ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИЗОЛЯТОР

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к изоляторам с эластомерными юбочными элементами. В частности, полезная модель относится к высоковольтным изоляторам воздушных линий электропередачи, рассчитанных на напряжение преимущественно 6-35 кВ. Заявленный изолятор в частности предназначен для изоляции и крепления проводов, тросов в изолирующих узлах фиксаторов, консолей контактных сетей, воздушных линий электропередачи и других устройств переменного тока частотой до 100 Гц напряжением 27,5 кВ. Также может использоваться в распределительных устройствах и подстанциях железной дороги.
Известен полимерный стержневой изолятор, содержащий электроизоляционный стержень, например, стеклопластиковый, юбочные элементы с осевым отверстием и металлические оконцеватели. Юбочные элементы выполнены в виде цилиндрового корпуса и кольцевого ребра. Электроизоляционный стержень и юбочные элементы соединены между собой связывающим веществом.
Длину осевого отверстия юбчатого элемента L и толщину Δ его стенки выбирают из соотношения (L/)Δ≤8 [см. Патент Украины №7964, МПК Н01В 17/24. 1995 р.].
Недостатком данного изолятора является его сборная конструкция, в которой изоляционный элемент образуется в процессе монтажа предварительно изготовленных юбчатых элементов на электроизоляционный стержень путем последовательного соединения указанных юбчатых элементов.
При изготовлении полимерных изоляторов из отдельных элементов и соединении их связывающим веществом существует вероятность недостаточной герметизации места соединение юбчатых элементов и
сложность создания равномерного слоя связывающего вещества между юбчатыми элементами и стеклопластиковым стержнем, из-за чего там могут оставаться воздушные промежутки.
Это может привести к доступу влаги к стеклопластиковому стержню и последующему его разрушению.
Известный также полимерный стержневой изолятор, в который входят стеклопластиковый стержень и изоляционный элемент, соединенные между собой связывающим веществом, и металлические оконцеватели. Изоляционный элемент выполнен с корпусом и кольцевыми ребрами, которые имеют конусообразное углубление в нижней части.
Изоляционный элемент выполнен в виде цельнолитой оболочки, угол наклона образовывающей конусообразного углубления к плоскости его основы α, в градусах, радиус закругления в месте примыкания поверхности углубления к корпусу изоляционного элемента R, в миллиметрах, выбранный из соотношения α/R=2,5÷4,0 [См. Патент Украины 52084 А, МПК Н01В 17720, 2002 р.].
Недостатком данного решения является недостаточная электрическая прочность и эксплуатационная надежность изоляторов.
Прототипом является полимерный стержневой изолятор, который содержит электроизоляционный стеклопластиковый стержень и изоляционный элемент, соединенные между собой связывающим веществом, а также металлические оконцеватели, при этом изоляционный элемент выполнен в виде цельнолитого цилиндрового корпуса с кольцевыми ребрами, которые имеют конусообразное углубление в нижней части. Угол наклона кольцевого ребра изолятора лежит в границах от 13 до 25°, угол расхода вершины кольцевого ребра изолятора лежит в границах от 6 до 7°, угол наклона нижней поверхности кольцевого ребра к горизонтальной плоскости лежит в границах от 6 до 18°, радиусы соединения кольцевого ребра изолятора с нижней и верхней частями цилиндровой оболочки изолятора находятся в диапазонах соответственно от 1 до 3 мм и от 5 до 6 мм, толщина
стенки цилиндровой оболочки лежит в границах от 5 до 7 мм, диаметр кольцевого ребра цилиндровой оболочки изолятора лежит в границах от 80 до 160 мм, шаг между смежными кольцевыми ребрами лежит в границах от 20 до 60 мм, ширина кольцевого ребра в его основы лежит в границах от 5 до 21 мм, а отношение длины пути истока элемента к шагу между смежными кольцевыми ребрами лежит в границах от 2,35 до 3,5 [См. Патент Украины №60950, МПК Н01В 17/00, 2005 р.].
Недостатком данного изолятора является недостаточно высокая электрическая прочность, а также высокая материалоемкость и себестоимость.
В основу полезной модели поставлена задача путем подбора оптимального соотношения определенных типоразмеров изоляционного элемента достичь технического результата, заключающегося в достижении повышенных разрядныхэлектрических характеристик изолятора при снижении его материалоемкости.
Решение указанной задачи заключается в том, что высоковольтный изолятор содержит электроизоляционный стержень (1) с металлическими оконцевателями (2) и изоляционный элемент (3), соединенный со стержнем связывающим веществом (4). Изоляционный элемент выполнен в виде цельнолитого цилиндрового корпуса (5) с кольцевыми ребрами (6), которые выполнены одинаковым диаметром или двух разных диаметров, при этом кольцевые ребра большего (7) и меньшего (8) диаметра чередуются между собой. Расстояние между ребрами (9) лежит в границах от 21 до 33 мм. Отношение максимальной высота (10) изоляционной части до минимальной высоты изоляционной части является не больше, чем 2,63 до 1, причем минимальная высота изоляционной части составляет не менее чем 180 мм. Отношение максимального диаметра кольцевого ребра до минимального диаметра кольцевого ребра является не большим чем 1,87 до 1.
