Муфта токопровода (варианты)
ELECTRICAL CONDUCTOR'S COUPLING (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам передачи электроэнергии от источников тока потребителям, в частности к узлам токопроводов, таким как муфты для соединения секций токопровода. Изобретение предназначено для его использования в области электротехники.
Из практики известны муфта токопровода, содержащая трубчатый корпус, закрытый с торцов фланцами, расположенными снаружи корпуса, во фланцах выполнены центральные отверстия, в которых расположены шины, в корпусе выполнена полость, в которой расположены контакты соединяемых шин (Соединительные муфты токопроводов. Трасса пофазно изолированного токопровода 35 кВ. «РАУТА ЭНЕРГО», Яндекс, info@rauta energy.ru).
Известна переходная соединительная муфта для соединения электрических кабелей, содержащая изолятор из наполненной эпоксидной композиции, закрепленный в кожухе из немагнитного материала, соединитель штекерного типа, усиливающую изоляцию и узел герметизации, отличающаяся тем, что изолятор выполнен в виде монолитной отливки и герметично соединен с кожухом с одной стороны жестко, а с другой стороны с возможностью относительного перемещения. Изолятор и кожух связаны между собой фланцевыми соединениями, одно из которых выполнено с резиновой прокладкой (RU 147096 U1, 20.10.2014).
Известна переходная соединительная муфта для соединения электрических кабелей, содержащая изолятор из наполненной эпоксидной композиции, закрепленный в кожухе из немагнитного материала, соединитель штекерного типа, усиливающую изоляцию и узел герметизации, отличающаяся тем, что изолятор выполнен в виде монолитной отливки и герметично соединен с кожухом с одной стороны жестко, а с другой стороны с возможностью относительного перемещения. Изолятор и кожух связаны между собой фланцевыми соединениями, одно из которых выполнено с резиновой прокладкой (RU 2518192 C2, 10.06.2014).
Известно устройство для соединения электрического кабеля высокого напряжения, пропитанного текучей изоляционной средой с бумажной изоляцией, и электрического кабеля высокого напряжения с пластмассовой изоляцией, у которого на конце электрического кабеля высокого напряжения с бумажной изоляцией предусмотрена оснащенная герметичным проходным изолятором концевая муфта и у которого место соединения проводов двух кабелей высокого напряжения покрыто электрическим экранирующим элементом и корпусом муфты, причем корпус муфты выполнен в виде продолговатой цельной детали из эластичного изоляционного материала со сквозным каналом для приема двух кабелей высокого напряжения, корпус муфты на двух своих осевых концах, предназначенных для приема кабелей высокого напряжения, оснащен электрическими регулировочными воронками, которые в смонтированном положении прилегают к электропроводящим слоям двух кабелей высокого напряжения, и внутренние диаметры сквозного канала корпуса муфты на двух его оснащенных регулировочными воронками осевых концах для приема двух кабелей высокого напряжения, внешние диаметры которых в областях контакта с корпусом муфты отличаются по меньшей мере на 10 мм, обязательно являются различными в соответствии с этими различными внешними диаметрами (RU 2009139673 A, 10.05.2011).
Известна соединительная муфта для токоведущей шины, в которой в параллельных боковых стенках, ограничивающих с боков приемный канал, расположены несущие шины в изолирующем материале, причем преимущественно у основания токоведущей шины предусмотрен также доступный со стороны приемного канала защитный провод, причем соединительная муфта выполнена, в основном, симметрично относительно средней поперечной плоскости и содержит контакты для контактирования проводов токоведущей шины, а также механические направляющие части и упорные части, с помощью которых соединительная муфта выполнена с возможностью вставки в торцевую сторону токоведущей шины с ограничением хода. Особенностью муфты является то, что контакты представляют собой соответственно расположенные с возможностью пружинного смещения в части корпуса соединительной муфты поперек его продольной оси L-образные контактные полоски, которые имеют один выступающий вбок контактный участок по одну сторону и один - по другую сторону от средней упорной стенки корпуса, образующей среднюю поперечную плоскость или выполненной в ней, на первом плече L-образной формы, прилегающие краевой кромкой второго плеча косвенно через плоскую полоску к стенке корпуса из изолирующего материала, причем на полосках из имеющего пружинные свойства материала отформована и отогнута под прямым углом от полоски слегка V-образно согнутая пружина со средней частью, концы плеч которой пружинно прилегают к наружной поверхности второго плеча контактной полоски, противоположной выступающим контактным участкам первого плеча (RU 2013113959 A, 10.10.2014).
