩИМИ СТЕРЖНЯМИ
ELECTRIC INSULATOR WITH REINFORCING RODS

Область техники
Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, в частности к опорным, подвесным, проходным изоляторам и изоляторам других типов.
Уровень техники
Из патента RU 2453008 известен проходной изолятор, в котором в качестве воспринимающего механические нагрузки элемента используется стеклопластиковая труба, поверх которой установлен крепежный узел, а пространство между трубой и проводником, расположенным внутри трубы, заполнено диэлектриком, в качестве которого используется силиконовая (кремнийорганическая) резина. Недостаток этого изолятора заключается в том, что из-за разности коэффициентов теплового температурного расширения трубы и силиконовой резины на порядок и более при низких температурах силиконовая резина отслоится либо от трубы, либо от проводника либо появятся трещины внутри слоя резины с появлением одной или множества воздушных полостей как вдоль, так и поперек проводника. Это может привести либо к разгерметизации изолятора, либо к ухудшению его электрической прочности, в результате чего изолятор окажется неработоспособен или могут появиться предпосылки для создания аварийных или нештатных ситуаций.
В уровне техники также широкое применение имеет электрический изолятор, который в одном из вариантов в своем составе содержит диэлектрический стержень, на концах которого установлены крепежные узлы, которые также могут называться оконцевателями. Пространство между крепежным узлами вокруг диэлектрического стержня заполняется, например, эластичным диэлектрическим материалом, в качестве которого может быть использована силиконовая резина. Чаще всего, на поверхности диэлектрический материал имеет ребра для создания необходимой длины пути утечки тока. Если изолятор предназначен для восприятия сжимающих, и/или крутящих, и/или изгибающих механических нагрузок, то такой изолятор может называться опорным, а если растягивающих нагрузок, то подвесным или натяжным изолятором. Однако в том случае, когда, как показано на фиг.1, изолятор должен иметь малую длину (например, относительно глубины крепежных отверстий), такой изолятор сделать невозможно из-за малого расстояния h1 внутренней изоляции (представляющей собой часть изоляционного тела 1, выполненного с использованием эластичного диэлектрического материала) между крепежными узлами 2, установленными на концах диэлектрического стержня 3, недостаточного для обеспечения электрической прочности изолятора. В некоторых районах, подверженным актам вандализма, подвесные изоляторы на линиях электропередач расстреливаются вандалами и в случае прямого попадания пули в тонкий стеклопластиковый стержень (обычно для подвесных изоляторов используются стержни диаметром от 12 до 26 мм) провод падает на землю, приводя к короткому замыканию и аварийной ситуации.
Кроме того, из уровня техники известен полый опорный изолятор, в котором вместо диэлектрического стержня может быть использована диэлектрическая труба, выполненная, например, из стеклопластика. На концы такой трубы также устанавливаются крепежные узлы, а пространство между крепежным узлами вокруг трубы заполняется силиконовой резиной. Такой опорный изолятор обеспечивает необходимые электрическую и механическую прочность, однако стоимость изготовления трубы, обеспечивающей необходимую механическую прочность, в случае значительных габаритов изолятора, оказывается весьма высока из-за высокой стоимости оснастки и оборудования для производства стеклопластиковых труб и высокой трудоемкости их изготовления.
Таким образом, в уровне техники известны различные изоляторы, каждый из которых содержит несущий элемент, изоляционное тело, выполненное с использованием эластичного диэлектрического материала, и крепежные узлы. Однако в некоторых случаях изолятор имеет недостаточные электрические характеристики или высокую стоимость при обеспечении необходимой механической прочности ввиду массогабаритных или стоимостных показателей несущего элемента изолятора.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение достаточной механической прочности при улучшении остальных (электрических, стоимостных и т.п.) характеристик электрического изолятора, например снижение стоимостных характеристик и/или улучшение электрических характеристик (например, электрической прочности). С другой стороны, задача изобретения может звучать как повышение механической прочности электрического изолятора при обеспечении достаточных электрических и/или стоимостных характеристик изолятора.
