ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ELECTRIC BUSHING INSULATOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Область техники
Настоящее изобретение относится к проходному изолятору для подачи электрического тока и/или напряжения через заземленную пластину, у которого проводник окружен изолирующей втулкой, которая формируется пропиткой и последующим затвердеванием изоляционного материала, закрученного вокруг проводника. Изобретение относится также к способу изготовления проходного изолятора. Проходной изолятор в соответствии с изобретением используется, например, в трансформаторах для подсоединения трансформаторной обмотки к распределительной сети через стенку трансформаторного бака. Возможные другие применения проходного изолятора: кабельные окончания и оборудование с газовой изоляцией.
Изобретение относится также к способу изготовления проходного изолятора.
Уровень техники
У проходных изоляторов предъявляются высокие требования к уплотнению между проводником и окружающей изолирующей втулкой, чтобы ни газ, ни жидкость, например трансформаторное масло, не могли просачиваться по границе между ними.
В WO 00/55872 раскрыт проходной изолятор, предназначенный для соединения со стенкой корпуса трансформатора. Проходной изолятор в соответствии с патентом имеет изолирующую втулку 17, наложенную на проводник 15. Документ относится к средству герметичного присоединения проходного изолятора к корпусу трансформатора. Проблема уплотнения между изолирующей втулкой и проводником в данном документе не рассматривается.
В документе US 3775547 рассматривается другой пример проходного изолятора с объединенным с изолирующей втулкой средством соединения проходного изолятора с корпусом трансформатора. Для решения проблемы уплотнения между изолятором и проводником предлагается попробовать подобрать коэффициент теплового расширения материала изолятора и коэффициент теплового расширения проводника, вводя добавки в изолирующий материал (колонка 3, строки 22 и далее). Изолирующая втулка здесь предпочтительно выполнена отливкой с последующим затвердеванием эпоксидного материала и предназначена для низких напряжений; например, в документе упомянут уровень напряжения 7 кВ. Это решение проблемы негерметичности оказывается недостаточным при более высоких напряжениях, на которые ориентировано настоящее изобретение.
Для проходных изоляторов для более высоких напряжений, то есть выше 36 кВ и вплоть до самых высоких системных напряжений, 800 кВ и выше, трудности в достижении удовлетворительного уплотнения возникают потому, что размер изолирующей втулки увеличивается, что среди прочих обстоятельств, в случае изменений температуры, приводит к проблеме смещения изолирующей втулки относительно проводника из-за различия в коэффициентах теплового расширения материала проводника, который обычно выполнен из металла, например алюминия, или меди, или их сплавов, и материала изолятора. Сцепление между изолятором и проводником может нарушиться, что затем может привести к нежелательной утечке газа/жидкости.
Обычно применяется ослабляющий давление слой, например, в виде пробковой резины между проводником и изолирующей втулкой. Вместе с тем, этот слой не гарантирует уплотнение между проводником и изолирующей втулкой и проблема утечки остается.
Известно, что для гарантии уплотнения по краевым участкам изолятора используются щели в уплотнителях, например такие, как в случае уплотняющих колец. Такие уплотняющие средства и сложны, и дороги в производстве.
Сущность изобретения
В одном аспекте настоящее изобретение предоставляет проходной изолятор, имеющий эффективное уплотнение между изолирующей втулкой проходного изолятора и проводником.
Это достигается устройством с соответствующими характеризующими признаками п.1 формулы.
Предпочтительные варианты реализаций рассматриваются в последующих пунктах формулы. Изобретением предоставляется проходной изолятор со встроенным уплотнением, пригодный вплоть до самых высоких существующих системных напряжений (800 кВ и выше), при обеспечении уплотнения между изолирующей втулкой и проводником для работы с газом или жидкостью, причем это уплотнение пригодно также и для случаев больших изменений температуры.
Другой аспект изобретения заключается в предложении способа изготовления проходного изолятора в соответствии с п.14 формулы и последующими пунктами формулы.
Описание предпочтительных вариантов реализаций
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации, уплотняющий элемент в проходном изоляторе выполнен в виде кольцевой полосы со сжимающимся средством, содержащим обращенные к проводнику вырезы. Преимущество от вырезов заключается в том, что они будут также и в условиях сжатия смещаться к поверхности проводника при изменении температуры проводника и изолирующей втулки и сохранять уплотняющие характеристики.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации, сжимающееся средство уплотняющего элемента содержит заполненные газом полости. Такие полости улучшают эластичность уплотняющей детали.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации, сжимающееся средство уплотняющего элемента содержит вырезы, а также заполненные газом полости.