Из зарубежной патентной документации также известны муфты, каждая их которых содержит корпус и расположенные в нем электрические контакты (CN 101465529 A, 24.06.2009, CN 20135575 Y, 02.12.2009, JP 2036717 A, 06.02.1990, US 5436797 и JP 2010110186).
Наиболее близкой муфтой к представленной муфте в данном описании является известная муфта токопровода, которая характеризуется тем, что она содержит полый цилиндрический корпус из стеклотекстолита с закрепленным на его стенке в средней части электрическим контактом, имеющим внешний и внутренний электропровода для выравнивания электрического поля, на концах корпуса закреплены алюминиевые фланцы в виде колец, фланцы расположены на наружной поверхности корпуса и с ними соединены полукольца, имеющие ложементы для взаимодействия с секциями токопровода, на наружной поверхности корпуса намотан слой из изолирующей ток бумаги, на котором расположена петля внешнего электропровода для выравнивания электрического поля, на внешнем электропроводе намотан первый слой из медной фольги, к которой припаян внешний электропровод, на слой из медной фольги намотан поджимающий ее к корпусу первый слой из алюминиевой фольги, далее на первый слой из алюминиевой фольги намотаны слои из изолирующей бумаги, а между этими слоями намотаны слои из проводящей бумаги, на последнем слое от оси корпуса из проводящей бумаги намотан по всей длине муфты второй слой из алюминиевой фольги, на котором по всей длине муфты намотан второй слой из медной фольги, на котором намотан изолирующий слой из изолирующей бумаги, поверх которого надета термоусадочная гибкая труба, при этом концы указанной трубы надеты внахлест на фланцы муфты и загерметизированы, на термоусадочную трубу намотана в два слоя внахлест киперная термоусаживаемая лента из полиэстера, в каждом фланце выполнены резьбовые отверстия под штуцеры для создания вакуума в пространстве между корпусом муфты и термоусадочной трубой, а также для закачки изоляционной эпоксидной смолы в изоляционные слои муфты, при этом все указанные слои, зазоры между ними и термоусадочной трубой заполнены отвержденной эпоксидной смолой и эти слои расположены по длине муфты между ее фланцами, на термоусадочной трубе надета защитная алюминиевая или стальная труба, на концах которой расположены защитные силиконовые кожухи с хомутами для соединения защитной трубы и секциями токопровода. Внутренний электропровод контакта расположен в полости корпуса муфты и служит для его соединения с шиной токопровода, а внешний электропровод контакта расположен снаружи корпуса муфты и прижат к нему указанными слоями муфты (RU 2439764 C1, 10.01.2012 - прототип).
Общими признаками известной муфты и двух вариантов муфты, которые представлены в данном описании, является то, что муфты содержат трубчатый металлический кожух, включающий электроизолированную электроизоляцией несущую трубу, выполненную из пропитанной отвержденной эпоксидной смолой бумаги, к несущей трубе прикреплен охватывающий ее заземляющий экран, который расположен в металлическом кожухе, закрытом с торцов кожуха фланцами с центральным отверстием в каждом из них под располагаемую в нем шину токопровода, при этом кожух и каждый фланец выполнены из немагнитного металлического материала (RU 2439764 C1, 10.01.2012).
