Секция токопровода
CONDUCTOR SECTION

Изобретение относится к средствам передачи электроэнергии от источников тока потребителям. Оно относится, в частности, к секциям токопроводов и токопроводам, смонтированным из отдельных секций. Изобретение предназначено для его использования в области электротехники.
Из практики известны секции токопроводов, содержащие шину в изоляции, заземляющий и полупроводниковый слои, концевые диски (фланцы), соединенные с кожухом и контакты шин с отверстиями (Конструкции токопроводов с литой изоляцией, «РАУТА ЭНЕРГО», Яндекс, info@rauta energy.ru).
Из зарубежной патентной документации известна секция токопровода, содержащая токопроводящую шину круглого сечения, первую изолирующую оболочку шины, в которой расположена шина, вторую изолирующую оболочку, имеющую толщину, которая больше толщины первой оболочки, защитный слой вокруг второй оболочки и покрывающую этот слой изолирующую рубашку секции (US 4767894 A, 1988-08-30), а также секции токопроводов, каждая из которых содержит шину, расположенную в слоях изоляции (WO 2010090034 A1, 2010-08-12. CN 201532808 U, 2010-07-21. CN 201527833 U, 2010-07-14).
Из известных секций наиболее близкой секцией к секции, представленной в данном описании, является секция по патенту RU 2439764 C1, 10.01.2012, которая имеет три варианта конструкции.
Первый вариант известной секции токопровода по патенту RU 2439764 C1 характеризуется тем, что секция содержит изготовленную из алюминиевой трубы, или из медной трубы, или из прутка токопроводящую шину, имеющую на концах контакты, с которыми заодно выполнены фланцы с резьбовыми в них отверстиями под штуцеры, на наружной поверхности шины расположен слой графита, вокруг которого намотаны проводящие ток слои из проводящей бумаги, а между проводящими слоями намотаны изолирующие ток слои из изолирующей бумаги, при этом на последнем проводящем слое намотан алюминиевый слой из алюминиевой фольги, на котором наложены медные полосы из медной фольги, расположенные с противоположных сторон шины, на медные полосы намотан слой изолирующей бумаги, на который в средней части секции надета термоусадочная гибкая труба, на каждой концевой части секции расположена концевая термоусадочная гибкая труба, надетая внахлест на среднюю термоусадочную трубу, причем все указанные слои из бумаги, зазоры между слоями и зазоры между термоусадочными трубами заполнены отвержденной эпоксидной смолой, соединения между термоусадочными трубами выполнены герметичными, вокруг термоусадочных труб расположена защитная стальная труба, а все упомянутые слои секции расположены по длине шины между фланцами ее контактов. В этой секции выполнен заземляющий контакт, соединенный с указанными медными полосами, при этом заземляющий контакт расположен на наружной поверхности стальной защитной трубы.
Второй вариант известной секции токопровода по патенту RU 2439764 C1 характеризуется тем, что секция содержит изготовленную из алюминиевой трубы, или из медной трубы, или из прута токопроводящую шину, имеющую на концах контакты, с которыми заодно выполнены фланцы с резьбовыми в них отверстиями под штуцеры, на наружной поверхности шины расположен слой графита, вокруг которого намотаны проводящие ток слои из проводящей бумаги или ткани, а между проводящими слоями намотаны изолирующие ток слои из изолирующей бумаги или ткани, при этом на последнем проводящем слое намотан алюминиевый слой из алюминиевой фольги, на котором намотан медный слой из медной фольги, из которой выполнены медные полосы, расположенные с противоположных сторон шины, на медный слой намотан слой изолирующей бумаги, на который в средней части секции надета термоусадочная гибкая труба, на каждой концевой части секции расположена концевая термоусадочная гибкая труба, надетая внахлест на среднюю термоусадочную трубу, все указанные слои из бумаги, зазоры между слоями и зазоры между термоусадочными трубами заполнены отвержденной эпоксидной смолой, соединения между термоусадочными трубами выполнены герметичными, а все упомянутые слои секции расположены по длине шины между фланцами ее контактов.