Упомянутый выбранный интервал расстояний между ребрами - от 21 до 31 мм в комбинации с интервалом для диаметров ребер, в котором
максимальный диаметр не больше минимального, чем в 1,87 раз, позволяет достичь наиболее эффективных значений напряженности электрического поля при котором, в условиях эксплуатационных загрязнений возникает перекрытие с учетом минимальных массогабаритных размеров.
Выбор определенного диапазона для высоты изоляционной части позволяет обеспечить эффективные значения разрядных характеристик, используя выбранные эффективные значения Н и D, лежащие в выбранных интервалах при одновременном снижении объема изоляционного элемента с сохранением упомянутых выше эффективных значений напряженности электрического поля при эксплуатационных перекрытиях.
Последнее в свою очередь позволяет достичь в заявленном изоляторе улучшения разрядных характеристик при снижении его материалоемкости.
Таким образом, при выше оговоренном взаимодействии новых существенных признаков заявленной полезной модели, как между собой, так и с известными существенными признаками, достигается упомянутый технический результат.
Также возможно изготовление изоляционного элемента из жидкой резины. Это позволяет уменьшить массогабаритные параметры ребер, а также повышает срок его эксплуатации за счет уменьшения влияния вредных факторов окружающей среды. Например, ребра, выполненные из жидкой резины сбрасывают снеговую нагрузку и лед. Иными словами ребра прогибаются и сбрасывают снег и сосульки. Уменьшение угла ребер в вышеописанной конструкции изолятора предотвращает налипание снега (особенно на консольных изоляторах).
Кроме того, поскольку изоляционные элементы изолятора производятся из жидких резин, технически их можно выполнить утоньшенными, что не дает возможности птицам, которые разрушают полимеры сесть на изолятор. Иными словами ребра прогибаются и птица не может держаться на изоляторе.
Суть полезной модели объясняется чертежами.
Рис.1 - общий вид изолятора с кольцевыми ребрами разного диаметра.
Рис.2 - Рис.5 - варианты воплощения изолятора с кольцевыми ребрами разного диаметра.
Рис.6 - вариант воплощения вида изолятора с кольцевыми ребрами одинакового диаметра.
Полимерный стержневой изолятор содержит электроизоляционный стержень (1), на котором смонтированные металлические оконцеватели (2) и изоляционный элемент (3), соединенный с электроизоляционным стержнем (1) связывающим веществом (4). Изоляционный элемент (3) выполнен в виде корпуса (5) с кольцевыми ребрами (6), расположенных между собой на расстоянии (9) от 21 до 33 мм
Кольцевые ребра (6) могут быть исполнены с одинаковым диаметром, как показано на Рис.6, или двумя разными диаметрами, как изображено на Рис.1 - Рис.5, при этом ребра большего и более малого диаметров чередуются между собой.
Подбор необходимых интервалов расстояния между ребрами Н и отношения максимального диаметра D к минимальному d-D/d производился по результатам испытаний опытных образцов изоляторов в средах с различной степенью загрязненности при измерениях значений напряженности электрического поля при перекрытии Е для Н и D/d. Результаты испытаний приведены в Таблицах 1-2.
Оценка приведенных в Таблицах 1-2 данных показала, что наиболее эффективные значения напряженности электрического поля при перекрытии в увлажненном и загрязненном состоянии были получены для расстояния между ребрами Н, лежащего в интервале от 21 до 33 мм, и для соотношения между максимальным и минимальным диаметрами ребер D/d, равного 1,87. Кроме того, оказалось, что выбор указанных типоразмеров также целесообразен в части расхода сырьевых материалов, что позволяет снизить материалоемкость.
Таблица 1
Н, мм
15
18
20
21
25
33
34
38
40
Е, кВ/см
Загрязнение
Соленый туман с удельной поверхностной проводимостью 0,5 мкСм
1,08
1,69
1,96
2,81
2,9
2,81
2,70
2,61
2,20
Каолин с удельной поверхностной проводимостью 5 мкСм
1,19
1,4
1,57
2,73
2,74
2,73
2,70
2,63
2,06
Каолин с удельной поверхностной проводимостью 20 мкСм
0,9
1,21
1,25
2,27
2,28
2,25
2,09
2,08
1,84
Таблица 2
D/d
1.2
1.3
1.5
1.75
1.87
2.0
2.2
2.25
2.3
Е, кВ/см
Загрязнение
Соленый туман с удельной поверхностной проводимостью 0,5 мкСм
2,08
2,49
2,66
2,81
2,9
2,8
2,70
2,61
2,20
Каолин с удельной поверхностной проводимостью 5 мкСм
2,19
2,3
2,57
2,73
2,74
2,73
2,70
2,63
2,06
Каолин с удельной поверхностной проводимостью 20 мкСм
1,9
2,01
2,15
2,27
2,28
2,25
2,09
2,08
1,84
Как видно из приведенных таблиц, выход за выбранные границы интервалов приводит к значительному уменьшению напряженности электрического поля при перекрытии, и следовательно не может обеспечить повышенные разрядные характеристики изолятора.