Задача настоящего изобретения решается с помощью электрического изолятора, содержащего изоляционное тело, выполненное с использованием эластичного диэлектрического материала, по меньшей мере, один крепежный узел и армирующие стержни, расположенные, по меньшей мере, частично в изоляционном теле, причем, по меньшей мере, часть армирующих стержней механически соединена между собой. Механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней может быть выполнено, например, путем механического соединения их концов.
В одном из вариантов, по меньшей мере, часть армирующих стержней может быть механически соединена между собой с помощью, по меньшей мере, одного крепежного узла. В том случае, если таких крепежных узлов два или более, то изолятор может представлять собой опорный или подвесной (натяжной) изолятор. Кроме того, по меньшей мере, часть стержней также может быть соединена, по меньшей мере, одним (например, промежуточным) соединительным элементом
В другом варианте в изоляционном теле может быть размещен проводник, около которого и вдоль которого размещены армирующие стержни. В таком варианте изолятора, по меньшей мере, часть армирующих стержней может быть механически соединена между собой с помощью, по меньшей мере, одного соединительного элемента. Поверх изоляционного тела, покрывающего проводник и армирующие стержни, может быть выполнен (например, установлен), по меньшей мере, один крепежный узел. В таком случае изолятор может считаться проходным. В предпочтительном варианте осуществления такого изолятора, по меньшей мере, часть армирующих стержней механически соединена между собой с помощью, по меньшей мере, двух соединительных элементов. Кроме того, в некоторых случаях может быть обеспечено механическое соединение одного или более соединительных элементов с проводником.
В предпочтительном варианте осуществления эластичный диэлектрический материал представляет собой кремнийорганическую (силиконовую) резину, однако может быть выполнен, например, в виде этиленпропиленовой резины или полиуретана.
В преимущественном варианте армирующие стержни расположены полностью в изоляционном теле. Армирующие стержни, и/или крепежные узлы, и/или соединительные элементы могут быть выполнены с использованием диэлектрического материала, например стеклопластика, или с использованием токопроводящего материала, например металла.
Механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней может быть выполнено с использованием приклеивания. В то же время механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней может быть выполнено с использованием, по меньшей мере, одного крепежного узла или, по меньшей мере, одного соединительного элемента, а соединение армирующих стержней и, по меньшей мере, одного крепежного узла или, по меньшей мере, одного соединительного элемента может быть выполнено путем обжатия или опрессовывания армирующих стрежней в крепежном узле или соединительном элементе соответственно. Кроме того, соединение между собой армирующих стержней также может быть выполнено с использованием приклеивания армирующих стрежней в крепежном узле или соединительном элементе.
В преимущественном варианте эластичный диэлектрический материал имеет адгезию к стержням, и/или крепежным узлам, и/или соединительным элементам.
Благодаря изобретению удается достигнуть технический результат, заключающийся в повышении механической прочности конструкции электрического изолятора. Вследствие того, что армирующие стержни механически соединены друг с другом, обеспечивается создание объемной конструкции, которая обладает большей механической прочностью и жесткостью, чем сумма прочностей или жесткостей отдельных армирующих стержней (и несущего элемента, если используется). Это позволяет улучшать электрические и/или стоимостные характеристики изолятора при обеспечение достаточной механической прочности или, в другом варианте, повышать механическую прочность изолятора при сохранении остальных (электрических, стоимостных и т.п.) характеристик изолятора на прежнем (достаточном) уровне. При этом увеличить прочность и жесткость объемной конструкции до необходимого уровня можно путем увеличения количества стержней, увеличением диаметра стержней, увеличением диаметра их расположения, увеличением количества промежуточных соединительных элементов, применением непараллельного расположения стержней.
Также обеспечен технический результат, заключающийся в снижении сложности и соответственно стоимости изготовления элементов изолятора и изолятора в целом, поскольку изготовление армирующих стержней с относительно малыми поперечными размерами намного проще и дешевле, чем изготовление несущих элементов изолятора с большими поперечными размерами, например, стеклопластиковой трубы.