В третьем варианте исполнения известная секция токопровода по патенту RU 2439764 C1 содержит изготовленную из алюминиевой трубы или из медной трубы токопроводящую шину, имеющую полость внутри, а на концах - контакты, с которыми заодно выполнены фланцы, имеющие резьбовые отверстия под штуцеры, на наружной поверхности шины расположены слои изоляционного материала и слои токопроводящего материала, последние электрически соединены с заземляющим контактом секции, в средней части секции на последнем слое от центральной оси надета термоусадочная гибкая труба, на каждой концевой части секции расположена концевая термоусадочная гибкая труба, надетая внахлест на среднюю термоусадочную трубу, зазоры между термоусадочными трубами и указанными слоями секции заполнены отвержденной эпоксидной смолой, соединения между термоусадочными трубами выполнены герметичными, все упомянутые слои секции расположены по длине шины между фланцами, причем в каждом фланце выполнено, по меньшей мере, одно отверстие, сообщенное с полостью шины.
В указанных вариантах известных секций по патенту RU 2439764 C1 первый вариант секции предназначен для наружных токопроводов, монтируемых снаружи зданий. Шина этой секции имеет приваренные сваркой к ее торцам контакты и выполненные заодно с контактами фланцы. Все поры указанных слоев секции, зазоры между ними и термоусадочными трубами пропитаны эпоксидной смолой. На термоусадочные трубы намотана в два слоя внахлест по всей длине секции киперная термоусаживаемая лента из полиэстера, вокруг которой расположена защитная стальная труба кожуха.
Второй вариант секции токопровода по патенту RU 2439764 C1 предназначен для внутренних токопроводов, монтируемых внутри зданий. Эта секция содержит все вышеперечисленные признаки первого варианта и, в отличие от него, эта секция не имеет защитной стальной трубы - кожуха.
2
Оба варианта секции по патенту RU 2439764 C1 предусматривают выполнение слоя несущей трубы из крепированной крафт-бумаги с удельным весом в пределах 100-120 г/м при толщине ее слоя 0,15-0,5 мм. В рабочем состоянии секции эта бумага пропитана эпоксидной смолой с пластификатором. Смола имеет заданную вязкость, обеспечивающую отверждение смолы при температуре 140°C и постоянство ее вязкости при температуре 20-80°C. Оба варианта секций предусматривают, что места соединений между термоусадочными трубами герметизированы самоклеющейся лентой из полиизобутилена. Предусмотрено, что свойства термоусадки каждой концевой термоусадочной трубы выше свойств термоусадки средней термоусадочной трубы. Изобретением предусмотрен третий вариант секции, которая обеспечивает возможность охлаждения токопровода.
Шину по патенту RU 2439764 C1 изолируют, для чего на нее между контактами сначала наносят композицию, обеспечивающую последующее отделение от шины изолирующей смолы, например графит, в резьбовые отверстия контактов вставляют штуцеры и затем на шину наматывают слоями полупроводящую бумагу или полупроводящую ткань, чередуя эти слои с намоткой изоляционной бумаги, и при этом формируют из указанных слоев полупроводящий слой на последнем слое полупроводящей бумаги, образующей собой заземляющий слой. Затем на секцию наматывают алюминиевую фольгу, образующую сетку на полупроводящем слое, к алюминиевой фольге с обеих сторон токопровода припаивают медную фольгу с заземляющим контактом для соединения шины секции с заземляющим контуром, заполняют заземляющий контакт термостойкой жировой смазкой и герметизируют заземляющий контакт. Указанный выше графит в конструкции секции применен с целью отделения от шины изолирующей смолы.
Варианты секции по патенту RU 2439764 C1 имеют охлаждаемые полости, через которые могут подаваться охлаждаемые воздух от системы охлаждения, антифриз или вода. При циркуляции охлаждающей среды по замкнутому контуру улучшается отвод тепла от шин секций, компенсаторов и контактов. Если токопровод рассчитан на большую температуру его нагрева при работе, то с целью исключения его поломки от перегрева используют третий вариант секции токопровода, работа которого аналогична работе первым двум вариантам секций.
