КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
SILICONE THROUGH INSULATOR AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к изоляционной технике. Более конкретно, изобретение относится к конструкциям проходных изоляторов и технологиям их изготовления. Такие изоляторы преимущественно рассчитаны на электрическое напряжение в диапазоне 10-35 кВ и на механическое напряжение 7,5-12,5 кН.
В данное время особое внимание уделяется повышению внутренней электрической прочности таких изоляторов, которая в большей степени зависит от электрической прочности промежутка между токопроводом и металлическим фланцем, охватывающим токопровод. Этот промежуток принято называть изоляционным телом изолятора.
В свете данных изобретений является существенным, что проходные изоляторы находятся при эксплуатации под действием изгибающих нагрузок. Такие нагрузки могут привести к разрушению или повреждению изоляционного тела и прилегающих к нему областей и как следствие резкому уменьшению внутренней электрической прочности изолятора, возникновению пробоев, вплоть до выхода из строя.
Как правило, современные проходные изоляторы снабжены опорными втулками, трубками или подобными элементами, которые расположены в большинстве случаев между слоем изоляции изоляционного тела и фланцами.
Такие опорные втулки воспринимают описанные нагрузки от токопровода через слой изоляции и являются, по сути, основными силовыми элементами проходных изоляторов. Покрывая слой изоляции изоляционного тела, опорные втулки должны обеспечивать защиту слоя изоляции от разрушения.
Втулки могут быть выполнены из диэлектрических материалов, в этом случае они, являются по сути также частью или элементом изоляционного тела.
Втулки также могут быть выполнены металлическими; в этом случае они, разумеется, не выполняют изоляционные функции.
Уровень техники включает известные технические решения, направленные на повышение электрической прочности изоляционного тела путем выполнения опорной втулки и изоляции из пригодных для таких целей материалов. Но такие известные материалы с повышенной удельной электрической прочностью (кремнийорганическая резина, стеклопластик) не обеспечивают достаточной механической прочности изолятора, что будет более подробно объяснено ниже.
Уровень техники включает другие известные технические решения, направленные на повышение механической прочности проходного изолятора путем выполнения опорных втулок из металла. Но наличие металлических элементов, простирающихся вдоль изоляционного тела, не обеспечивает достаточной электрической прочности изолятора, что также будет более подробно объяснено ниже.
Так, документы RU 61463 U1 от 27.02.2007 и RU 73119 U1 от 10.05.2008 раскрывают конструкцию и способы изготовления проходных изоляторов, у которых изоляционные тела состоят из стеклопластиковой опорной втулки, слоев кремнийорганической (силиконовой) резины и прослоек воздуха.
Эти документы учат тому, что, по сравнению с традиционным до настоящего времени фарфором, стеклопластик и кремнийорганическая резина имеют при применении в проходных изоляторах улучшенные характеристики касательно внутренней электрической прочности.
Но последние тенденции в области изобретения показывают, что любые включения воздуха, особенно достаточно большие его прослойки в упомянутом промежутке, образуют области с повышенной электрической напряженностью, нарушают его герметичность, способствуют попаданию влаги и приводят к полному или частичному разрушению элементов изоляционного тела.
Кроме того, достаточно длинная стеклопластиковая опорная втулка, подвешенная на коротком в продольном направлении фланце, испытывает большие изгибающие нагрузки. Это увеличивает риск ее повреждения или даже разрушения, последующего за этим повреждения или разрушения резинового слоя изоляции, что является недопустимым в свете современных требований к изоляторам.
Два приведенных выше основных недостатка частично устранены в выбранном в качестве ближайшего аналога техническом решении, раскрытом в документе RU 2139245 С1 от 10.03.2008.
RU 2139245 С1 описывает кремнийорганический проходной изолятор, содержащий
токопровод,
опорную втулку с металлическим фланцем, охватывающую токопровод с образованием полости между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки, где
упомянутая полость полностью заполнена слоем изоляции из кремнийорганической резины.