Кроме того, в некоторых вариантах выполнения изоляторов достигаются дополнительные технические результаты. Например, для изоляторов (в частности, проходных) удается улучшить электрическую прочность и герметичность при сохранении механической прочности. Это становится возможным благодаря снижению зависимости электрической прочности и герметичности изоляторов от перепадов температуры, поскольку при снижении температуры эластичный диэлектрический материал будет беспрепятственно сжиматься вместе с податливыми стержнями в направлении к проводнику, а в местах их крепления в соединительных элементах сжатие диэлектрического материала в пространстве, ограниченном стержнями, будет компенсироваться за счет его поступления снаружи в пространство между стержнями. Такое небольшое перемещение армирующих стержней совместно с эластичным диэлектрическим материалом и эластичного диэлектрического материала между стержнями позволяет избежать образования воздушных полостей в изоляторе и/или других изменений структуры изолятора, ухудшающих его механическую или электрическую прочность. В прототипе RU 2453008 такой механизм компенсации температурных деформаций в пространстве, заполненном силиконом, между трубой и проводником невозможен, поскольку нет источника восполнения уменьшающегося при понижении температуры объема диэлектрического материала между трубой и проводником, что приведет к появлению трещин неопределенной формы и направления, заполненных поначалу вакуумом, а впоследствии - за счет диффузии - воздухом с примесью продуктов, содержащихся в диэлектрике.
Кроме того, для опорных изоляторов малой высоты при сохранении или увеличении механической прочности благодаря изобретению дополнительно удается повысить электрическую прочность внутренней изоляции. У крупногабаритных опорных изоляторов также может быть снижена их стоимость при обеспечении необходимой механической и электрической прочности. Для подвесных или натяжных изоляторов благодаря изобретению дополнительно удается повысить их вандалоустойчивость благодаря замене одного несущего элемента несколькими армирующими стержнями. Достижение технического результата - вандалоустойчивости - для подвесных и натяжных изоляторов достигается за счет отсутствия возможности перебить одной пулей несколько разнесенных от центральной оси изолятора стержней, и существенного снижения вероятности попадания по всем стержням при многократном расстреле.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан короткий опорный изолятор в соответствии с уровнем техники.
На фиг.2 показан короткий опорный изолятор с армирующими стержнями в соответствии с изобретением.
На фиг.3 показан полый опорный изолятор с армирующими стержнями согласно изобретению.
На фиг.4 показано сечение полого опорного изолятора с армирующими стержнями, представленного на фиг.3.
На фиг.5 показан подвесной изолятор с армирующими стержнями.
На фиг.6 показан проходной изолятор с армирующими стержнями, имеющий крепежный узел в виде выступа на изоляционном теле, за который изолятор прижимается к стенке электроустановки прижимным фланцем (на рисунке не показан).
На фиг.7 показан проходной изолятор с армирующими стержнями, имеющий крепежный узел в виде втулок, установленных (залитых) в изоляционном теле.
На фиг.8 показан проходной изолятор с армирующими стержнями, имеющий крепежный узел в виде металлического фланца, закрепленного поверх изоляционного тела
Осуществление изобретения
Изобретение представляет электрический изолятор, который может быть реализован в форме изоляторов различных видов - опорных, проходных, подвесных и т.п. Общими признаками, характерными для всех видов изоляторов, согласно изобретению являются наличие изоляционного тела, выполненного с использованием эластичного диэлектрического материала, одного или более крепежных узлов, а также использование в составе изолятора армирующих стержней.
Эластичным диэлектрическим материалом, используемым при изготовлении изоляционного тела, согласно изобретению может быть любой материал, обладающий эластичностью и необходимыми диэлектрическими свойствами, стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. В качестве материала с такими свойствами предпочтительно используются различные полимеры, например кремнийорганическая (силиконовая) резина, этиленпропиленовая резина или полиуретан. Эластичность используемого материала может находиться в широком диапазоне и является необходимым условием для обеспечения компенсации температурных деформаций и предотвращения отслоения диэлектрического материала от стержней как в направлении вдоль стержней, так и в поперечном направлении.