Повышение надежности секций токопровода по патенту RU 2439764 достигается благодаря использованию эффективной схемы заземления секций, позволившей заземлить массив изоляции каждой секции и муфты в отдельности и исключить ее пробой от разности потенциалов между шиной и изоляцией, а также благодаря использованию охлаждения секции с целью эффективной защиты токопровода от его перегрева. Возможность охлаждения токопровода позволяет сохранить его пропускающую способность.
Общими признаками вариантов известной секции по патенту RU 2439764 C1 и представленной в данном описании секции является то, что каждая секция токопровода содержит расположенную в электроизоляции токоведущую шину с контактами на концах, заземляющий экран, который охватывает электроизоляцию шины, и металлический кожух с наружным огнезащитным покрытием (RU 2439764 C1, 10.01.2012 - прототип).
Как показала практика, известные секции, 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 секции отвечают новым требованиям безопасности и надежности не в достаточной мере. Это связано с неудовлетворительной огнестойкостью секций при длительном термическом на них воздействии, включая воздействие открытым пламенем в условиях пожара. При этом следует отметить, что охлаждение секций воздухом или жидкостью связано с необходимостью использования охлаждающих устройств.
Техническим результатом изобретения является повышение огнестойкости секции в условиях чрезмерного нагрева.
Технический результат получен секцией токопровода, содержащей расположенную в электроизоляции токоведущую шину с контактами на концах, заземляющий экран, который охватывает электроизоляцию шины, и металлический кожух с наружным огнезащитным покрытием, причем между металлическим кожухом и заземляющим экраном расположен огнезащитный слой из отвержденного композитного материала, включающего связующее и вспучивающийся наполнитель, образующий в огнезащитном слое пустоты при температурном воздействии на секцию, при этом кожух выполнен из немагнитного материала в виде гладкой или гофрированной вакуумостойкой трубы.
Толщина огнезащитного слоя находится в пределах 3,0-25 мм и выбрана в зависимости от площади поперечного сечения токоведущей шины (теплоотвод) и ее конфигурации.
Композитный материал содержит в качестве связующего эпоксидную смолу с отвердителем, а в качестве наполнителя - вспучивающийся графит при соотношении, мас. %: графит 5-60, смола - остальное.
Вспучивающийся графит выбран с размерами частиц 0,5-0,8 мм в виде свободного порошка или предварительно зафиксированных частиц порошка на специальной подложке.
Такое выполнение секции токопровода существенно повышает огнестойкость секции, которая необходима для обеспечения в заданных пределах времени безопасного электропитания объектов при пожарах.
На фиг. 1 показана секция токопровода в продольном разрезе; на фиг. 2 - второе исполнение секции, шина которой имеет трубчатую форму; на фиг. 3 - поперечный разрез огнезащитного слоя и шины в увеличенном виде (кожух не показан).
Секция токопровода содержит токоведущую шину 1 (фиг. 1), расположенную в электроизоляции 2, которая расположена между контактами 3 шины на ее концах. Вокруг электроизоляции 2 расположен заземляющий экран 4, который охватывает электроизоляцию 2 по ее периметру. Указанные элементы секции расположены в металлическом кожухе 5 с наружным огнезащитным покрытием 6. Между металлическим кожухом 5 и заземляющим экраном 4 расположен огнезащитный слой 7, выполненный из отвержденного композитного материала, включающего связующее 8 (фиг. 3) и вспучивающийся наполнитель 9. Наполнитель 9 обладает свойствами образования пустот 10 в огнезащитном слое 7 при чрезмерном температурном воздействии на секцию и на огнезащитный слой 7. Кожух 5 выполнен из немагнитного материала в виде гладкой или гофрированной трубы, устойчивой к вакуумным нагрузкам.
Толщина t огнезащитного слоя 7 секции находится в пределах 3,0-25 мм и выбрана в зависимости от конфигурации шины, площади ее поперечного сечения, интенсивности отвода тепла от шины и степени ее защиты от действия температурных нагрузок извне. Пределы толщины t слоя 7, полученные опытным путем (t=3,0-24 мм), позволили при tmin=3 мм и tmax=24 мм определить оптимальное значение толщины слоя 7, равное to=13,5 мм для наиболее распространенных типоразмеров секций. При оптимальной толщине огнезащитного слоя 7 огнестойкость секции и пропускная способность шины сохраняются в течение заданного периода времени - более 180 мин при воздействии на секцию открытым пламенем при температуре 1000°C.