RU 2139245 С1 описывает также способ изготовления кремнийорганического проходного изолятора, включающий
подготовку опорной втулки с металлическим фланцем,
расположение в форме в качестве закладных элементов токопровода в опорной втулке с образованием полости между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки,
подготовку кремнийорганической резины,
подачу кремнийорганической резины в форму в упомянутую полость до полного заполнения этой полости,
вулканизацию кремнийорганической резины с формированием слоя изоляции.
RU 2139245 С1 таким образом учит тому, что заполнение резиной всей полости исключает наличие больших прослоек воздуха. Это, согласно вышеприведенному, в некоторой степени улучшает внутреннюю электрическую прочность изолятора.
Выполненная металлической, опорная втулка действительно придает ближайшему аналогу преимущество с точки зрения механических прочностных характеристик.
Но использованные в RU 2139245 С1 обычная кремнийорганическая резина и металл как материал опорной втулки обусловливают следующие недостатки ближайшего аналога:
а) внутренние дефекты изоляции: небольшие воздушные включения, например, в виде пузырьков и другие концентраторы внутренних напряжений;
б) дефекты между пограничными областями - «слой изоляции» - «опорная втулка», а именно включения воздуха в результате отсутствия плотных межмолекулярных связей между упомянутыми элементами.
Специалисту ясно, что дефекты а) и б), особенно в процессе эксплуатации изолятора под действием нагрузок, могут привести к разрушению слоя изоляции и попаданию влаги, что приводит к пробоям изолятора и даже его выходу из строя.
Кроме того, выполненная из металла опорная втулка расположена не по всей длине изоляционного тела. Это ведет к следующему недостатку ближайшего аналога:
в) при изгибающих нагрузках промежуток между опорной втулкой и токопроводом будет неравномерным, откуда следует опасность пробоя слоя изоляции между опорной втулкой и токопроводом в месте наименьшего расстояния между ними, или возникновению в упомянутом месте в слое изоляции концентраторов напряжений, которые могут привести к его разрушению.
И наконец, опорная втулка в ближайшем аналоге образована по сути удлиненными заплечиками фланца. Это
г) исключает из изоляционного тела дополнительный элемент, который защищает слой изоляции как от электрических напряжений, так и от механических.
Недостатки а), б), в) г) обусловливают снижение электрических прочностных характеристик и взаимосвязанной с ними герметичности проходного изолятора.
В основу изобретения поставлена задача - разработать кремнийорганический проходной изолятор, где путем использования определенных материалов и конфигурации конструктивных элементов обеспечить технический результат: надежную защиту изоляционного тела и прилегающих к нему областей от повреждения, частичного или полного разрушения и/или разгерметизации, и повышение электрической и механической прочности проходного изолятора в целом.
Поставленная задача решается тем, что в кремнийорганическом проходном изоляторе, содержащем
токопровод,
опорную втулку с металлическим фланцем, охватывающую токопровод с образованием полости между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки, где
упомянутая полость полностью заполнена слоем изоляции из кремнийорганической резины,
согласно изобретению
вт
вт
опорная втулка выполнена длиной L из диэлектрического материала с удельной механической прочностью σ и простирается по всей длине изоляционного слоя,
р
в качестве кремнийорганической резины использован вулканизированный полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы, причем упомянутый вулканизированный полимерный компаунд имеет удельную механическую прочность σ,
ф
металлический фланец выполнен с заплечиками, охватывающими опорную втулку и простирающимися вдоль нее на длину L,
причем выполняются следующие соотношения:
р
вт
σ<σ,
вт
ф
вт
р
1<L/L<σ/σ.
Поставленная задача в одном из преимущественных воплощений изобретения также решается тем, что кремнийорганический проходной изолятор дополнительно содержит кремнийорганическую ребристую оболочку и оголовники, выполненные в виде крышек, открытые концы которых охватывают внешние торцевые поверхности опорной втулки, а днища имеют отверстия для токопровода.
