ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННАЯ КОНСТРУКЦИЯ С ГИДРОФОБНЫМ ПОКРЫТИЕМ
ELECTRIC INSULATING STRUCTURE WITH HYDROPHOBIC COATING

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроизоляционным конструкциям, например, в виде линейных подвесных изоляторов воздушных линий электропередачи.
Известны электроизоляционные конструкции в виде линейных тарельчатых подвесных изоляторов, содержащие шапку, стержень и изоляционную деталь из закаленного стекла, которая состоит из головки и тарелки, соединенных между собой с помощью затвердевшей цементно-песчаной связки (ГОСТ 27661-88). Указанные изоляторы соединяются между собой в гирлянды, при этом длина гирлянды тем больше, чем выше класс напряжения линии электропередачи.
Недостатком таких изоляторов является то, что стеклянная, или фарфоровая поверхность является гидрофильными и, соответственно, изоляторы имеют низкие значения разрядных напряжений в условиях загрязнений.
Значительное количество отключений линий электропередачи (ВЛ) происходит при перекрытии линейных подвесных изоляторов в результате их загрязнения. Стекло и фарфор являются гидрофильными материалами и подвержены сильному загрязнению поверхности. Особенно опасными для подвесных изоляторов являются проводящие загрязнения, возникающие при прохождении ВЛ вблизи морей и океанов, металлургических комбинатов и т.д. В условиях загрязнения резко снижаются разрядные характеристики гирлянд изоляторов. Поэтому борьба с загрязнениями изоляции и обеспечение ее надежной работы в условиях интенсивного загрязнения, как естественного, так и   промышленного происхождения имеет особую актуальность.
В связи с этим получила распространение практика нанесения на поверхность изоляторов силиконовых покрытий холодного отверждения. Указанные покрытия придают поверхности изолятора свойство гидрофобности, благодаря чему изоляторы значительно меньше загрязняются и даже загрязненные изоляторы сохраняют высокие разрядные характеристики. Такие покрытия, как правило, наносятся с помощью распылителя и после отверждения образуют гидрофобное покрытие в виде твердой пленки.
Гидрофобное покрытие на поверхности изолятора предотвращает ее полное смачивание и тем самым увеличивает стойкость изолятора к поверхностному пробою, и, как следствие, уменьшает вероятность перекрытия гирлянд.
Известна электроизоляционная конструкция в виде опорного стержневого изолятора, который содержит изоляционную деталь, соединенную с металлической арматурой, с помощью затвердевшей цементно-песчаной связки, причем боковые наружные поверхности металлической арматуры, а также наружная поверхность изоляционной детали покрыты гидрофобным кремнийорганическим равнотолщинным для всей конструкции изолятора покрытием, величина которого составляет от 100 мкм до 300 мкм (Ким Ен Дар, П.Е. Пономарев. Опыт эксплуатации кремнийорганического покрытия холодного отверждения на подстанциях энергосистем Украины // Электрические сети и системы. - 2006. - № 3. - С.32-35).
Недостатками данной конструкции являются недолговечность покрытия, срок эксплуатации которого составляет 5-7 лет, после чего покрытие нужно возобновлять, высокая стоимость, а также низкая прочность сцепления с поверхностью изолятора.
