УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОГО НАНЕСЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТЬ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ КОНСТРУКЦИИ ЖИДКОГО ГИДРОФОБНОГО ПОКРЫТИЯ

Полезная модель относится к высоковольтной технике и может быть использована для механизированного нанесения на поверхность электроизоляционной конструкции жидкого гидрофобного покрытия с целью усиления поверхностного влагоразрядного напряжения и электрической прочности внешней изоляции, работающей в условиях загрязнения.
Как аналог выбран агрегат для гидрофобизационной обработки материалов, конструкций и объектов, содержащий рабочую камеру для приготовления гидрофобизующего состава с дозаторами и бункерами исходных компонентов, соединенный с полостью камеры магистралью инструмент для нанесения гидрофобизатора на поверхность обрабатываемого материала объекта, отличающийся тем, что он снабжен устройством для одновременной обработки нескольких элементов материала, имеет пластинчатый или цепной элеватор для размещения и подачи материала на обработку, а также оснащен камерой для предварительной сушки материала и камерой повторной сушки материала после обработки, причем обе последние камеры сообщены с узлом подачи нагретого газа, а также соединены с вытяжным пневмонасосом и фильтром [Патент на полезную модель RU №58954 «Агрегат для гидрофобизационной обработки материалов, конструкций и объектов». МПК B05C 9/00, опубл. 12.10.2006].
Недостатком устройства аналога является его громоздкость и сложность в эксплуатации при механизированном нанесении на поверхность электроизоляционной конструкции жидкого гидрофобного покрытия (ГП).
Как наиболее близкий аналог (прототип) выбрано устройство для механизированного нанесения на поверхность электроизоляционной конструкции жидкого ГП на базе одно- или двухупаковочного кремнийорганического компаунда холодного отверждения, полученного на основе силиконового низкомолекулярного каучука, наполнителя, а также и отвердителя или катализатора, содержащее емкость с гидрофобным покрытием, источник сжатого воздуха, пневматический распылитель с соплом и систему разводки сжатого воздуха [ГНД 34.03.603-2004 «Методика посилення пiдстанцiйноï iзоляцiï з застосуванням гiдрофобного покриття на основi кремнiйорганiчного полiмерного компаунда холодного отвердiння ЕКП-102Е», затверджений и введений в дно наказом Мiнiстерства палива та енергетики Украïи 05.06.2004. - Киïв, 2004. - 17 с. (Отраслевой нормативный документ 34.03.603-2004 «Методика усиления подстанционного изоляции с применением гидрофобного покрытия на основе кремнийорганического полимерного компаунда холодного отверждения ЭКП-102Э», утвержденный и введенный в действие приказом Министерства топлива и энергетики Украины 05.06.2004. - Киев, 2004. - 17 с.)].
Недостатком устройства наиболее близкого аналога является его недостаточная эффективность и срок службы наносимого гидрофобного покрытия, получаемого при его помощи, из-за отсутствия эффективных конструктивно-технологических параметров элементов устройства, следствием чего являются невозможность достижения при конкурентных толщинах ГП максимально возможных значений выдерживаемых рабочих напряжений, а также необходимость периодической замены электроизоляционной конструкции.
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности устройства путем установления эффективных конструктивно-технологических параметров его элементов, что приведет также к повышению влагоразрядных напряжений высоковольтной изоляции с ГП в течение всего продолжительного срока ее эксплуатации.
3
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для механизированного нанесения на поверхность электроизоляционной конструкции жидкого гидрофобного покрытия на базе одно- или двухупаковочного кремнийорганического компаунда холодного отверждения, полученного на основе силиконового низкомолекулярного каучука, наполнителя, а также и отвердителя или катализатора, содержащее емкость с гидрофобным покрытием, источник сжатого воздуха, пневматический распылитель с соплом и систему разводки сжатого воздуха, новым является то, что, источник сжатого воздуха выполнен с возможностью обеспечения расхода не менее 15 м/ч при давлении не менее 0,15 МПа, а диаметр сопла пневматического распылителя составляет 1,6-2,7 мм.