Как показала практика, известные муфты, изготовленные в соответствии с патентом RU 2439764 C1, обладают прочностью и огнестойкостью в относительных пределах термических нагрузок, однако для объектов энергопотребления с повышенной опасностью известные муфты отвечают новым требованиям безопасности и надежности не в достаточной мере. Это связано с неудовлетворительной огнестойкостью муфт при длительном термическом на них воздействии, включая воздействие открытым пламенем.
Техническим результатом данного изобретения является повышение огнестойкости муфты.
Технический результат получен первым вариантом муфты токопровода, которая содержит трубчатый металлический кожух с наружным огнезащитным покрытием, включающий электроизолированную несущую трубу с полостью под соединяемые контакты шин токопровода, несущая труба выполнена из бумаги, пропитанной связующим, и к ней прикреплен охватывающий ее снаружи заземляющий экран, который расположен в металлическом кожухе, причем внутри кожуха расположены закрывающие его торцы фланцы, в каждом из которых выполнено отверстие для крепления в нем шины токопровода, кожух и каждый его фланец выполнены из немагнитного металла, между кожухом и заземляющим экраном расположен композитный огнезащитный слой, выполненный из вспучивающегося при нагреве наполнителя, пропитанного связующим, образующим при вспучивании пустоты в огнезащитном слое, при этом наружная поверхность огнезащитного слоя находится в контакте с внутренней поверхностью кожуха, а внутренняя поверхность огнезащитного слоя находится в контакте с несущей трубой.
В качестве связующего выбрана эпоксидная смола с отвердителем, а в качестве наполнителя - вспучивающийся графит.
В качестве наполнителя использован порошковый графит.
Вспучивающийся порошковый графит зафиксирован на пропитанной эпоксидной смолой подложке, образующей собой трубчатую форму огнезащитного слоя.
В стенке кожуха вблизи его фланца установлен клапан, сообщающий полость несущей трубы с атмосферой.
Технический результат получен вторым вариантом муфты токопровода, которая содержит трубчатый металлический кожух с наружным огнезащитным покрытием, включающий электроизолированную несущую трубу с полостью под соединяемые контакты шин токопровода, несущая труба выполнена из бумаги, пропитанной связующим, и к ней прикреплен охватывающий снаружи заземляющий экран, который расположен в металлическом кожухе, причем внутри кожуха расположены фланцы кожуха, закрывающие торцы кожуха, в каждом фланце выполнено отверстие под шину токопровода, кожух и каждый его фланец выполнены из немагнитного металла, между кожухом и заземляющим экраном образована воздушная кольцевая полость, торцы несущей трубы герметично закрыты фланцами несущей трубы с отверстием в каждом из них под шину токопровода.
Вблизи фланца кожуха, в стенке кожуха установлен клапан, сообщающий воздушную кольцевую полость с атмосферой.
На фиг. 1 показан первый вариант муфты в ее продольном разрезе;
на фиг. 2 - поперечный разрез первого варианта муфты (увеличено);
на фиг. 3 - второй вариант муфты в ее продольном разрезе.
Первый вариант муфты содержит металлический кожух 1 (фиг. 1), включающий электроизолированную несущую нагрузку трубу 2 с полостью 3, предназначенной для расположения в этой полости соединяемых контактов 4 шин 5 токопровода. Несущая труба 2 выполнена из бумаги, пропитанной связующим, и снаружи к ней прикреплен заземляющий экран 6. Несущая труба 2 расположена в металлическом кожухе 1. Кожух имеет наружное огнезащитное покрытие 7. Торцы кожуха закрыты фланцами 8. В центральном отверстии каждого фланца 8 герметично расположена шина 5. Торцы несущей трубы 2 жестко соединены уголковыми элементами с кожухом 1.
Фланцы 8 кожуха 1 расположены в полостях 9 кожуха заподлицо с его торцами. Кожух и его фланцы выполнены из немагнитного металла. Между кожухом 1 и несущей трубой 2 расположен композитный огнезащитный слой 10, имеющий в поперечном сечении замкнутую форму. Слой 10 выполнен из вспучивающихся при нагревании частиц 11 наполнителя (фиг. 2), пропитанного связующим 12. Частицы наполнителя выполнены такими, что при чрезмерном температурном воздействии на муфту и на огнезащитный слой 10 частицы 11, находящиеся в отвержденном связующем 12, вспучиваются и образуют в огнезащитном слое 10 пустоты 13.