14
15
Известна электроизоляционная конструкция с равнотолщинным гидрофобным покрытием, жидким в исходном состоянии, выполненная в виде, как минимум, одного изолятора, который содержит изоляционную деталь, состоящую из ствола с ребрами или без ребер на боковой поверхности, соединенную по обоим концам с металлической арматурой, выполненной, например, в виде фланца, с помощью затвердевшей цементно-песчаной связки, причем наружная поверхность металлической арматуры, а также изоляционной детали равномерно покрыты гидрофобным покрытием одинаковой толщины. При этом электроизоляционная конструкция покрыта гидрофобным покрытием  толщиной 80-800 мкм, причем гидрофобное покрытие в вулканизированном состоянии характеризуется величиной краевого угла смачивания, составляющего от 60° до 179°, трекингоэрозионной стойкостью при длительности испытаний, составляющей не менее 500 час при рабочих напряжениях 6-750 кВ, а также величиной дугостойкости, характеризующейся значением тока дуги не менее 100 мА при длительности воздействия не менее 600 с. Электроизоляционная конструкция состоит из двух или более изоляторов, соединенных друг с другом параллельно или последовательно. Изоляционная деталь выполнена из фарфора или стекла. Изоляционная деталь состоит из ствола в форме тела вращения, выполненного в виде сплошного или полого стержня цилиндрической или конической формы. Электроизоляционная конструкция  может быть покрыта гидрофобным покрытием на основе одно- или двухупаковочного кремнийорганического компаунда холодного отверждения, который в невулканизированном состоянии характеризуется жизнеспособностью при температуре от 15°C до 35°C в пределах 15-60 мин, а в вулканизированном состоянии характеризуется условной разрывной прочностью при растяжении не менее 0,55 МПа, относительным удлинением при разрыве не менее 100% удельным объемным электрическим сопротивлением не менее 3,0×10 Ом×см, удельным поверхностным электрическим сопротивлением не менее 1,0×10 Ом, тангенсом угла диэлектрических потерь при частоте 50 Гц не более 0,008, электрической прочностью в дистиллированной воде не менее 10 кВ/мм, а также прочностью связи с металлом при отслаивании не менее 0,60 Н/м. Электроизоляционная конструкция покрыта гидрофобным покрытием, которое в вулканизированном состоянии характеризуется сроком службы, составляющим не менее 10 лет, при эксплуатации в условиях перепада температур от минус 60°C до плюс 65°C. Электроизоляционная конструкция  может быть покрыта гидрофобным покрытием, которое содержит силиконовый низкомолекулярный каучук, наполнитель и отвердитель, причем в качестве силиконового низкомолекулярного каучука гидрофобное покрытие содержит каучук марки СКТН, в качестве наполнителя оно содержит 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 покрытие содержит метилтриацетоксисилан. Электроизоляционная конструкция может быть покрыта также гидрофобным покрытием, которое содержит на 100,0 масс.ч. каучука гидрат окиси алюминия в количестве 5,0-15,0 масс.ч., сажу ацетиленовую в количестве 0,5-2,5 масс.ч., низкомолекулярную кремнийорганическую жидкость 119-215 в количестве 1,25-2,5 масс.ч., метилтриацетоксисилан в количестве 2,5-6,5 масс.ч. (RU № 2496168, опубл. 20.10.2013).
В этой конструкции покрытие наносят на опорно-стержневой, опорный и т.п. изолятор.
Указанная конструкция имеет целый ряд недостатков, существенно ограничивающих возможность ее применения.
Во-первых, это низкая прочность покрытия и прочность его соединения со стеклом и металлической арматурой. Из-за этого трудно сохранить целостность покрытия при упаковке, транспортировке, монтаже изоляторов. Практически во всех случаях из-за этого покрытие приходится наносить на изоляторы у конечного потребителя, а не в производственных условиях.
Во-вторых, очень длительный и трудоемкий процесс нанесения покрытия. Покрытие наносится вручную методом напыления, при этом, чтобы создать слой 500 мкм, его приходится наносить 2-3 раза.
В-третьих, большие потери материала при нанесении покрытия распылением.
Все это, с учетом высокой стоимости самого материала, резко удорожает стоимость изоляционной конструкции. Так, при нанесении такого гидрофобного покрытия, например, на подвесной изолятор, его стоимость увеличивается в два-три раза.
15
Известна также электроизоляционная конструкция с гидрофобным покрытием, выполненная в виде изолятора, имеющего изоляционную деталь, состоящую из ствола в форме тела вращения  с ребрами или без ребер на боковой поверхности, поверхность которой равномерно покрыта гидрофобным покрытием на основе одного или двухкомпонентного кремнийорганического компаунда, при этом гидрофобное покрытие выполнено на основе кремнийорганического компаунда горячего отверждения с температурой вулканизации от 90 до 180 градусов, который в вулканизированном состоянии характеризуется  условной прочностью  на растяжение  не менее 3 МПа, сопротивлением раздиру не менее 15 Н/мм, электрической прочностью не менее 20 кВ/мм, удельным объемным электрическим сопротивлением не менее 1х10Ом х см, а  толщина гидрофобного покрытия составляет  1-5мм (RU 2654076, опубл. 16.05.2018). Указанное решение выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога.
Недостатком указанной конструкции является большая толщина покрытия и, соответственно, стоимость, а также сложный, трудоемкий и дорогостоящий техпроцесс изготовления, поскольку нанесение покрытия может осуществляться только в специальных формах на литьевых машинах. При этом необходим большой набор форм под каждый тип выпускаемых стеклянных изоляторов. Из-за разброса по размерам стеклодеталей подвесных изоляторов, на которые наносится покрытие, невозможно обеспечить его стабильную толщину. При этом разница в толщине может составлять до нескольких миллиметров. Большая толщина покрытия, особенно ребрах приводит к уменьшению разрядных расстояний и, соответственно, к снижению электрических характеристик изоляторов. В результате снижается эффективность применения покрытия.
