ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИЗОЛЯТОР

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к изоляционной технике, применяемой при напряжениях более 1000 В.
Известны технические решения, направленные на улучшение таких важных характеристик высоковольтных изоляторов, как:
внутренняя и внешняя электрическая прочность, определяемая разрядными и выдерживаемыми напряжениями в сухом, влажном, и загрязненном состоянии изоляторов, так и
снижение материалоемкости и массы изделия, обусловленное как его габаритными размерами, так и выбором материалов.
Специалистам в данной предметной области известно, что удовлетворить оба упомянутых требования в одном изделии достаточно тяжело, так эти требования, как правило, являются взаимообратными или взаимоисключающими.
Это объясняется прежде всего тем, что увеличение длины пути утечки с целью повышения разрядных и выдерживаемых характеристик, как правило, сопряжено с увеличением массогабаритных параметров изолятора.
В настоящее время эту проблему решают, выполняя ребра относительно тонкими. Это позволяет набрать необходимую длину утечки, уменьшив, во-первых, высоту изоляционной части, а во-вторых диаметр ребер.
В выбранном в качестве ближайшего аналога техническом решении, известном из документа UA 25680 U от 10.08.2007, раскрыт высоковольтный изолятор.
Данный изолятор содержит силовой узел, состоящий из стеклопластикового электроизоляционного стержня, концы которого соединены с металлическими оконцевателями.
Каждый из последних имеет основную часть с, по сути, цилиндрической внешней поверхностью.
В торце упомянутой основной части как минимум одного из оконоцевателей выполнена осевая рассверловка, в которой спрессован соответствующий конец стержня.
Стенка, образованная упомянутой по сути цилиндрической внешней поверхностью оконцевателей и внутренней поверхностью осевой рассверловки, имеет толщину D.
Торцевая поверхность оконцевателя со стороны осевой рассверловки сопряжена с упомянутой цилиндрической поверхностью радиусом сопряжения R.
Известный изолятор так же содержит цельнолитую защитную оболочку с кольцевыми ребрами.
Эта оболочка охватывает силовой узел и простирается вдоль него на длину Н, а расстояние между упомянутыми торцевыми поверхностями оконцевателей равно h.
Упомянутое техническое решение, благодаря оптимально выбранным соотношениям геометрических параметров защитной оболочки, в том числе, высоте оболочки и конфигурации ребер, позволяет снизить удельную электрическую нагрузку по длине изолятора, тем самым, достичь необходимые электрические характеристики, но при меньших по сравнению с известными ранее конструктивными решениями массогабаритных параметрах.
Таким образом, в известном техническом решении была отчасти решена проблема повышения разрядных характеристик наряду с уменьшением материалоемкости.
Однако данному известному изолятору присуща низкая герметичность, что может привести к снижению его внутренней электрической прочности.
Низкая герметичность известного изолятора обусловлена, по меньшей мере, тремя основными факторами:
1. "Полезная" в свете вышеупомянутого сложная конфигурация защитной оболочки с тонкими и значительно выступающими ребрами, выполненная из вулканизированных цепочек высокомолекулярных каучуков, может иметь существенные дефекты формы при ее изготовлении. Эти дефекты могут быть как внешними - трещины, микротрещины и несоответствие формы изделия заранее заданной, так и внутренними - воздушные включения, иные концентраторы внутренних напряжений.
2. Между пограничными областями - «оболочка» - «стержень», «оболочка - оконцеватели» и «оконцеватели - стержень» часто присутствуют
воздушные включения по причине отсутствия плотных молекулярных связей между упомянутыми элементами.
3. Пограничные поверхности оконцевателей выполнены без учета возможных внутренних частичных разрядов вследствие концентрации напряженности электрического поля вблизи оконцевателей, что может вызвать начало разрушения пограничных поверхностей стержня и оконцевателя, и как следствие - попадание влаги или загрязнений и полный пробой изолятора.
Потому такая конструкция требует дополнительной герметизации как непосредственно самой оболочки, так и указанных пограничных областей.
Это, во-первых, повышает материалоемкость и требует дополнительных энерго- и трудовых ресурсов при изготовлении изолятора, а во-вторых, что очень важно, не решает полностью указанную проблему.
Действительно, применение дополнительного герметика не в полной мере препятствует возникновению дефектов самой оболочки, особенно внутренних.
Кроме того, применение дополнительного герметика приводит к возникновению новых пограничных областей «герметик - оболочка», «герметик - стержень», «герметик - оконцеватели», и как следствие, дополнительных воздушных включений.