Интервал значений высоты изоляционной части выбирался из следующих соображений.
При высоте изоляционной части меньшей, чем 180 мм оказалось невозможным обеспечить эффективные значения разрядных характеристик, используя выбранные эффективные значения Н и D, лежащие в выбранных интервалах.
Высота изоляционного элемента, большая чем 474 мм, то есть превышающая минимальное значение высоты в 180 мм в 2,63 раза, не позволит обеспечить эквивалентную замену изоляции в цепях электрифицированных железных дорог, и к тому значительно повышает материалоемкость изоляционного элемента.
На Рис.1 изображен вариант вида изолятора, в котором диаметр ребра большего диаметра (7) имеют наибольшее числовое значение из избранного диапазона значений.
На Рис.2 изображен вариант вида изолятора, в котором высота изоляционной части (10) имеет максимальное числовое значение из избранного диапазона значений.
На Рис.4 изображен вариант вида изолятора, в котором диаметр ребра меньшего диаметра (8) имеют наименьшее числовое значение из избранного диапазона значений.
На Рис.5 изображен вариант вида изолятора, в котором высота изоляционной части (10) имеет наименьшее числовое значение из избранного диапазона значений.
Высоковольтный изолятор изготовляют следующим образом.
Электроизоляционный стержень (1) покрывают связывающим веществом (4) и размещают в литую пресс-форму (на чертеже не указанная), которую располагают, например, в вулканизационный пресс (на чертеже не указанный) и в такой шприцаппаратом (на чертеже не указанный) подают под давлением наполнитель, из которого формируют изоляционный элемент (3). Таким материалом, в частности может быть эластомер.
Проводят вулканизацию наполнителя, как правило, при температуре 90-160°С на протяжении 5-20 мин, после чего электроизоляционный стержень (1) с изоляционным элементом (3), что имеет цилиндровый корпус (5) и кольцевые ребра (6), вынимают с пресс-формы и снимают облой, что образовался во время формирования.
После этого на концах электроизоляционного стержня (1) монтируют металлические оконцеватели (2).
Большое напряжение, сжатое (спрессованный) состояние наполнителя в стержне обеспечивают необходимые тверди механические свойства изоляционному телу изолятора.
В зависимости от конструктивного выполнения изолятора электроизоляционный стержень могут размещать в литую прессформу с одним или двумя смонтированными металлическими оконцевателями.
Также изолятор может быть изготовлен в полевых условиях соединением стержня, изоляционного элемента и существующего на опоре стержня методом обжатия корпуса ручным или мобильным прессом, применяемым для монтажа проводов ЛЭП. Также для обжатия могут использоваться прессы Clamping unit 300 KN, Clamping unit 400 KN или Clamping unit 400×2 KN.
В сжатом состоянии изоляционный элемент передает нагрузку вниз и боковые выгибающие нагрузку на стержень, поскольку указанные нагрузки также внутри изоляционного элемента на сжатие. Долговременные усилия на изолятор, вертикально вверх, на практике не встречаются. Случайные нагрузки от тряски проводов после сброса являются небольшими и компенсируются сдвиговыми напряжениями в запрессованном изоляционном элементе. Обжатие изоляционного элемента в корпусе создает достаточно прочную заделку корпуса на стержне и позволяет не применять дополнительного стопорного кольца или другие дополнительные приспособления.
Электроизоляционный элемент является диэлектриком между корпусом и стержнем. Термическая стойкость такого изолятора составляет более 350 градусов и ограничена собственно температурой плавления корпуса и стержня. Электроизоляционный элемент становится демпфирующей прокладкой, компенсирующей возможные разные коэффициенты температурного собственного расширения, а также расширения материала корпуса и стержня. Вследствие этого изолятор может выдерживать резкие перепады температуры до 300 градусов (термошок), что на порядок больше, чем у всех существующих изоляторов. Упругие свойства изолятора и отсутствие хрупких деталей позволяют транспортировать изоляторы без боя. Уменьшение веса изолятора дает экономию на транспортных расходах. Кольцевые ребра (концентрические тарелки), которые являются частью электроизоляционной части, что увеличивают длину пути истока тока по поверхности изолятора.