ПОДВЕСНОЙ ПОЛИМЕРНЫЙ ИЗОЛЯТОР
SUSPENDED POLYMER INSULATOR

Изобретение относится к элементам конструкции воздушных линий электропередач, в частности к подвесным электрическим изоляторам, рассчитанным на напряжение до 20 кВ.
В последние годы все более широкое применение в электротехнике получают изоляторы, изготавливаемые из полимерных композитов. Их применение неуклонно расширяется. Однако, наряду с несомненными преимуществами при применении полимерных материалов для изготовления изоляторов имеется ряд проблем, связанных со спецификой их конструкции, которая должна учитывать особенности технологических и эксплуатационных свойств полимеров, работающих под напряжением.
Известен ряд технических решений, в которых описаны оригинальные конструкции изоляторов.
Так согласно (1), подвесной полимерный изолятор состоит из стеклопластикового круглого стержня с металлическими оконцевателями на концах и, по крайней мере, одним защитным экраном, выполненным в виде частей нескольких концентрических колец с зазором между ними, соединенных между собой перемычкой, причем внешние части колец в поперечном сечении расположены по выпуклой замкнутой кривой, например, окружности или овалу, а перемычка - внутри этой выпуклой замкнутой кривой, образуя в электрическом отношении единую конструкцию. Недостатком данного технического решения является сложность конструкции изолятора и его относительно большая стоимость в связи с этим.
В (2) описан подвесной полимерный изолятор, содержащий цилиндрический стеклопластиковый стержень, на котором закреплена полимерная оболочка и который выполнен с оконцевателями, причем отличительной особенностью его конструкции является наличие пиропатрона, выполненного в виде кольца с внутренним диаметром размером не менее диаметра цилиндрического стеклопластикового стержня. Пиропатрон устанавливается на стеклопластиковом стержне рядом с одним из оконцевателей и закрыт снаружи полимерной оболочкой. Введение в конструкцию изолятора пиропатрона, который детонирует при повреждении изолятора и протекании по нему тока электрического разряда, позволяет визуально определить поврежденный изолятор. Однако изоляторы, изготовленные в соответствии с упомянутым техническим решением, сложны по конструкции и не пригодны для массового производства, что резко ограничивает области их применения.
Оригинальная конструкция высоковольтного подвесного изолятора описана в (3). Изолятор содержит несущий стержень, выполненный из композитного материала, армированный стеклянными волокнами, причем матрицей композиционного материала является неорганическое фосфатное связующее, выбранное из группы: магний, алюминий, хром, цинкфосфатные связующие, комбинированные связующие на их основе, и поперечные электроизолирующие ребра. Недостаток данной конструкции - ее сложность, обусловленная необходимостью раздельного формования несущего стержня и электроизолирующих ребер. Кроме того, стержень, сформированный с использованием неорганического связующего, не обладает достаточной механической прочностью.
Известна также конструкция подвесного полимерного изолятора (4), содержащая несущий стержень и неразъемно соединенные с ним металлическую арматуру на торцах стержня и контрольный элемент, установленный между ними, и выполненный из закаленного электротехнического стекла, разрушающийся во время эксплуатации при снижении электроизоляционных свойств стержня. При этом электрическая прочность контрольного элемента до разрушения меньше таковой его воздушного промежутка, а механическая прочность контрольного элемента после разрушения достаточна для эксплуатации изолятора. Недостатком данного изолятора является сложность его конструкции, что затрудняет массовое производство подобных изделий и сужает области их практического применения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению (прототипом) является подвесной изолятор, конструкция которого описана в (5). Данный изолятор содержит несущий стержень, проушины с отверстиями, расположенные на его концах, и электроизолирующее тело в виде радиальных ребер, выполненное из силиконовой резины, причем проушины соединены с несущим стержнем, выполненным из стеклопластика, посредством металлических втулок, облегающих стержень, по меньшей мере, на одном кольцевом участке каждой втулки, который охватывается изолирующим телом. Главным недостатком данной конструкции подвесного изолятора является ее сложность, обусловленная наличием нескольких составных элементов, которые необходимо прочно соединить друг с другом. Кроме того, изолирующее тело выполняется из дорогостоящей силиконовой резины, что снижает его конкурентоспособность по экономическим соображениям. Следует отметить, что формование изолирующего тела осуществляется прессованием, протекающим длительное время, что негативно сказывается на производительности процесса производства изоляторов.