Как правило, наличие таких микро- и макротрещин трещин, воздушных включений, отклонения размеров заданной формы, и воздушных включений ведет к возникновению очагов постепенного электрического разрушения как стержня, так и оболочки, следствием которой может быть разгерметизация пограничных областей под действием окружающей среды на изоляторы, перенапряжений в сети и ударных нагрузок.
Кроме того, применение высокомолекулярного каучука в качестве сырья для оболочки значительно увеличивает ресурсопотребление при изготовлении. Существенным моментом здесь являются приложенные относительно высокие давления как при инжекции смеси, так и при ее вулканизации, а также сравнительно высокие температуры, которым подвергается изолятор в процессе изготовления.
Это ведет к появлению остаточных деформаций, как в самом теле оболочки, так и в стержне, что ускоряет процессы старения изолятора в условиях эксплуатации.
Все вышеописанное в свою очередь снижает диэлектрические характеристики упомянутых областей, приводит к изменениям конфигурации электрического поля в изоляторе в сторону увеличения максимальной напряженности на поверхности стержня, возникновению частичных разрядов и последующем ухудшении внутренней электрической прочности и герметичности.
В основу полезной модели поставлено задачу усовершенствования высоковольтного изолятора, в котором путем выбора определенного материала для оболочки, а также путем изменения конфигурации пограничных областей «оболочка» - «стержень», «оболочка - оконцеватели» и «оконцеватели - оболочка», обеспечивается достижение технического результата: повышение герметичности изолятора при снижении материалоемкости.
Поставленная задача решается тем, что в высоковольтном изоляторе, содержащем силовой узел, состоящий из стеклопластикового электроизоляционного стержня, концы которого соединены с металлическими оконцевателями, каждый из последних имеет основную часть с, по сути, цилиндрической внешней поверхностью, причем в торце упомянутой основной части как минимум одного из оконоцевателей выполнена осевая рассверловка, в которой спрессован соответствующий конец стержня, при этом стенка, образованная упомянутой по сути цилиндрической внешней поверхностью оконцевателей и внутренней поверхностью осевой рассверловки, имеет толщину D, а торцевая поверхность оконцевателя со стороны осевой рассверловки сопряжена с упомянутой цилиндрической поверхностью радиусом сопряжения R, и цельнолитую защитную оболочку с кольцевыми ребрами, охватывающую силовой узел и простирающуюся вдоль него на длину Н, а расстояние между упомянутыми торцевыми поверхностями оконцевателей равно h,
согласно полезной модели,
защитная оболочка выполнена из вулканизированного полимерного компаунда на основе на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы,
упомянутый радиус сопряжения R лежит в пределах 0,5 D ≤ R ≤ 2 D, а длина защитной оболочки Н лежит в пределах h < Н ≤ 2h, причем оболочка покрывает, по меньшей мере, упомянутое сопряжение.
Данная задача решена и тем, что упомянутое сопряжение выполнено в виде сферического уступа в радиальном направлении.
Данная задача также решена тем, что оболочка по меньшей мере охватывает поверхность упомянутого сферического уступа.
Далее, данная задача решена так же тем, что оболочка простирается по длине, выступая за упомянутое сопряжение.
И, наконец, данная задача решается тем, что материал оболочки является оптически прозрачным.
Выбор компаунда на основе жидких синтетических каучуков, олигомеры которых содержат концевые функциональные группы, в качестве материала оболочки обеспечивает:
во-первых, отсутствие как внешних, так и внутренних дефектов оболочки практически любой ее необходимой конфигурации за счет низкой вязкости заполняющего соответствующую литьевую форму компаунда, обусловленной сравнительно небольшим размером молекул олигомеров жидких каучуков;
во-вторых образование плотных связей на молекулярном уровне оболочки с материалом стержня и оконцевателей (создание так называемого «многокомпонентного единого изделия»), что приводит к исключению малейших воздушных пор, трещин и пузырьков;
в-третьих, изготовление такой оболочки на силовом узле можно производить при сравнительно небольших (и даже комнатных) температурах и при относительно низких давлениях, что также исключает любые деформации и напряжения на всех стадиях технологического процесса;
в-четвертых, вулканизированный материал такой оболочки, обладая водо- и трекингоэрозионной стойкостью, препятствует возникновению электрических разрушений пограничных областей при эксплуатации в тяжелых условиях; и, наконец,
в-пятых, такая оболочка, обладая эластичностью, позволяет избежать ее деформаций при хранении и транспортировке.