Технической проблемой, решаемой данным изобретение является получение прочного равнотолщинного покрытия на изоляторе, которое одинаково эффективно будет наноситься на любые изоляторы независимо от их формы и конфигурации, а также повышение электрических разрядных характеристик изоляторов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной электроизоляционной конструкции с гидрофобным покрытием, выполненной в виде изолятора, имеющего изоляционную деталь из закаленного стекла или электротехнического фарфора, состоящей из головки и тарелки с ребрами или без ребер на нижней поверхности, металлическую шапку и металлический стержень, внутренняя поверхность металлической шапки и внешняя поверхность головки изоляционной детали, а также поверхность металлического стержня и внутренняя поверхность головки изоляционной детали соединены между собой с помощью затвердевшей цементно-песчаной связки, при этом гидрофобное покрытие выполнено на основе кремнийорганического компаунда горячего отверждения, и равномерно нанесено на поверхность изоляционной детали, а также на поверхность цементно-песчаной связки, согласно изобретению, толщина гидрофобного покрытия составляет 80-800 мкм, при этом покрытие выполнено в два слоя: первый слой выполнен на основе однокомпонентного раствора кремнийорганического компаунда в органических растворителях с температурой вулканизации 90-120 градусов, толщина первого слоя составляет не более 200 мкм, второй слой выполнен из LSR (liquid silicon rubber) двухкомпонентного жидкого кремнийорганического компаунда с температурой вулканизации 80-140 градусов, который характеризуется сопротивлением раздиру не менее 20 Н/мм и классом трекинг-эрозионной стойкости 1А 4,5кВ, толщина второго слоя составляет от 100 до 600 мкм.
Первый слой гидрофобного покрытия может быть выполнен на основе раствора кремнийорганического компаунда, в качестве органического растворителя, содержащего этилацетат, изомеры ксилола или октана.
Первый слой гидрофобного покрытия может быть выполнен на основе раствора, содержащего 5-10% кремнийорганического компаунда.
Второй слой гидрофобного покрытия может быть выполнен из кремнийорганического жидкого силикона на основе полидиметилсилоксана.
Гидрофобное покрытие может быть выполнено прозрачным.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью отличительных существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
В качестве изолятора в данной конструкции используется линейный подвесной изолятор, широко применяемый на линиях электропередачи. Эффективность работы указанного изолятора в условиях проводящих, например, промышленных загрязнений является чрезвычайно важной задачей.
Проблемой, ограничивающей широкое применение покрытий холодного отверждения для защиты линейных подвесных изоляторов, является их высокая стоимость. Это связано как с высокой ценой самого наносимого кремнийорганического компаунда, так и с большими его потерями при нанесении распылением. Кроме того, кремнийорганические компаунды холодного отверждения являются низкомолекулярными и имеют низкую механическую прочность и прочность сцепления с изолятором.
Высокую механическую прочность покрытия могут обеспечить только кремнийорганические компаунды горячего отверждения. Температура вулканизации таких покрытий составляет 90-180 градусов. Высокую прочность сцепления покрытия с поверхностью изолятора обеспечивает дополнительный слой, выполненный на основе раствора кремнийорганического компаунда в органических растворителях, температура вулканизации которого составляет 90-120 градусов. При температуре ниже 90 градусов резко увеличивается время вулканизации, соответственно, затраты на нанесение покрытия, и наоборот, при температурах выше 120 градусов время вулканизации очень маленькое, что не позволяет обеспечить нанесение качественного покрытия.
Толщина первого слоя не должна превышать 200 мкм, поскольку при толщине больше 200 мкм снижается прочность сцепления покрытия с изолятором. Толщину второго слоя покрытия выше 600 мкм сложно выполнить технологически, к тому же при большей толщине существенно увеличивается стоимость покрытия. Нанесение второго слоя покрытия толщиной менее100 мкм приведет к сокращению его срока службы, такой тонкий слой также сложно создать технологически. Нанесение второго слоя гидрофобного покрытия с сопротивлением раздиру не менее 20Н/мм и классом трекинг-эрозионной стойкости 1А 4,5кВ возможно только с применением двухкомпонентного жидкого кремнийорганического компаунда горячего отверждения. Температура вулканизации такого кремнийорганического компаунда составляет 90-140 градусов.