Задачей предполагаемого изобретения является совершенствование конструкции подвесного полимерного изолятора, а также улучшение его эксплуатационных характеристик и упрощение технологии изготовления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что подвесной полимерный изолятор, состоящий из несущего стержня, проушин, расположенных на его концах и имеющих отверстия, предназначенные для крепления изолятора, а также расположенных в поперечном направлении относительно продольной оси стержня электроизолирующих ребер, охватывающих стержень по его периметру, согласно изобретению состоит из элементов, выполненных в виде единой конструкции из полимерного материала, причем несущий стержень имеет ребристое крестообразное сечение с плавными переходами на внешней поверхности продольных ребер, а также в местах сопряжения стержня с поперечными электроизолирующими ребрами, и вдоль его продольной оси, и, по крайней мере, на двух его продольных ребрах, находящихся в одной плоскости, выполнены сквозные дренажные отверстия.
Улучшение технических характеристик и упрощение технологии изготовления подвесного полимерного изолятора дополнительно достигается тем, что, что несущий стержень на участках, расположенных между близлежащим к проушине поперечным ребром и проушиной, выполнен с плавно увеличивающимся сечением по мере приближения к проушине и без дренажных отверстий, а также тем, что:
- в крепежных отверстиях проушин установлены металлические втулки;
- на наружную поверхность металлических втулок нанесена оболочка из эластомера;
- на периферийной поверхности проушин выполнено утолщение, имеющее плавный переход в зонах его сопряжения с плоской поверхностью проушины и несущим стержнем;
- сквозные дренажные отверстия выполнены с закруглениями в местах сопряжения с наружными поверхностями стержня;
- изолятор выполнен из атмосферостойкого и трекингостойкого термопластичного полимерного материала, армированного высокопрочным и трекингостойким волокнистым наполнителем;
- изолятор изготовлен методом литья под давлением;
- на поверхность изолятора нанесено электроизоляционное  атмосферо- и трекингостойкое покрытие.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеприведенными чертежами, на которых приведены варианты конструкции подвесного изолятора (Фиг.1-6). На Фиг.1 представлен вариант конструкции подвесного изолятора, описанный в п.1 формулы изобретения. Ее отличительной особенностью является ребристое крестообразное сечение несущего стержня 1, который выполнен в виде единого целого с поперечными электроизолирующими ребрами 2 и проушинами 3, причем на продольных ребрах несущего стержня выполнены сквозные дренажные отверстия 5. Проушины могут иметь исполнение параллельным расположением осей отверстий 4 (Фиг.1а) и скрещивающимися под прямым углом (Фиг.1б).
Выполнение всех элементов подвесного изолятора в виде единой конструкции упрощает технологию его изготовления, делает ее более экономичной и приемлемой для массового производства. Ребристое крестообразное сечение несущего стержня обеспечивает в целом снижение его толщины, что приводит к экономии материала. Кроме того, при этом представляется возможным использовать в качестве матричных материалов для изготовления изолятора кристаллизующихся термопластов: при снижении толщины стержня уменьшаются внутренние напряжения, обусловленные различием в степени кристалличности материала в поверхностных слоях изделия и в центральной области несущего стержня. Следствием этого является снижение хрупкости и повышение ударной вязкости материала изолятора. Наличие плавных переходов на внешней поверхности продольных ребер несущего стержня, а также в местах его сопряжения с поперечными электроизолирующими ребрами исключает концентрацию механических напряжений в них при эксплуатации и повышает эксплуатационную надежность.
Выполнение дренажных отверстий на продольных ребрах несущего стержня обеспечивает устранение накопления воды на стержне, которая негативно сказывается на электрофизических свойствах материала, снижает вес подвесного изолятора, что способствует снижению материалоемкости.
На Фиг.1. представлена конструкция подвесного изолятора по п.1 формулы изобретения: а - параллельное расположение осей отверстий в проушинах, б - перпендикулярное расположение осей отверстий в проушинах.
На Фиг.2 представлена конструкция подвесного изолятора по п.2 формулы изобретения. Она отличается от конструкции, приведенной на Фиг.1, тем, что несущий стержень на участках А и В, расположенных между близлежащим к проушине поперечным ребром и проушиной, выполнен с плавно увеличивающимся сечением по мере приближения к проушине и без дренажных отверстий. При данном исполнении обеспечивается повышенная механическая прочность изолятора на участках стержня (А, В), прилегающих к проушинами, в которых при эксплуатации изолятора возникают максимальные растягивающие усилия. Таким образом, удается повысить надежность изолятора при воздействии высоких механических нагрузок.