Поставленная задача во втором из предпочтительных воплощений изобретения также решается и тем, что кремнийорганическая ребристая оболочка выполнена из вулканизированного полимерного компаунда на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы.
вт
ф
Поставленная задача в третьем из предпочтительных воплощений изобретения также решается и тем, что L/L<8,3.
В основу изобретения поставлена также задача - разработать способ изготовления кремнийорганического проходного изолятора, где путем определенного подбора операций и использованных средств, обеспечить технический результат: изготовление кремнийорганического проходного изолятора с надежной защитой изоляционного тела и прилегающих к нему областей от повреждения, частичного или полного разрушения и/или разгерметизации, и с повышенной электрической и механической прочностью в целом.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления кремнийорганического проходного изолятора, включающем
подготовку опорной втулки с металлическим фланцем,
расположение в форме в качестве закладных элементов токопровода в опорной втулке с образованием полости между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки,
подготовку кремнийорганической резины,
подачу кремнийорганической резины в форму в упомянутую полость до полного заполнения этой полости,
вулканизацию кремнийорганической резины с формированием слоя изоляции,
согласно изобретению
вт
вт
ф
при подготовке опорной втулки с металлическим фланцем опорную втулку выполняют длиной L из диэлектрического материала с удельной механической прочностью σ, а металлический фланец выполняют с заплечиками, способными охватывать опорную втулку и простираться вдоль нее на длину L, после чего металлический фланец монтируют на опорной втулке,
р
как кремнийорганическую резину используют полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы, который после вулканизации имеет удельную механическую прочность σ,
вт
вт
ф
р
при этом L, σ, L, σ выбирают из следующих соотношений.
р
вт
σ<σ,
вт
ф
вт
р
1<L/L<σ/σ.
Поставленная задача в одном из предпочтительных воплощений изобретения также решается тем, что после упомянутой вулканизации резины на внешних торцевых поверхностях опорной втулки устанавливают оголовники, после чего на изоляторе формируют кремнийорганическую ребристую оболочку.
Поставленная задача во втором из предпочтительных воплощений изобретения также решается и тем, что при формировании кремнийорганической ребристой оболочки используют полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы.
вт
ф
Поставленная задача в третьем из предпочтительных воплощений изобретения также решается и тем, что L, L выбирают из следующего соотношения:
вт
ф
L/L<8,3.
Поставленная задача в четвертом из предпочтительных воплощений изобретения также решается и тем, что упомянутый полимерный компаунд используют в виде двух реакционно-способных компонентов, один из которых содержит платиновый катализатор, которые перед подачей в форму перемешивают.
Таким образом, совокупность соответствующих существенных признаков предложенной группы изобретений, определяющих вклад в известный уровень техники, можно формально свести к:
1) использованию в качестве материала слоя изоляции вулканизированного компаунда на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы;
2) выполнению опорной втулки из диэлектрического материала с большей удельной механической прочностью чем удельная механическая прочность вулканизированной кремнийорганической резины;
3) выбору конфигурации опорной втулки и металлического фланца при условии выполнения следующего соотношения:
вт
ф
вт
р
1<L/L<σ/σ.
Причинно-следственная связь между перечисленными признаками и упомянутыми тождественными техническими результатами предложенных изобретений заключается в следующем.
1.1) Выбор вулканизированного компаунда на основе жидких синтетических, каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы, как материала слоя изоляции, обеспечивает:
во-первых, отсутствие как внешних, так и внутренних дефектов слоя изоляции за счет низкой вязкости компаунда, который полностью заполняет соответствующий промежуток, обусловленной сравнительно небольшим размером молекул олигомеров жидких каучуков;
во-вторых, образование плотных связей на молекулярном уровне с материалами приграничных областей, а именно материалом опорной втулки и материалом токопровода (создание так называемого «многокомпонентного единого изделия»), что приводит к исключению малейших воздушных пор, трещин и пузырьков;
в-третьих, изготовление такого слоя изоляции можно проводить при сравнительно небольших (и даже комнатных) температурах и при относительно низком давлении, что также исключает любые деформации и напряжения на всех стадиях технологического процесса;
в-четвертых, такой вулканизированный материал, обладая водо- и трэкингоэрозийной стойкостью, препятствует возникновению электрических разрушений приграничных областей при эксплуатации; и, наконец
в-пятых, такой слой изоляции, обладая эластичностью, позволяет избежать ее деформаций как в процессе эксплуатации изоляторов, так и при хранении и транспортировке.