В качестве источника сжатого воздуха устройство содержит компрессор с электрическим приводом, выполненным с возможностью подключения к сети с напряжением 220 B или 380 B, а также допускающим одновременную работу до трех распылителей.
В качестве источника сжатого воздуха устройство содержит компрессор типа СО-195.
В качестве источника сжатого воздуха устройство содержит баллон со сжатым воздухом или азотом.
3
В качестве пневматического распылителя устройство содержит пневматический распылитель типа СО-19Б, оснащенный металлической емкостью с объемом не более 0,9 дм.
Пневматический распылитель с соплом выполнен с возможностью автоматизированного или ручного перемещения относительно поверхности гидрофобизируемой электроизоляционной конструкции.
Наносимое жидкое гидрофобное покрытие сформовано с обеспечением жизнеспособности при температуре от 15°C до 35°C в пределах 15-60 мин.
Емкость с гидрофобным покрытием содержит органический растворитель и выполнена с возможностью регулирования весового соотношения между кремнийорганическим компаундом и органическим растворителем в зависимости от температуры окружающей среды.
Вышеперечисленные признаки составляют сущность полезной модели.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков полезной модели и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
При различных состояниях окружающей среды на наружной поверхности высоковольтной изоляции образуются слои загрязнений разной интенсивности. Осаждающиеся из воздуха частицы образуют с течением времени на поверхности изоляторов слой загрязнения. Этот слой при его увлажнении атмосферной влагой увеличивает свою электропроводность, что еще более снижает изолирующую способность изоляционных конструкций. В результате создаются условия для перекрытия изоляторов не только при перенапряжениях, но и при нормальном эксплуатационном режиме.
Следовательно, для повышения надежности высоковольтной изоляции в загрязненных районах является актуальной задача усиления наружной изоляции для обеспечения высоких разрядных напряжений в неблагоприятных условиях. Предотвращение условий возникновения поверхностных разрядов путем усиления изоляции за счет полной или частичной замены изоляторов старых типов на новые требует больших капитальных затрат, и в большинстве случаев приводит к увеличению габаритных размеров, что не всегда приемлемо. Решением этой проблемы является применение кремнийорганических ГП, жидких или пастообразных в исходном состоянии, на основе кремнийорганических компаундов (КОК).
Было установлено, что кремнийорганические ГП наиболее целесообразно применять в районах, где загрязнения в атмосфере имеют преимущественно газообразные и туманообразные компоненты. В то же время основной технической проблемой является дефицит эффективных средств приготовления и нанесения ГП, а также выбор оптимальных соотношений компонентов наносимой гидрофобной электроизоляционной композиции. Это, в свою очередь, не обеспечивает максимально высоких значений разрядных напряжений при работе электроизоляционных конструкций с нанесенным ГП в условиях загрязнения различной степени и увлажнения.
При наличии увлажнения существующих загрязнений при реализации разработанного технического решения производят подсушку гидрофобизируемой поверхности, причем очистку гидрофобизируемой поверхности от существующих загрязнений производят без удаления цементирующихся загрязнений, т.е. удаляют только слабоцементирующиеся загрязнения, что также ускоряет процесс гидрофобизации.
Далее наносят на гидрофобизируемую поверхность один или несколько слоев гидрофобного покрытия при помощи разработанной конструкции. Следствием вышеуказанного является повышение надежности и увеличение срока службы получаемого вулканизированного гидрофобного покрытия, а также электроизоляционной конструкции в целом.
Это также способствует обеспечению высоких значений разрядных напряжений при работе электроизоляционной конструкции в условиях загрязнения различной степени (для районов от 2-й до 4-й СЗА) и увлажнения (от 20% до 100% относительной влажности) при рабочих напряжениях класса от 6 кВ до 750 кВ и сроке службы не менее 10 лет при эксплуатации в условиях перепада температур от минус 60°C до плюс 65°C.
Согласно предлагаемому техническому решению, улучшенные условия очистки и «самоочистки» электроизоляционных конструкций с ГП позволяют при проведении профилактических мероприятий исключить работы по снятию «старого» слоя покрытия перед нанесением «нового» и обеспечивают эффективную эксплуатацию покрытия без проведения дополнительных профилактических мероприятий по его очистке и удалению.