Таким образом, перечисленные пять свойств выбранного материала оболочки в совокупности необходимы для повышения герметичности изолятора.
Поскольку упомянутое первым свойство позволяет получать практически любую необходимую форму оболочки, в частности с относительно
тонкими ребрами и уменьшенной высотой изоляционной части до предельно допустимых значений, определяемых удельной электрической и механической прочностью, выбранный материал необходим для снижения материалоемкости.
Однако, одного признака, касающегося выбора определенного материала, недостаточно для требуемой герметизации изделия.
Как отмечалось выше, наиболее «слабым звеном» с точки зрения герметичности в конструкции изолятора является пограничная область «оконцеватели - стержень - оболочка».
Потому, в свете данной полезной модели, очень важным является покрытие, по меньшей мере, сопряжения торцевой и цилиндрической поверхностей оконцевателей изоляторов указанной оболочкой, что обеспечивается нижним пределом указанного соотношения h < Н. Именно этим покрытием обеспечивается герметичность упомянутой области. Верхний предел этого соотношения H ≤ 2h выбран из условия достаточности герметичности и соображений уменьшения материалоемкости.
Кроме того, для снижения максимальной напряженности электрического поля на границах «оконцеватель - стержень - оболочка» необходимо, чтобы сопряжение торцевой и цилиндрической поверхностей оконцевателей имело определенный радиус сопряжения, соответствующий нижнему пределу указанного выше соотношения 0,5 D <= R. Верхний предел R <= 2 D этого соотношения выбран из условия достаточности снижения напряженности поля и соображений энергоемкости технологии.
Резюмируя вышеприведенное, можно утверждать, что существенные отличительные признаки данной полезной модели, при взаимодействии с известными ее существенными признаками, проявляя вышеперечисленные свойства, обеспечивают указанный выше технический результат.
Выбор прозрачного материала для оболочки обусловлен в большей степени возможностью визуального контроля начала возникновения мельчайших повреждений в изоляторе без дополнительного контрольного оборудования, как при его изготовлении, так и в процессе его эксплуатации.
Следует заметить, что достаточно низкая вязкость выбранного компаунда позволяет легко добавить в него при необходимости любой краситель, получить при этом равномерное окрашивание за счет эффективной диффузии частиц краски в выбранном компаунде перед его вулканизацией.
Полезная модель более подробно поясняется чертежами:
На Фиг. 1, 3 - изображены общие виды в плане высоковольтного изолятора с разной длиной Н оболочки.
На фиг. 2 - изображен вид в плане оконцевателя.
Высоковольтный изолятор имеет следующую конструкцию.
Высоковольтный изолятор 1 (см. Фиг. 1) содержит силовой узел 2, состоящий из стеклопластикового электроизоляционного стержня 3 и металлических оконцевателей 4.
Каждый из последних имеет (см. Фиг. 2) основную часть 5 с, по сути, цилиндрической внешней поверхностью 6, причем в торце 7 упомянутой основной части как минимум одного из оконцевателей выполнена осевая рассверловка 8, в которой опрессован соответствующий конец 9 стержня 3.
Стенка 10, образованная упомянутой, по сути цилиндрической внешней поверхностью 6 оконцевателей и внутренней поверхностью 11 осевой рассверловки, имеет толщину D.
Торцевая поверхность оконцевателя со стороны осевой рассверловки сопряжена с упомянутой цилиндрической поверхностью 6 радиусом сопряжения R.
Защитная оболочка 12 с кольцевыми ребрами 13 (см. Фиг. 1) охватывает силовой узел 2.
Защитная оболочка 12 простирается вдоль силового узла 2 на длину Н, а расстояние между торцевыми поверхностями оконцевателей равно h.
2
Оболочка 12 выполнена из вулканизированного методом аддитивной сшивки компаунда 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 полезной модели группы.
Оболочка 12 в предпочтительном варианте исполнения для вышеописанных целей является оптически прозрачной. При необходимости, она может содержать любой пригодный краситель.
Оболочка 12 выполнена такой длины Н, что покрывает упомянутое сопряжение (см. фиг. 1). Однако более эффективная герметизация изделия обеспечивается тогда, когда оболочка выступает за данное сопряжение и простирается по длине цилиндрической поверхности оконцевателя (см. фиг. 3).