Первый слой гидрофобного покрытия, выполнен на основе 5-10% раствора кремнийорганического компаунда, который в качестве органических растворителей может содержать этилацетат, изомеры октана, ксилола.
Второй слой гидрофобного покрытия, может быть выполнен из LSR кремнийорганического компаунда на основе полидиметилсилоксана.
Сущность технического решения поясняется на чертежах, где на фиг.1 изображен линейный подвесной изолятор с гидрофобным покрытием с ребрами (пример конкретного выполнения), на фиг.2 - линейный подвесной изолятор с гидрофобным покрытием без ребер (пример конкретного выполнения), на фиг. 3 приведена фотография линейного подвесного изолятора с гидрофобным покрытием горячего отверждения, выполненного в два слоя суммарной толщиной 300-500мкм, на фиг.4 показано нарушение целостности традиционного гидрофобного покрытия холодного отверждения из-за низкой его прочности и прочности сцепления с изолятором, на фиг.5 приведены результаты испытаний материала покрытия не трекинг-эрозионную стойкость, на фиг.6 приведена фотография изолятора с покрытием при испытаниях на радиопомехи, на фиг.7 представлены результаты испытаний на радиопомехи, на фиг.8 приведены фотографии изолятора с традиционным покрытием холодного отверждения после испытаний на прочность сцепления  кипячением в течение 100 часов, на фиг.9 приведены фотографии заявляемой конструкции изолятора после испытаний на прочность сцепления покрытия кипячением в течение 100 часов, на фиг.10 показана установка для нанесения гидрофобного покрытия методом окунания с вращением изолятора.
Электроизоляционная конструкция, представляющая собой линейный подвесной изолятор, включающий в себя металлическую шапку 1, металлический стержень 2 и изоляционную деталь из закаленного стекла 3, которая состоит из головки 4 и тарелки 5 с ребрами 6 на нижней поверхности (фиг.1) или без ребер на нижней поверхности (фиг.2). Внутренняя поверхность металлической шапки 1 и внешняя поверхность головки 4 изоляционной детали 3, а также поверхность металлического стержня 2 и внутренняя поверхность головки 4 изоляционной детали 3 соединены между собой с помощью затвердевшей  цементно-песчаной связки 7. Поверхность изоляционной детали 3 и поверхность цементно-песчаной связки 7 равномерно покрыты гидрофобным покрытием 8 на основе кремнийорганического компаунда, толщина которого составляет 80-800 мкм.
Гидрофобное покрытие 8 выполнено в два слоя 9 и 10, при этом толщина первого слоя 9 не превышает 200 мкм, а второго слоя 10 составляет 50-600 мкм.
На фиг.4 видно отслоение традиционного покрытия от поверхности изолятора и нарушение его целостности из-за низкой прочности покрытия и низкой прочности его сцепления с изолятором. Как показали испытания, выполнение покрытия на основе кремнийорганического компаунда горячего отверждения в два слоя позволило увеличить его прочность и прочность сцепления с изолятором не менее чем в 10 раз.
Как видно из результатов испытаний, представленных на фиг.5, трекинг-эрозионная стойкость материала покрытия существенно повысилась и соответствует классу 1А 4,5кВ согласно требованиям МЭК.
На фиг.7 представлены результаты испытаний на радиопомехи. Видно, что изоляторы с LSR покрытием в отличие от изоляторов без покрытия и с RTV покрытием практически не создают радиопомех даже при повышении уровня напряжения.
Как видно из фотографий на фиг.8 после кипячения традиционное покрытие холодного отверждения отстает от изолятора, под покрытием образуются пузыри, покрытие легко снимается.
Прочность сцепления покрытия заявляемой электроизоляционной конструкции с изолятором (фиг. 9) не изменяется после кипячения, покрытие можно снять с изолятора только режущим инструментом.
Нанесение гидрофобного покрытия на изоляторы производится на специальной установке, представленной на фиг.10, методом окунания с вращением изолятора в две стадии. Сначала наносят и вулканизируют первый слой гидрофобного покрытия, затем – второй слой. Вулканизация происходила при выводе изолятора с покрытием в горизонтальное положение с продолжением вращения, при этом производился нагрев покрытия до необходимой температуры с помощью воздушных фенов.
Заявляемая электроизоляционная конструкция обладает повышенной прочностью покрытия и прочностью его сцепления с изолятором, увеличенной стойкостью покрытия и сроком его службы.