Согласно разработанному техническому решению, весовое соотношение между КОК и растворителем выбирают в зависимости от температуры окружающей среды. При этом искомое весовое соотношение на 100,0 мас.ч. каучука составляет (0,85-1,0) мас.ч. при температуре окружающей среды до 25°C и (1,05-1,4) мас.ч. при температуре окружающей среды свыше 25°C. В то же время нанесение ГП производят при температуре окружающего воздуха не ниже минус 10°C и отсутствии атмосферных осадков, а также росы.
Было установлено, что с увеличением температуры ускоряются процессы полимеризации: снижается время жизнеспособности композиции на основе КОК и повышается ее вязкость. Экспериментально полученные зависимости времени жизнеспособности гидрофобизирующей композиции на основе КОК от степени ее разбавления растворителем при различных температурах показали, что степень разбавления (количество добавляемого растворителя) определяется конструктивно-технологическими характеристиками распыляющего устройства (диаметром сопла, максимально допустимой вязкостью жидкого ГП) и средним рабочим временем распыления одной приготовленной порции гидрофобизирующей композиции.
Касаясь аспектов выбора эффективных конструктивно-технологических параметров элементов заявляемого устройства, необходимо остановиться на анализе существующих механизмов распыления.
Метод воздушного распыления является одним из самых распространенных и универсальных в области нанесения промышленных покрытий. Принцип распыления основан на том, что сжатый воздух, выходя через кольцевую форсунку, образует воздушный кокон с областью низкого давления в центре. Попадая в эту область, жидкий гидрофобный материал разбивается на мельчайшие капельки, образуя однонаправленный поток воздушно-гидрофобной дисперсии.
Для распыления ГП можно использовать стандартные пневматические распылители. По принципу подачи жидкого ГП к соплу их можно разделить на две группы: 1) с естественной подачей, в которых она из емкости (бачка), расположенного выше, поступает самотеком; 2) с принудительной подачей, где в емкости создается избыточное давление.
Хотя распылители второй группы имеют более сложное техническое устройство, они обладают такими преимуществами, как большая производительность и возможность распыления более вязких смесей ГП.
Пневматический метод нанесения жидкого ГП подразумевает применение:
1) нагнетельного бака с ГП+краскопульта;
2) подающего насоса+ручной или автоматический краскопульт;
3) воздушного краскопульта, работающего от компрессора (или турбинного электрического нагнетателя ГП) (за счет избыточного давления, создаваемого в баке с ГП) совместно с пистолетом воздушного распыления.
При значительных перерывах в работе или по ее окончании на стенках каналов распылителя, по которым осуществлялось движение гидрофобной композиции, возможно ее отверждение. Поэтому длина пути от емкости с ГП до сопла должна быть как можно короче, а техническое устройство должно допускать механическую чистку всех каналов, на стенках которых возможно появление полимерной пленки.
Кроме того, при перерывах в работе более 20 мин или по ее окончании рекомендуется промывка с помощью растворителя. Так как длительный контакт с органическим растворителем, а именно с «Сольвентом нефтяным», вызывает набухание и уменьшение прочности целого ряда полимерных материалов, то элементы распылителей, изготовленные из таких материалов, должны быть заменены.
3
3
3
Было установлено, что перечисленным требованиям вполне удовлетворяют пневматические распылители типа СО-19Б, оснащенные металлическими емкостями с объемом до 0,9 дм (вместо стандартных пластмассовых с объемом 0,6 дм). Проведенные испытания и практический опыт показали, что для обеспечения эффективной работы источник сжатого воздуха должен обеспечивать его подачу в количестве (15-20) м/ч на каждый работающий распылитель при давлении (0,15-0,25) МПа и через сопло диаметром (1,6-2,7) мм. При этом было установлено, что изменение диаметра сопла в ту или иную сторону от вышеуказанных эффективных размеров приводит к снижению эффективности и качества нанесенного ГП, а также к увеличению потерь при его распылении.