Упомянутый радиус сопряжения R выбран не меньшим, чем половина упомянутой толщины D. Увеличение радиуса выше этого предела увеличивает электрическую прочность изолятора, повышая при этом герметичность его пограничной области стержня, оконцевателя, и оболочки. Однако, выполнение этого радиуса большим, чем 2D, является нецелесообразным с точки зрения снижения материалоемкости.
Упомянутое сопряжение может быть выполнено в виде сферического уступа 14 в радиальном направлении (см. фиг. 2). Лучшим с точки зрения обеспечения требуемой герметичности и снижения материалоемкости является вариант, когда оболочка 12 полностью покрывает уступ 14 (см. фиг. 1).
Изолятор изготавливают следующим образом.
Предварительно изготовленный из стеклопластика стержень подвергают предварительной обработке. При этом его поверхность обезжиривают.
В оконцевателях выполняют осевую рассверловку оговоренной выше толщиной D и сопряжение торцевой поверхности с цилиндрической оговоренным выше радиусом R.
Концы стержня присоединяют к оконцевателям методом их обжатия в упомянутых осевых рассверловках.
Таким образом получают силовой узел.
Предпочтительно после этого для лучшей адгезии с материалом оболочки нанести на все поверхности силового узла, которые предназначены для контакта с оболочкой, то есть пограничные поверхности, слой праймера.
В качестве праймера может выступать любой пригодный материал, однако предпочтительнее использовать раствор силоксанов. Праймер активизирует наружную поверхность силового узла, делая ее более реакционноспособной для соединения с материалом оболочки. Силоксаны обладают сходной природой с материалом защитной оболочки, обеспечивая более прочную молекулярную связь разнородных материалов пограничных областей.
Однако, как будет оговорено ниже, 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, чтобы
обеспечить достаточные межмолекулярные связи с материалами силового узла.
Приготовленный вышеописанным образом силовой узел располагают в литьевой форме, выполненной таким образом, чтоб обеспечить необходимую конфигурацию оболочки. Более предпочтительно использовать литьевые формы, обеспечивающие конфигурацию оболочки согласно описанию к патенту UA 25680 U от 10.08.2007. Однако может быть использована любая иная форма, обеспечивающая заданную согласно данной полезной модели длину Н защитной оболочки.
Литьевую форму для ускорения химической реакции вулканизации желательно разогреть в пределах 100°-150°С. Это позволит осуществить процесс аддитивной сшивки за 10-15 минут.
Однако данный разогрев не является обязательной процедурой, так как выбранный компаунд способен вулканизироваться при комнатных (не менее 18°С) температурах, но такой процесс занимает достаточно времени.
Литейную форму необходимо расположить вертикально перед подачей компаунда. Это значительно уменьшит поперечные нагрузки на стержень при подаче смеси, и, следовательно, уменьшит возможность возникновения оговоренных выше дефектах в пограничных областях изолятора.
Здесь целесообразно отметить, что в литьевой форме размещают не только сам стержень, а полностью изготовленный силовой узел.
Это позволяет во-первых формировать цельнолитую оболочку не только непосредственно на стержне, но и на оконцевателях, во-вторых позволяет избежать разрушений оболочки при присоединении оконцевателей к стержню. Этим обеспечивается необходимая в свете данной полезной модели герметичность.
Полимерный компаунд на основе жидких синтетических каучуков, предпочтительно 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 начала реакции жидкую смесь инжектируют в упомянутую литейную форму, при этом важно, по описанным выше соображениям, чтоб направление подачи смеси было практически параллельно силовому узлу.
Динамику заполнения компаундом формы можно кратко описать так. Цепочки невулканизированных олигомеров, имея сравнительно небольшие
размеры по сравнению с высокомолекулярными цепочками, способны полностью заполнять формы любой конфигурации, что очень важно при отливке оболочек со сравнительно тонкими ребрами. Это позволяет избежать возникновения любых воздушных включений в пограничных областях самого изолятора, так и в пограничных областях «литьевая форма - оболочка», что очень существенно.
Здесь следует отметить два важных момента:
во-первых, непосредственно при вертикальном инжектировании смеси в литьевую форму не прилагаются дополнительные давления;
во-вторых к литейной форме прилагается давление не более 30 МПа.
Первое и второе в совокупности позволяет избежать возможных воздушных включений как непосредственно в смеси, так и в пограничных областях самого изолятора, а так же в пограничной области «литьевая форма - оболочка».