В одном примере исполнения секции, которая представлена в данном описании, композитный материал содержит в качестве связующего эпоксидную смолу с отвердителем, а в качестве наполнителя - вспучивающийся графит, частицы 11 которого (фиг. 3) введены в композитный материал при соотношении, мас. %: графит 5-60, смола - остальное. Вспучивающийся графит выбран в виде свободного (несвязанного) сыпучего порошка с размерами частиц 0,5-0,8 мм. В другом случае частицы порошка графита перед их смешиванием с эпоксидной смолой предварительно фиксируют на специальной подложке 12. Расположенные на этой подложке частицы графита пропитывают эпоксидной смолой в процессе изготовления огнезащитного слоя 7. В качестве связующего и наполнителя в других примерах исполнения секций могут быть использованы другие известные материалы, обладающие вышеуказанными свойствами.
Предусмотрено исполнение секции (фиг. 2), шина 1 которой выполнена трубчатой и в ней имеется полость 13, сообщенная со сквозными отверстиями 14, которые выполнены в утолщениях 15 шины на ее концах. Каждое отверстие 13 расположено между контактом 3 и торцом шины 1, причем отверстие 13 сообщено с расходящимися в стороны каналами 16, которые расположены в утолщениях 15 шины. Каналы 16 ориентированы так, что каждый контакт 3 расположен между выходными отверстиями пары каналов 16. Полость 13, сквозные отверстия 14 и каналы 16 предназначены для движения по ним охлаждающей среды, используемой при необходимости для отвода тепла от нагревающейся при работе шины 1.
Работает секция (фиг. 1) следующим образом. Соединяют контакты 3 двух шин 1 муфтами (не показаны) и пропускают электрический ток по токоведущей шине 1. Протекающий по шинам ток нагревает ее изнутри до 120°C. При этой температуре частицы 11 графита в слое 7 и наружное огнезащитное покрытие 6 не вспучиваются и не препятствуют отводу тепла и секция работает в нормальном рабочем режиме. При нагревании шины извне ее огнезащитное покрытие 6 и кожух 5 защищают шину 1 в заданных пределах температурных нагрузок, при этом кожух 5 нагревается и передает тепло через огнестойкий слой 7 и заземляющий экран 4 на электроизоляцию 2. При дальнейшем нагревании секции до температуры более 200°C, включая нагревание секции открытым пламенем, частицы 11 графита вспучиваются и в слое 7 образуются пустоты 10, препятствующие передаче тепла от кожуха 5 на электроизоляцию 2 и шину 1. Опыты показали, что при воздействии на секцию открытым пламенем и ее нагреве до температуры 1000°C работоспособность шины 1 и секции в целом сохранялась в течение 180 минут. В сравнении с известными аналогами, изготовленными в соответствии с прототипом, указанный показатель времени превысил устойчивость секции к указанным тепловым нагрузкам.
В случае использования шины, показанной на фиг. 2, время нормальной работоспособности шины 1 в сравнении с работоспособностью шины секции, показанной на фиг. 1 существенно увеличивается, поскольку через полость 13, отверстия 14 и каналы 16 пропускают охлаждающую среду - воздух или жидкость, отводят от шины тепло и обеспечивают тем самым повышение ее огнестойкости в сравнении с секцией, показанной на фиг. 1.
Показатели устойчивой работы секции в целом получены при указанном оптимальном значении толщины слоя 7. При максимальной толщине слоя 7 существенно увеличивается расход материалов, а в случае уменьшения толщины слоя ниже его минимального значения огнестойкость секции резко снижается. Использование в конструкции огнезащитного слоя 7 подложки 12, выполненной из специальной огнестойкой пленки, позволило уменьшить трудоемкость изготовления секции. Под огнестойкостью в данном описании понимается сопротивление секции тепловым нагрузкам и сохранение ее нормальной работоспособности в заданном промежутке времени от начала ее чрезмерного нагрева извне и до окончания нагрева, когда нормальная работа секции 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. Секция имеет улучшенные показатели ее огнестойкости в сравнении с серийно выпускаемыми секциями, изготовленными в соответствии с указанным выше прототипом.