Для выполнения работ в полевых условиях целесообразно использовать компрессоры типа СО-195 с электрическим приводом, позволяющим работать при подключении к сети с напряжением 220 B или 380 B, и допускающие одновременную работу до 3-х распылителей. В том случае, если использование компрессоров невозможно (например, для гидрофобизации конструкций, расположенных на большой высоте), в качестве источника допускается использовать баллоны со сжатым воздухом или азотом.
3
Опыт, полученный при работах по гидрофобизации наружной изоляции действующих подстанций показал, что среднее рабочее время распыления одной приготовленной порции гидрофобизирующей композиции (~0,8 дм) составляет до 40 мин. Следовательно, при температуре окружающей среды от +25°C и выше необходимо либо уменьшать количество приготавливаемой композиции либо увеличивать долю растворителя в ее составе (см. фиг.3).
Для снижения потерь (в том числе от ветра) распыление рекомендуется производить на расстоянии не менее (10-15) см от покрываемой поверхности. Для обеспечения равномерности нанесения (устранения возникновения наплывов и стекания неуспевающей затвереть композиции) скорость перемещения сопла вдоль поверхности при работе должна быть не менее (0,15-0,2) м/с.
Корректировка конструктивных и технологических параметров средств механизированного нанесения гидрофобизирующей композиции в зависимости от характеристик применяемого оборудования и условий окружающей среды позволила расширить возможности по гидрофобизации на действующих энергообъектах, выбирать более рациональные режимы работы и уменьшить потери расходных материалов.
ГП может наноситься на поверхность изоляции пневматическим распылением (механизированный способ), погружением обработанного изделия в состав или щеткой. Для получения необходимой вязкости состава ГП при его нанесении механизированным способом с помощью устройства типа краскопульта предлагается использовать растворитель "Сольвент нефтяной". После нанесения ГП на поверхность электроизоляционной конструкции растворитель испаряется, не оказывая влияния на электрические характеристики завулканизированного ГП.
Оптимальное весовое соотношение между компонентами ГП, а именно между КОК и гидратом окиси алюминия, обеспечивающее максимальное увеличение щелочестойкости, при сохранении диэлектрических характеристик ГП соответствующим нормам, принятых для кремнийорганических резин (ТУ У 3.72-00216473-028-2001), составляет 1:(0,05-0,15) от массы компаунда.
В разработанном техническом решении отверждение КОК осуществляется с помощью катализатора (отвердителя) метилтриацетоксисилана или К-10С при комнатной температуре в присутствии влаги воздуха. Это обусловлено тем, что катализатор К-10С (метилтриацетоксисилан) имеет кислую реакцию, т.к. при соприкосновении с влагой воздуха он быстро гидролизуется с образованием уксусной кислоты. Она же в больших количествах выделяется при отверждении каучука СКТН в результате присоединения атомов водорода гидроксильных групп каучука к кислотным остаткам катализатора. Вулканизация протекает только в присутствии влаги воздуха.
Разработанное техническое решение иллюстрируется при помощи фиг.1-3, где: на фиг.1 показано схема для механизированного нанесения на поверхность электроизоляционной конструкции жидкого гидрофобного покрытия; на фиг.2 показан процесс гидрофобизации внешней изоляции ограничителей перенапряжения; на фиг.3 показана жизнестойкость жидкого ГП при температурах окружающей среды +20°C, +25°C, +30°C, +35°C и +40°C в зависимости от количества органического растворителя для КОК.
На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - масловлагоотделитель; 2 - нагнетательный бак с ГП; 3 - редуктор; 4, 5, 6 - резиновые шланги соответствующего диаметра; 7 - пневматический распылитель ГП с соплом (на фиг.1 позиция сопла не указана). Система разводки сжатого воздуха включает в себя резиновые шланги 4, 5, 6 и дроссельную систему регулировки давления и расхода (в виде, например, редуктора 3).
Разработанное устройство используют следующим образом.
Перед нанесением гидрофобного покрытия определяют наличие увлажнения загрязнений, существующих на гидрофобизируемой поверхности электроизоляционной конструкции. После этого, при наличии такого увлажнения, производят подсушку гидрофобизируемой поверхности вместе с загрязнениями. А очистку гидрофобизируемой поверхности производят только от нецементирующихся загрязнений, например, аэрогазодинамическим методом путем использования источника сжатого воздуха, обеспечивающего давление не менее 0,4 МПа.