Таким образом, перечисленные пять свойств выбранного материала слоя изоляции в совокупности необходимы для повышения герметичности изолятора и повышении его электрической и механической прочности. Но существенного повышения этих характеристик, в рамках поставленных выше задач предложенной группы изобретений, можно достичь определенным выбором материала и конфигурации опорной втулки, что более подробно объясняется ниже.
2.1) Выполнение опорной втулки из диэлектрического материала с большей удельной механической прочностью, чем удельная механическая прочность кремнийорганической резины в слое изоляции, и расположение опорной втулки по всей длине изоляционного слоя обеспечивает:
более равномерное распределение внешней нагрузки на слой изоляции из кремнийорганической резины при изгибающих нагрузках, что предотвращает пробой слоя изоляции между опорной втулкой и токопроводом в результате повреждения или разрушения изоляционного тела;
препятствует первичному разрушению опорной втулки, за которым всегда следует непосредственно повреждение или разрушение слоя изоляции и разгерметизация.
Выполнение опорной втулки из диэлектрического материала вместо металла обеспечивает более плотные межмолекулярные связи между материалами приграничной области - «слой изоляции» - «опорная втулка», а это повышает герметизацию и как следствие повышает как электрические, так и механические прочностные характеристики изделия.
В результате указанные выше признаки 1) и 2) при их взаимодействии между собой и известными из ближайшего аналога признаками заявленной группы изобретений, являются достаточными для обеспечения необходимого уровня электрической прочности и герметичности проходного изолятора. Достичь же достаточной механической прочности предложенного изделия можно, применив признак 3), что будет объяснено ниже.
р
вт
р
3.1) Было установлено, что разрушать слой кремнийорганической резины под опорной втулкой будет тем сложнее, чем больше ее удельная механическая прочность (σ) и чем больше длина (L) опорной втулки, которая ее защищает. Таким образом, качественно можно принять, что критическая разрушающая сила (Р) кремнийорганической резины пропорциональна произведению этих параметров:
.
вт
Аналогично, для разрушающей силы (Р) опорной втулки от влияния контактирующего с ней фланца, запишем:
.
вт
ф
р
Также было установлено, что разрушение опорной втулки непременно приведет к разрушению слоя изоляции из резины, поскольку в этом случае L→L и соответственно Р резко уменьшится исходя из (1).
Однако разрушение слоя изоляции из резины не приводит к спонтанному разрушению опорной втулки. По этой причине параметры изолятора следует выбирать таким образом, чтобы предотвратить первичное разрушение опорной втулки:
.
Откуда имеем соотношение между длиной опорной втулки и фланца:
.
Нижняя граница в (4) вытекает из соображений технической нецелесообразности выполнения опорной втулки более короткой, чем фланец. Кроме того, эта граница показывает, что заплечики фланца и опорная втулка в свете предложенного технического решения является отдельными элементами.
Превышение верхней границы (4), как следует из вышеприведенного в 3.1), увеличивает вероятность первоначального разрушения опорной втулки, что является недопустимым в свете поставленных задач для заявленных изобретений.
р
вт
Из (4) также следует, что диэлектрик должен быть выбран из следующего соотношения σ<σ.
Подытоживая вышеприведенное, упомянутые признаки 1), 2), 3) заявленных изобретений при их взаимодействии с известными из ближайшего аналога признаками заявленных изобретений, обеспечивают указанные тождественные технические результаты.