Конструкция подвесного изолятора по п.3 формулы изобретения представлена на Фиг.3. Она отличается от приведенной на Фиг.1 конструкцией проушин 3, которые дополнительно содержат металлические втулки 6. Главное назначение втулок - обеспечение требуемой долговечности изолятора в местах крепления проушин вследствие исключения трения полимерного материала проушин по поверхности крепежных штифтов. Согласно по п.4 формулы изобретения на поверхность металлических втулок, контактирующих с телом проушин, нанесена оболочка 7 из эластомера (Фиг.4). Наличие эластомерной оболочки на поверхности металлических втулок обеспечивает снижение уровня внутренних напряжений в слое полимерного материала, охватывающего втулку, и обеспечивает компенсацию напряжений, возникающих при изменении температуры эксплуатации из-за разности коэффициентов теплового расширения полимерного материала и металлической втулки.
В соответствии с п.5 формулы изобретения подвесной изолятор содержит проушины, имеющие утолщение 8 с плавным переходом в зоне сопряжения с плоской поверхностью проушины (Фиг.5) и несущим стержнем. Наличие утолщений на периферийной поверхности проушин обеспечивает повышение их механической прочности, а плавные переходы в местах сопряжения утолщений с плоской поверхностью проушин обеспечивают снижение в них внутренних напряжений, что приводит к повышению эксплуатационной надежности изолятора.
Выполнение дренажных отверстий в несущем стержне с закруглениями в местах сопряжения с наружными поверхностями стержня (Фиг.6), по п.6 формулы изобретения исключает концентрацию напряжений в них, которые могут зарождать образование трещин разрушения и способствует тем самым повышению долговечности изолятора.
В соответствии с п.7 формулы изобретения подвесной изолятор изготавливается из атмосферостойкого и трекингостойкого, армированного высокопрочным и трекингостойким волокнистым наполнителем, полимерного материала. Правильный подбор полимерного связующего и армирующего наполнителя является ключевым моментом, без учета которого не может быть создана работоспособная конструкция изолятора. Только совокупность признаков, указанных в п.7 формулы изобретения гарантирует работоспособность заявленной конструкции изолятора.
Согласно п.8 формулы изобретения подвесной изолятор изготавливается литьем под давлением. При этом подразумевается необходимость применения в качестве матричного материала термопластичного связующего. Применение метода литья под давлением обеспечивает возможность массового и экономически выгодного производства подвесных изоляторов.
Нанесение на поверхность изолятора атмосферо- и трекингостойкого покрытия (например, лакокрасочного) обеспечивает надежность его работы во влажной атмосфере и повышение срока эксплуатации на открытом воздухе.
Совокупность отличительных признаков заявляемого технического решения позволяет реализовать ранее неизвестный технический эффект, выражающийся в том, что подвесной изолятор выполнен в виде единой монолитной конструкции, отдельные элементы которой имеют специфические конструктивные особенности, которые в совокупности обеспечивают повышение эксплуатационной надежности изолятора при его изготовлении литьем под давлением из композита на основе термопластичного полимерного связующего, армированного высокопрочными и трекингостойкими волокнами. Заявленное техническое решение является новым, оно явно не следует из современного уровня технических решений в области конструкций подвесных (или других типов) полимерных изоляторов.
Таким образом, заявляемое изобретение обладает новизной, оно технически легко осуществимо, а его практическое применение позволяет решать задачи, связанные с повышением эксплуатационной надежности подвесных изоляторов при одновременном снижении затрат на их производство. Изобретение рекомендуется использовать, прежде всего для изготовления подвесных изоляторов для троллейбусных и трамвайных линий, а также линий электропередач на железнодорожном транспорте.
Источники информации:
1. Патент РФ на полезную модель №75500, МПК (2006.01) H01B 17/00, заявл. 04.04.2008.
2. Патент РФ на полезную модель №103664, МПК(2006.01) H01B 17/00, заявл. 30.12.2010.
3. Патент РФ на изобретение №2342724, МПК H01B 17/00, заявл. 13.08.2007.
4. Патент РФ на изобретение №2392678, МПК H01B 17/00, заявл. 10.06.2009.
5. Патент РФ на полезную модель №103226 МПК H01B 17/32, заявл. 26.11.2010 - прототип.