Наружная поверхность огнезащитного слоя 10 находится в контакте с внутренней поверхностью кожуха 1, а внутренняя поверхность огнезащитного слоя 10 находится в контакте с наружной поверхностью несущей трубы 2.
В качестве связующего выбрана эпоксидная смола с отвердителем, а в качестве наполнителя - графит. В качестве наполнителя использован порошковый графит, который в одном из вариантов использования в исходном состоянии может быть смешан со связующим, а в другом варианте его использования порошковый графит зафиксирован на пропитанной эпоксидной смолой подложке 14, образующей вместе с порошковым графитом и связующим трубчатую форму отвержденного огнезащитного слоя 10.
В стенке кожуха вблизи одного его фланца установлен пневматический клапан 15, сообщающий полость 3 несущей трубы 2 с атмосферой. Клапан 15 предназначен для выхода горячего воздуха из полости 3 в атмосферу в случае повышения давления в полости 3. В обратном направлении клапан 15 пропускает в полость 3 муфты воздух, но не влагу.
В полости 3 несущей трубы 2 расположен внешний электропровод 16, один конец 17 которого связан с несущей трубой 2, а другой конец 18 электропровода оснащен средством 19 для крепления к контакту 4 шины 5 токопровода.
Каждый фланец 8 выполнен из пары пластин 20 и расположенного между ними огнестойкого диэлектрика 21, стянутых болтами 22.
Толщина огнезащитного слоя 10 находится в пределах 3-25 мм и выбрана в зависимости от площади поперечного сечения токоведущей шины, теплоотвода и ее конфигурации. Композитный материал содержит, например, в качестве связующего эпоксидную смолу с отвердителем, а в качестве наполнителя - вспучивающийся графит при соотношении, мас. %: графит 5-60, смола - остальное. Вспучивающийся графит использован с размерами частиц 0,5-0,8 мм в виде свободного порошка или порошка, предварительно зафиксированного на подложке 14.
Второй вариант муфты токопровода (фиг. 3) содержит трубчатый металлический кожух 1, включающий электроизолированную несущую нагрузку трубу 2 с полостью 3 для расположения в ней соединяемых контактов 4 шин 5 токопровода. Несущая труба 2 выполнена из бумаги, пропитанной связующим, и к ней прикреплен охватывающий ее снаружи заземляющий экран 6, который расположен в кожухе 1. Кожух имеет наружное огнезащитное покрытие 7. С торцовых сторон кожух закрыт фланцами 8. В центральном отверстии каждого фланца 8 герметично расположена шина 5. Фланцы кожуха расположены в полостях 9 кожуха заподлицо с его торцами. Кожух и его фланцы выполнены из немагнитного металла.
Между кожухом 1 и несущей трубой 2 образована кольцевая полость 23, сообщенная с полостями 9, каждая из которых расположена между смежными фланцами 8 и 24. Фланцы 24 являются частью несущей трубы 2, они герметично закрывают торцы несущей трубы 2 и расположены за пределами этой трубы. Фланцы 24 состыкованы с торцами несущей трубы 2 и жестко соединены с ней. В каждом фланце 24 выполнено центральное отверстие, в котором герметично расположена шина 5 токопровода. Один из фланцев 24 несущей трубы соединен внутренним электропроводом 25 с шиной 5 токопровода.
В стенке кожуха 1 вблизи его фланца 8, установлен клапан 15, сообщающий воздушную кольцевую полость 23 и полости 9 с атмосферой. В полости 3 несущей трубы 2 расположен внешний электропровод 16, один конец 17 которого связан с несущей трубой 2, а другой конец 18 электропровода оснащен средством 19 для крепления к контакту 4 шины 5 токопровода. Каждый фланец 8 кожуха 1 выполнен из пары пластин 20 и расположенного между ними огнестойкого диэлектрика 21, стянутых болтами 22.