Заявленная группа изобретений поясняется на чертежах. Предоставленные чертежи имеют лишь иллюстративный характер и не ограничивают сущность, изложенную в формуле изобретения.
На Фиг.1 изображена конструкция кремнийорганического проходного изолятора, в его продольном разрезе.
На Фиг.2 изображена конструкция кремнийорганического проходного изолятора, вид сбоку.
Кремнийорганический проходной изолятор 1 (см. Фиг.1) содержит токопровод 2, опорную втулку 3 с металлическим фланцем 4, охватывающую токопровод 2 с образованием полости 5 между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки.
В качестве токопровода 2 могут быть использованы шина, несколько шин или стержень.
вт
вт
вт
Упомянутая полость 5 полностью заполнена слоем изоляции 6 из кремнийорганической резины. Опорная втулка 3 выполнена длиной L, например L=400 мм, из диэлектрического материала с удельной механической прочностью σ, например из стеклопластика с удельной механической прочностью 50 МПа, и простирается по всей длине слоя изоляции 6.
2
р
р
В качестве кремнийорганической резины использован вулканизированный, преимущественно методом аддитивной сшивки, полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы, например, винильные - СН=СН -, силоксановые - Si-O -группы и/или любые другие пригодные в свете изобретения группы. Такая кремнийорганическая резина имеет удельную механическую прочность σ, σ для такой резины обычно 5-6 МПа.
ф
ф
Металлический фланец 4 выполнен с заплечиками 7, которые охватывают опорную втулку и простираются вдоль нее на длину L, где, например, L=85 мм.
Кремнийорганический проходной изолятор дополнительно содержит кремнийорганическую ребристую оболочку 8 и оголовники 9, выполненные в виде крышек, открытые концы которых охватывают внешние торцевые поверхности опорной втулки, а днища имеют отверстия 10 (см. Фиг.2) для токопровода 2.
Кремнийорганическая ребристая оболочка 8 выполнена из вулканизированного полимерного компаунда на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы.
Оболочка 8 может быть выполнена из того же самого компаунда, что и слой изоляции 6, или из другого пригодного в свете изобретения компаунда.
Способ изготовления кремнийорганического проходного изолятора осуществляют следующим образом.
вт
вт
Предварительно подготавливают опорную втулку с металлическим фланцем. При этом опорную втулку выполняют длиной L, из диэлектрического материала с удельной механической прочностью σ, например из стеклопластика с удельной механической прочностью 50 МПа.
ф
вт
ф
Металлический фланец выполняют с заплечиками, способными охватывать опорную втулку и простираться вдоль нее на длину L. Преимущественно, L=400 мм, L=85 мм.
Металлический фланец монтируют на опорной втулке.
Преимущественно после этого для лучшей адгезии с кремнийорганической резиной нанести на внутреннюю поверхность опорной втулки, которая предназначена для контакта со слоем изоляции, то есть приграничную поверхность, слой праймера.
В качестве праймера может быть использован любой пригодный материал, однако преимущественно использовать раствор силоксанов. Праймер активизирует внутреннюю поверхность опорной втулки, делая ее более реакционно-способной для соединения с материалом слоя изоляции. Силоксаны обладают схожей природой с применяемой согласно изобретению резиной, обеспечивая более прочную молекулярную связь разнородных материалов приграничных областей.
Однако нанесение праймера не является обязательным для обеспечения герметичности при использовании выбранного компаунда. Олигомеры жидких каучуков с концевыми функциональными группами сами по себе являются достаточно реакционно-способными, чтоб обеспечить достаточные межмолекулярные связи с любым диэлектрическим материалом, подобранном в свете предложенного изобретения для опорной втулки.
Далее располагают в форме токопровод в опорной втулке с образованием полости между внешней поверхностью токопровода и внутренней поверхностью опорной втулки.
Под формой в свете предложенного изобретения следует понимать любую пригодную и известную специалисту в отрасли литьевую форму.