Крепежные узлы изолятора предназначены для механического соединения (закрепления) изолятора или его элементов с внешними объектами, такими как элементы электроустановок (например, провода, опоры, стойки и т.п.) или несущие конструкции (например, стены, потолки, шкафы, платы и т.п.). В зависимости от исполнения крепежные узлы также могут обеспечивать электрическое соединение элементов, соединяемых механически. В частности, такое возможно, если крепежные узлы изготавливаются использованием токопроводящего материала, например металла (сталь, медь, алюминий и т.п.). Однако возможно изготовление крепежных узлов с использованием диэлектрического материала, например стеклопластика.
Стержнем являются продолговатое изделие, поперечные сечения которого намного (на порядок и более) меньше продольного размера, т.е. длины стержня. Армирующие стержни, используемые в составе электрического изолятора согласно изобретению, предназначены для обеспечения механической прочности и жесткости изолятора, которую ему не может обеспечить эластичный диэлектрический материал, в частности, на изгиб, растяжение, сжатие или кручение вокруг оси, вдоль которой (или преимущественно вдоль которой) расположены армирующие стержни.
Обеспечение механической прочности достигается за счет образования армирующими стержнями пространственно-распределенной (объемной) конструкции. Обычно это достигается тем, что устанавливаются стержни на некотором расстоянии между собой с обеспечением механической связи.
Механическое соединение между собой армирующих стержней, входящих в состав изолятора (или части из них), может быть достигнуто путем их расположения, по меньшей мере, частично в изоляционном теле. Для этого необходимо, чтобы была обеспечена адгезия между эластичным диэлектрическим материалом, с использованием которого выполнено изоляционное тело, и армирующими стержнями, достаточная для восприятия соответствующих механических усилий, а сам диэлектрический материал должен обладать эластичностью, обеспечивающей сохранение адгезии при приложении механических усилий. Адгезия диэлектрического материала к стержням необходима еще и с точки зрения обеспечения электрической прочности изолятора, поскольку в случае отслоения диэлектрического материала от стержня по границе раздела диэлектрический материал/стержень может произойти электрический разряд - пробой изолятора.
Поскольку только жесткости эластичного диэлектрического материала, в большинстве случаев, недостаточно для обеспечения восприятия пространственной стержневой конструкцией необходимых механических усилий, механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней преимущественно обеспечивается дополнительно другими способами, например, путем механического соединения их концов (с одной или обеих сторон). В том случае, если армирующие стержни имеют изогнутую форму, например, средняя часть выступает в сторону, то при механическом соединении концов этих стрежней может быть получена объемная конструкция, обладающая значительной механической прочностью. Соединение концов в таком случае может быть выполнено соединительным элементом или в крепежном узле способом обжатия, опрессовки или приклеивания.
В то же время большим удобством при изготовлении изоляторов в соответствии с настоящим изобретением обладают прямолинейные стержни ввиду простоты изготовления и нарезки на отрезки заданной длины. Для образования объемной конструкции, обладающей повышенной механической прочностью и жесткостью, можно применить один или несколько из следующих конструктивных приемов: разнесение стержней на возможно удаленное расстояние друг от друга, увеличение количества стержней, увеличение механической прочности каждого стержня за счет увеличения его сечения или применения более прочного материала, увеличение количества дополнительных жестких связей между стержнями (промежуточных соединительных элементов), применение непараллельного расположения стержней в конструкции. Критерием выбора того или иного конструктивного приема должна быть наименьшая стоимость изолятора при обеспечении необходимой механической и/или электрической прочности изолятора. Далее рассматриваются несколько вариантов настоящего изобретения, в которых для механического соединения армирующих стержней используются различные соединительные элементы.