Первый вариант муфты (фиг. 1) работает следующим образом.
Пропускают электрический ток через шины 5. В аварийной ситуации, например, при пожаре металлический кожух 1 с наружным огнезащитным покрытием 7 защищают несущую трубу 2 и шины 5 токопровода в заданных пределах температурных нагрузок, при этом металлический кожух 1 нагревается и передает тепло через огнезащитный слой 10 и несущую трубу 2 в воздушную полость 3. Далее тепло распространяется в воздушные полости 9 и через шины 5 оно выводится наружу. В случае предельных тепловых нагрузок частицы 11 огнезащитного слоя 10 вспучиваются и в слое 10 образуются пустоты 13, которые уменьшают теплопередачу слоя 10 от кожуха 1 на несущую трубу 2 и шины 5. При этом в случае превышения допустимого давления воздуха в полостях 9 и 3 открывается клапан 15 и избыточное давление воздуха выпускается в атмосферу. При работе муфты ее фланцы 8, огнестойкие диэлектрики 21 фланцев уменьшают передачу тепла с торцов муфты в полость 3 муфты и защищают несущую трубу 2 и шины 5 от действия температуры.
При нагревании муфты извне она защищает несущую трубу 2, шины 5 и ее контакты 4 в заданных пределах температурных нагрузок. При нагревании муфты извне до температуры до 1000°C, включая нагревание секции открытым пламенем, работоспособность шин и муфты в целом сохранялась в течение 180 минут. В сравнении с известными аналогами, изготовленными в соответствии с прототипом, этот показатель превысил устойчивость секции к указанным тепловым нагрузкам на 900%. Показатели устойчивой работы первого варианта муфты получены при указанном оптимальном значении толщины огнезащитного слоя 10. При максимальной толщине слоя 10 существенно увеличивается расход материалов, а в случае уменьшения толщины слоя ниже его минимального значения огнестойкость муфты резко снижается. Использование в конструкции огнезащитного слоя 10 подложки 14, выполненной из специальной огнестойкой пленки, позволило существенно уменьшить трудоемкость изготовления муфты. Под огнестойкостью в данном описании понимается сопротивление муфты тепловым нагрузкам и сохранение ее нормальной работоспособности в заданном промежутке времени от начала ее чрезмерного нагрева извне и до окончания нагрева, когда нормальная работа муфты прекращается. В практических условиях этот промежуток времени задан условиями безопасности энергоснабжаемых объектов, например, таких как лифты зданий в случаях пожаров, а также других объектов, связанных с безопасностью людей. Муфта имеет улучшенные показатели ее огнестойкости в сравнении с серийно выпускаемыми муфтами, изготовленными в соответствии с указанным выше прототипом.
Второй вариант муфты (фиг. 3) работает аналогично первому варианту, за исключением работы огнестойкого слоя 10, который во втором варианте муфты отсутствует. Во втором варианте муфты защитные функции выполняют металлический кожух 1 с наружным огнезащитным покрытием 7, воздушная кольцевая полость 23, полости 9, полость 3, фланцы 8 и фланцы 24, отделяющие полости 23 и 9 от полости 3. При нагревании муфты извне передача тепла от корпуса задерживается полостями 23 и 9, фланцами 8 и 24 и полостью 3. В случае предельно допустимого превышения давления воздуха в полостях 23 и 9 клапан 15 открывается и горячий воздух через клапан выходит в атмосферу.
Более простое конструктивное решение второго варианта муфты в сравнении с первым вариантом имеет преимущество в отношении более простого способа изготовления второго варианта муфты. Этот вариант муфты позволяет обеспечить нормальную работоспособность шин 5 в заданных пределах времени, в сравнении с огнестойкостью известной муфты ее огнестойкость увеличена на 900%, при этом показатель огнестойкости выбирают преимущественно в зависимости от объемов воздушных полостей.