Давление выше 30 МПа не рекомендуется, во-первых с точки зрения вредных нагрузок на силовой узел и оболочку в процессе вулканизации, а во-вторых, является нецелесообразным с точки зрения снижения энергоемкости.
Вулканизацию смеси можно производить любыми известными способами, однако наиболее эффективным с точки зрения данной полезной модели является способ аддитивной сшивки.
В отличие от способа вулканизации введением в смесь серы, целевой продукт - вулканизат выбранного компаунда не теряет требуемую для задач данной полезной модели эластичность.
В отличие от способа вулканизации по методу поликонденсации при реакции аддитивной сшивки не образуется побочных продуктов алкоголя, которые могут привести к несоответствию формы целевого продукта заранее заданной, что также не является полезным в свете данной полезной модели.
При аддитивной сшивке цепочки невулканизированных олигомеров синтетических каучуков, содержащиеся в двух упомянутых реакционно способных компонентах, сшиваются в литейной форме благодаря наличию в каждой цепочке реакционноспособных концевых групп и боковых групп. Скорость процесса контролируется катализатором. Вулканизация олигомеров жидких каучуков в присутствии катализатора по методу аддитивной сшивки происходит по
следующей схеме:
При этом в упомянутых компонентах нужно использовать молекулы олигомеров как можно более близкой длины. Так же важно наличие реакционноспособных 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) формы самой оболочки и дефектам в упомянутых пограничных слоях.
Указанные функциональные группы способны вступать в реакцию с материалами силового узла, образуя плотные поверхностные межмолекулярные связи в пограничных областях.
После завершения процесса вулканизации готовое изделие - силовой узел с сформированной на нем оболочкой вынимают из литьевой формы, при необходимости снимают наплывы.
Следует сказать, что использование выбранного материала для оболочки в сочетании с достаточно низкими давлениями, прилагаемыми в процессе вулканизации, позволяет практически избежать образования
наплывов и достаточно легко, без нарушения формы оболочки, изъять изделие из литьевой формы. Этот момент также важен для задач данной полезной модели.
Испытание конструкции готового изолятора на герметичность соединений по методике МЭК 61109 проводили испытанием импульсным напряжением с крутым фронтом волны после кипячения в течение 24 часов в 0,1% растворе NaCl. Кроме того определялись импульсные характеристики этих изоляторов.
Образец 1: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=120 мм и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,5 D, где D=5 мм.
Образец 2: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=200 мм, и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,5 D, где D=5 мм.
Образец 3: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=240 мм, и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,5 D, где D=5 мм.
Образец 4: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=115 мм и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,5 D, где D=5 мм.
Испытание импульсным напряжением с крутым фронтом волны после кипячения в течение 24 часов в 0, 1% растворе NaCl показали, что изоляторы 1, 2 и 3 выдержали испытание, а изолятор 4 пробился (см. Таблицу 1).
Таблица 1
Образец
Результаты
1
Выдержал
2
Выдержал
3
Выдержал
4
Пробой
В Таблице 2 приведены результаты испытания изоляторов, прошедших предыдущее испытание (см. Таблицу 1), грозовыми импульсными напряжениями.
Таблица 2
Образец
выдерживаемое напряжение грозового импульса
1
155
2
156
3
142
Полученные результаты испытаний подтверждают эффективность охвата защитной оболочкой часть силового узла, но до определенной длины, то есть справедливо соотношение h < H ≤ 2h.
Выбираем из вышеуказанного ряда образцов по технико-экономическим показателям образец 1.
Образец 1 выполняем с различным соотношением R к D.
Образец 1: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=120 мм и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,5 D, где D=5 мм.
Образец 5: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=120 мм и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=D, где D=5 мм.
Образец 6: полимерный изолятор с изоляционной высотой (длинной изоляционной части) Н=240 мм, с расстоянием между торцевыми поверхностями оконцевателей h=120 мм и торцевая поверхность металлических оконцевателей со стороны осевой рассверловки имеет радиус сопряжения с наружной цилиндрической поверхностью металлического оконцевателя R=0,3 D, где D=5 мм.
Результаты испытания импульсным напряжением с крутым фронтом волны после кипячения в течение 24 часов в 0,1% растворе NaCl показаны в Таблице 3.
Таблица 3
Образец
Результаты испытаний
1
Выдержал
5
Выдержал
6
Пробой
Из Таблицы 3 следует, что сопряжение R ≥ 2d исполнять не рационально с экономической точки зрения, т.к. это приводит к неоправданному увеличению массы изолятора.