Наличие увлажнения существующих на гидрофобизируемой поверхности загрязнений определяют тактильно или визуально, а также путем измерения их электрического сопротивления, например, с помощью мегомметра на 2,5 кВ.
Искомое гидрофобное покрытие готовят на основе силиконового низкомолекулярного каучука, наполнителя и отвердителя. Причем в качестве силиконового низкомолекулярного каучука используют каучук марки СКТН, в качестве наполнителя используют как твердый наполнитель в виде гидрата окиси алюминия и сажи ацетиленовой, так и жидкий наполнитель в виде низкомолекулярной кремнийорганической жидкости 119-215, а в качестве отвердителя гидрофобное используют метилтриацетоксисилан.
Приготовление раствора гидрофобного покрытия нужной консистенции осуществляют следующим образом. В КОК перед смешиванием с низкомолекулярной кремнийорганической жидкостью 119-215 дополнительно вводят твердый наполнитель в виде сажи ацетиленовой. После этого в емкость для смешивания (нагнетательный бак с ГП 2) наливают растворитель, после чего добавляют наполнители в виде гидрата окиси алюминия, и полученный раствор перемешивают до образования однородной смеси.
Причем весовое соотношение между КОК и растворителем регулируют в зависимости от температуры окружающей среды (см. фиг.3). При этом искомое весовое соотношение на 100,0 мас.ч. каучука составляет (0,85-1,0) мас.ч. при температуре окружающей среды до 25°C и (1,05-1,4) мас.ч. при температуре окружающей среды свыше 25°C. В то же время нанесение гидрофобного покрытия производят при температуре окружающего воздуха не ниже минус 10°C и отсутствии атмосферных осадков, а также росы.
В приготовленную в емкости 2 однородную смесь добавляют твердый наполнитель в виде сажи ацетиленовой, после чего полученную жидкую композицию тщательно перемешивают до образования искомой однородной смеси.
При этом гидрофобное покрытие содержит на 100,0 мас.ч. каучука гидрат окиси алюминия в количестве 5,0-15,0 мас.ч., сажу ацетиленовую в количестве, 0,5-2,5 мас.ч., низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость 119-215 в количестве 1,25-2,5 мас.ч., метилтриацетоксисилан в количестве 2,5-6,5 мас.ч.
Норму расхода наносимого слоя гидрофобного покрытия определяют из соотношения:
m=ρ·S·h·(1+k),
где m - масса наносимого кремнийорганического компаунда, г,
2
ρ - плотность кремнийорганического компаунда, которая составляет, например, 1,28 г/см,
2
S - площадь гидрофобизируемой поверхности электроизоляционной конструкции, см,
h - толщина гидрофобного покрытия, см,
k - коэффициент потерь, который принимают равным 0,15-0,2.
3
Потом при помощи устройства (фиг.1) наносят на гидрофобизируемую поверхность один или несколько слоев гидрофобного покрытия. Нанесение слоя гидрофобного покрытия на гидрофобизируемую поверхность электроизоляционной конструкции производят механизированным способом (см. фиг.2) путем распыления с использованием источника сжатого воздуха, обеспечивающего расход не менее 15 м/ч при давлении сжатого воздуха не менее 0,15 МПа (на фиг.1-3 источник сжатого воздуха не показан).
При этом распыление производят при расстоянии от среза сопла распылителя до покрываемой поверхности электроизоляционной конструкции от 100 мм до 600 мм при скорости перемещения сопла диаметром 1,6-2,7 мм вдоль гидрофобизируемой поверхности электроизоляционной конструкции, составляющей не менее 0,15 м/с.
Вышеуказанные параметры реализации технического решения способствуют как уменьшению расхода материалов в связи с уменьшением потерь при распылении, так и максимальному увеличению производительности и эффективности нанесения покрытия.
После нанесения гидрофобного покрытия и его вулканизации осуществляют контроль состояния нанесенного гидрофобного покрытия в период эксплуатации электроизоляционной конструкции путем проведения эксплуатационных наблюдений и контрольных измерений.