В первом варианте, показанном на фиг.2 и представляющем собой опорный изолятор, армирующие стержни 6 жестко соединены между собой с помощью верхнего и нижнего крепежных узлов 5 и расположены в изоляционном теле 4. Благодаря применению армирующих стержней, соединенных крепежными узлами в объемную конструкцию, в опорных изоляторах возможно исключить диэлектрический стержень большого диаметра, используемый в изоляторе на фиг.1, что может быть полезно при изготовлении коротких опорных изоляторов. Так, сравнивая изоляторы на фиг.1 и фиг.2, можно отметить, что при использовании армирующих стержней удалось увеличить электрическую прочность внутренней изоляции за счет увеличения изоляционного промежутка h2 между крепежными узлами (оконцевателями) изолятора. Поскольку на фиг.1 стержень 3 расположен по одной оси с крепежными отверстиями во фланце, то высота крепежного элемента 2 складывается из длин резьбового отверстия и длины отверстия, предназначенного для соединения со стержнем, а на фиг.2 высота крепежного элемента 5 зависит только от наибольшей из указанных длин за счет разнесения осей расположения стержней 6 в стороны от оси резьбового отверстия.
Здесь и далее следует иметь ввиду, что механическое соединение может осуществляться по отношению не ко всем армирующим стержням, используемым в конструкции изолятора. Кроме того, в отдельных конструкциях может быть использован один крепежный узел при обеспечении необходимой механической прочности и возможности соединения изолятора с необходимыми элементами внешних конструкций.
На фиг.3 и 4 показан другой вариант опорного изолятора, который может использоваться при изготовлении крупногабаритных изоляторов. В этом изоляторе армирующие стержни 9 также соединены между собой с помощью верхнего и нижнего крепежных узлов 8 и расположены в изоляционном теле 7. В дополнение к крепежным узлам 8 в изоляторе на фиг.3 используется, по меньшей мере, один промежуточный соединительный элемент 10 (выполненный в данном случае в виде кольца), механически соединяющий армирующие стержни между собой в их средних частях, что используется для повышения механической прочности и жесткости изолятора, в частности, ввиду его больших габаритов. Для снижения веса и стоимости изолятора в его средней части между армирующими стержнями, находящимися в изоляционном теле, выполнена полость 11. Внутренняя полость также может иметь оребрение для обеспечения необходимой длины пути утечки тока. Крепежные узлы 8 в изоляторе на фиг.3 также имеют отверстия для того, чтобы полость имела выходы во внешнее пространство, однако они могут отсутствовать или быть закрыты с помощью закрывающих элементов, не показанных на фиг.3.
Описанное выполнение опорного изолятора обеспечивает снижение стоимости его изготовления, поскольку в уровне техники в нем обычно применяется стеклопластиковая труба, трудоемкая в изготовлении и, вследствие этого, имеющая более высокую стоимость, чем показанные на фиг.3 армирующие стержни. Кроме того, снижение стоимости достигается за счет отсутствия необходимости защиты внутренней стенки стеклопластиковой трубы от электрического трекинга и эрозии, поскольку внутренняя стенка изолятора, показанного на фиг.3, состоит из того же трекингоэрозионностойкого диэлектрического материала, что и наружная поверхность изолятора. Всего в изоляторе по настоящему изобретению может быть использовано от 2 до 10 (или при необходимости, например, для крупногабаритных полых изоляторов - большее количество) армирующих стержней.