Литьевую форму с целью ускорения химической реакции вулканизации желательно предварительно разогреть в пределах 100°-150°С. Это позволит осуществить процесс аддитивной сшивки за 10-15 минут.
Однако данное разогревание не является обязательной процедурой, поскольку выбранный компаунд способен вулканизироваться при комнатных (до 18°С) температурах, но такой процесс занимает достаточно времени.
Разъем литьевой формы преимущественно расположить вертикально перед подачей компаунда. Это значительно уменьшит поперечные нагрузки на опорную втулку и токопровод при подаче резины, и, следовательно, уменьшит возможность возникновения обусловленных выше дефектов в приграничных областях изоляционного тела.
Предварительно полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, преимущественно в виде двух реакционно-способных компонентов, где один из компонентов содержит любой пригодный для аддитивной сшивки катализатор, например платиновый, подают в смеситель.
Полученную в результате жидкую смесь инжектируют в упомянутую литьевую форму, при этом важно согласно описанным выше соображениям, чтобы направление подачи смеси практически параллельно токопроводу и продольной оси опорной втулки.
Процесс заполнения компаундом упомянутой полости формы можно кратко описать так. Цепочки невулканизированных олигомеров, имея сравнительно небольшие размеры по сравнению с высокомолекулярными цепочками, способны полностью заполнять формы любой конфигурации. Это позволяет избежать возникновения любых воздушных включений в приграничных областях «опорная втулка - слой изоляции», «слой изоляции - токопровод».
При вулканизации к литьевой форме преимущественно прилагают давление не более 30 МПа.
Это позволяет избежать возможных воздушных включений как непосредственно в смеси, так и в приграничных областях «опорная втулка - слой изоляции», «слой изоляции - токопровод».
Давление выше 30 МПа не рекомендуется, во-первых, с точки зрения вредных нагрузок на опорную втулку и токопровод в процессе вулканизации, а во вторых, является нецелесообразным с точки зрения снижения энергоемкости.
Вулканизацию резины можно проводить любыми известными способами, однако самым эффективным с точки зрения данного изобретения является способ аддитивной сшивки.
В отличие от способа вулканизации методом поликонденсации при реакции аддитивной сшивки не образуется побочных продуктов алкоголя, которые могут привести к нежелательным в свете предложенного изобретения концентрациям напряжений.
При аддитивной сшивке цепочки невулканизированных олигомеров синтетических каучуков, содержащиеся в двух упомянутых реакционно-способных компонентах, сшиваются в литьевой форме благодаря наличию в каждой цепочке реакционно-способных концевых и боковых групп. Скорость процесса контролируется катализатором.
Вулканизация олигомеров жидких каучуков в присутствии катализатора методом аддитивной сшивки проходит по следующей схеме:
При этом в упомянутых компонентах нужно использовать молекулы олигомеров как можно меньшей длины. Так же важно наличие реакционно-способных функциональных групп на всех концах цепочки.
Использование компаунда без концевых функциональных групп может привести к неоднородности процесса вулканизации, а значит, и к вышеописанным дефектам (в большей мере - внутренним напряжениям) слоя изоляции и дефектам в упомянутых приграничных областях.
Указанные функциональные группы способны вступать в реакцию с поверхностями опорной втулки и токопровода, образовывая прочные поверхностные межмолекулярные связи в приграничных областях.
После завершения процесса вулканизации готовое изделие вынимают из литьевой формы, при необходимости снимают облой.
Если это нужно, после отмеченной вулканизации резины на внешних торцевых поверхностях втулки устанавливают оголовники. После чего на изоляторе, если это необходимо, формируют кремнийорганическую ребристую оболочку. При формировании последней выгодно также использовать полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы.
вт
ф
вт
р
Для изготовленного изолятора имеем L/L=4,7, σ/σ=8,3, что вполне удовлетворяет соотношению (4). При этом с некоторым запасом исключается первичное повреждение или разрушение опорной втулки, тем самым повышаются ее защитные свойства по отношению к слою изоляции из кремнийорганической резины, который она покрывает.