При эксплуатационных наблюдениях визуально контролируют появление поверхностных частичных разрядов в период неблагоприятных метеоусловий, в качестве которых принимают туман, моросящий дождь, мокрый снег, выпадение росы, а также внешнее состояние гидрофобного покрытия путем выявления наличия на поверхности гидрофобизированной изоляции участков без покрытия, а также выгоревших участков от поверхностных частичных разрядов и перекрытий изоляции.
В свою очередь, контрольные измерения нанесенного гидрофобного покрытия проводят путем замера сопротивления или определения разрядных напряжений изоляционных конструкций с нанесенным гидрофобным покрытием. При замерах сопротивления гидрофобное покрытие увлажняют мелкодисперсной влагой в течение 15 мин до полного насыщения слоя загрязнения. С помощью мегомметра на 2,5 кВ измеряют поверхностное сопротивления слоя загрязнения, которое, например, должно составлять:
- для изолирующих конструкций до 35 кВ включительно не ниже 0,5 Мом;
- для изолирующих конструкций 110-330 кВ не менее 1,0 МОм.
Определение разрядных напряжений производят при наличии необходимых испытательных средств. Если среднее значение разрядного напряжения гидрофобизированной изоляционной конструкции менее, чем в 2 раза превышает рабочее фазное напряжение, гидрофобное покрытие возобновляют.
Таким образом, преимуществом разработанного устройства по сравнению с аналогами и прототипом является повышение эффективности устройства, а также надежности и увеличение срока службы наносимого завулканизированного ГП, что приводит также к повышению влагоразрядных напряжений высоковольтной изоляции в течение всего продолжительного срока ее эксплуатации. Кроме того, данное устройство обеспечивает высокое качество распыления жидкого ГП при низком давлении.
Так, например, результаты проведенных испытаний электроизоляционных конструкций, полученных при помощи заявляемого технического решения, на допустимое рабочее напряжение и напряженность электрического поля подтверждают снижение вероятности перекрытия гирлянд изоляторов в результате загрязнения по меньшей мере на 15-20%.
Все испытанные гидрофобизированные изоляторы выдержали испытания на трекингэрозионную стойкость (при длительности испытаний не менее 500 час и могут эксплуатироваться в районах с высоким уровнем загрязнености атмосферы до 4-й СЗА включительно, величине относительной влажности атмосферы в пределах 20-100%, величине максимально допустимого рабочего напряжения, подаваемого на электроизоляционную конструкцию, в пределах 6-750 кВ.
Кроме того, амплитуды основных токов утечки через гидрофобизированные изоляторы были в 1,5-2 раза меньше, чем через изоляторы без покрытия. В реальных условиях эксплуатации эта величина будет еще больше, так как поверхность кремнийорганических полимерных покрытий загрязняется значительно меньше. Помимо этого, получаемое гидрофобное покрытие указанного состава в вулканизированном состоянии имеет улучшенные (как минимум на 15-20%) эксплуатационные свойства по сравнению по сравнению с известными покрытиями.
Оптимизация процедуры реализации технического решения в зависимости от условий окружающей среды позволяет выбирать рациональные режимы работы электроизоляционных конструкций и уменьшить потери расходных материалов при гидрофобизации их поверхности.
Эффективность применения разработанного устройства в части его использования при нанесении ГП на основе КОК холодного отверждения механизированным методом подтверждается более чем 15-ти летним положительным опытом его применения на подстанциях, расположенных в зонах с интенсивными промышленными загрязнениями.
В то же время наиболее оптимальный состав гидрофобного покрытия, а также улучшенные условия очистки и «самоочистки» получаемой гидрофобизируемой поверхности высоковольтной изоляции позволяют при проведении профилактических мероприятий исключить работы по снятию «старого» слоя покрытия перед нанесением «нового» и обеспечивают эффективную эксплуатацию покрытия без проведения дополнительных профилактических мероприятий в течение не менее 10 лет.
Полученные результаты проведенных исследований могут также использоваться при изготовлении наружной полимерной изоляции другого высоковольтного электротехнического оборудования: ограничителей перенапряжений, опорных и проходных изоляторов; трансформаторов тока и напряжения.