Если изолятор предназначен для восприятия только растягивающих механических нагрузок, то такой изолятор является подвесным или натяжным. Подвесной изолятор в соответствии с изобретением показан на фиг.5 и помимо изоляционного тела 15 имеет соответствующие крепежные элементы 16 и 17, исключающие приложение изгибающих или крутящих нагрузок к изолятору. Такие крепежные узлы обычно представляют собой части сферического или осевого шарнира, и закрепление стержней 18 в них осуществляется, как и в опорных изоляторах, - в крепежных узлах 16 и 17. Но в отличие от опорных изоляторов необходимость применения пространственной стержневой конструкции в нем может быть также продиктована повышением механической устойчивости изолятора к актам вандализма. В подвесных изоляторах нет необходимости в разнесении стержней на возможно дальнее расстояние друг от друга и в применении жестких промежуточных связей - соединительных элементах, поскольку прочность на растяжение от этих конструктивных приемов не зависит. Количество стержней в подвесном изоляторе может быть продиктовано необходимостью обеспечения механической прочности изолятора при разрушении одного или двух стержней одновременно. Для обеспечения этого свойства может быть достаточно, например, 6 стержней. В другом варианте изолятора крепежные узлы могли бы быть закреплены на одном или более стержнях, а уже к этим несущим стрежням возможно механическое соединение остальных армирующих стержней, например, с помощью дополнительных соединительных элементов.
На фиг.6-8 показаны несколько вариантов выполнения проходного изолятора, в которых также может быть использовано настоящее изобретение. Согласно фиг.6-8 в изоляционном теле 20 может быть размещен проводник 24, около которого и вдоль которого размещены армирующие стержни 23. В таком варианте изолятора, по меньшей мере, часть армирующих стержней может быть механически соединена между собой с помощью, по меньшей мере, одного соединительного элемента 22. Поверх изоляционного тела 20, покрывающего проводник 24 и армирующие стержни 23, может быть выполнен (установлен), по меньшей мере, один крепежный узел 21. В предпочтительном варианте осуществления такого изолятора, по меньшей мере, часть армирующих стержней механически соединена между собой с помощью, по меньшей мере, двух втулок. Кроме того, в некоторых вариантах соединительный элемент может быть соединен с электрическим проводником.
Крепежный узел, как показано на фиг.6-8, может быть выполнен в нескольких формах. На фиг.6 и 7 показаны проходные изоляторы, крепежные узлы 21 и 25 которых выполнены из того же материала, что и изоляционное тело 20 - при соответствующей толщине крепежного узла может быть достигнута необходимая механическая прочность. Изолятор на фиг.7 отличается лишь тем, что в крепежном узле 25 установлены (залиты) крепежные металлические втулки 26 с отверстиями, которые могут быть использованы для закрепления изолятора на стене или другом элементе несущей конструкции с помощью болтов, винтов или других крепежных изделий. Крепежный узел на фиг.6 обеспечивает лишь возможность закрепления изолятора путем размещения узла в несущей конструкции или путем прижатия узла к несущей конструкции дополнительными элементами. Проходной изолятор на фиг.8 содержит металлический крепежный узел 27, установленный на изоляционном теле любым известным из уровня техники способом, например путем приклеивания.
Как видно из чертежей, в преимущественном варианте армирующие стержни расположены полностью в изоляционном теле. В описанных выше вариантах армирующие стержни выполнены с использованием диэлектрического материала, например стеклопластика. Однако армирующие стержни могут быть выполнены и с использованием токопроводящего материала, например металла, обладающего достаточной механической прочностью. В том случае, если крепежные узлы также являются токопроводящими, то назначение изолятора может измениться - например, изоляторы, показанные на фиг.2 и 3, в таком случае могут быть проходными.
Армирующие стержни могут иметь различные профили (круглое, прямоугольное, квадратное, уголковое, тавровое и другие виды сечений).
Соединительные элементы также могут изготавливаться с использованием диэлектрического материала, например стеклопластика, или с использованием токопроводящего материала, например металла.
Механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней может быть выполнено с использованием приклеивания. В то же время механическое соединение между собой, по меньшей мере, части армирующих стержней может быть выполнено с использованием, по меньшей мере, одного крепежного узла или, по меньшей мере, одного соединительного элемента, а соединение армирующих стержней и, по меньшей мере, одного крепежного узла или, по меньшей мере, одного соединительного элемента может быть выполнено путем обжатия или опрессовывания армирующих стрежней в крепежном узле или соединительном элементе соответственно.