В соответствии с одним вариантом реализации, уплотняющий элемент выполнен для обеспечения геометрического замыкания уплотняющего элемента, например в форме закрепляющих вырезов. В другом случае, для формирования такого замыкания уплотняющий элемент имеет толщину сечения, возрастающую в направлении центра проходного изолятора.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом реализации, уплотняющий элемент размещен по внешнему краю изолирующей втулки и снабжен выступающей кромкой, покрывающей этот край и служащей при изготовлении в качестве гибкого разделителя, предназначенного для снятия механического напряжения между проводником и внешним краем изолирующей втулки.
Уплотняющий элемент выполнен из резины или из материала, подобного резине, химически стойкого по отношению к газу или жидкости. В несжатом состоянии наибольшая толщина уплотняющего элемента предпочтительно составляет 0,5-10 мм и ширина - 10-100 мм, а также внутренний диаметр - 20-300 мм, то есть диаметр несколько меньше внешнего диаметра электрического проводника.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации, проходной изолятор согласно изобретению выполнен для низшего системного напряжения в 36 кВ, в другом случае - от 170 кВ и вплоть до наивысшего существующего системного напряжения, то есть от 800 кВ и выше, что означает и соответствие для этого случая размеров изолирующей втулки.
В соответствии с одним вариантом реализации, изолирующая втулка содержит в дополнение к изолирующему материалу, также средство для контроля поля, например, в виде контролирующих поле прокладок.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом реализации, проходной изолятор согласно изобретению размещен на трансформаторе и составляет часть его электрического соединения с силовой линией, и при этом заземленная пластина представляет собой стенку трансформаторного бака. Проходной изолятор может также быть размещен на изолирующем газовом оборудовании, и при этом заземленная пластина представляет собой окружающую изолирующий газ оболочку. В другом случае, проходной изолятор составляет часть кабельной оконечности, и при этом заземленная пластина представляет собой заземленную оболочку кабельного сегмента.
В соответствии со вторым аспектом изобретения, предлагается способ изготовления проходного изолятора для подачи электрического тока и/или напряжения через заземленную пластину.
Это достигается способом в соответствии с характеризующей частью п.14 формулы.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, уплотняющий элемент, состоящий из резины или материала, подобного резине, сжимается деформацией его сжимаемого средства, содержащего примыкающие к проводнику вырезы.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, уплотняющий элемент сжимается деформацией своего сжимаемого средства, содержащего полости.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, уплотняющий элемент сжат деформацией вырезов, а также заполненных газом полостей.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, после процесса затвердевания окончательная форма переходит на проходной изолятор с помощью обработки, например обработки на токарном станке.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, край уплотняющего элемента, покрывающий внешний край изолирующей втулки, сформирован с выступающей кромкой, которая сохраняется или удаляется при обработке изолирующей втулки.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, средство для контроля поля, например, в виде контролирующих поле прокладок, наматывается на изолирующую втулку между изолирующими материалами.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, выравнивающий давление слой помещается между частью проводника и изолирующей втулкой.
В соответствии с предпочтительным вариантом способа, процесс изготовления приспособлен для изготовления проходного изолятора на низшее системное напряжение в 36 кВ, в другом случае - от 170 кВ и вплоть до наивысших, существующих в настоящее время, системных напряжений, то есть 800 кВ и выше.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение рассматривается со ссылкой на соответствующие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид проходного изолятора в сечении в соответствии с изобретением;
фиг.2 - подробный вид сечения уплотняющего элемента на внешнем краю проходного изолятора;
фиг.2a - подробный вид сечения уплотняющего элемента с закрепляющими прорезями;
фиг.2b - подробный вид сегмента уплотняющего элемента со сжимающимися газовыми полостями;
фиг.3 - подробный вид сегмента уплотняющего элемента;
фиг.4 - схематический вид проходного изолятора, размещенного на трансформаторном баке.
Обозначения на чертежах
1 - проходной изолятор
2 - заземленная пластина
3 - изолирующая втулка
4 - электрический проводник
5 - уплотняющая деталь
6 - уплотняющий элемент
7a - вырезы
7b - заполненные газом полости
8 - фиксирующий элемент
9 - внешний край изолирующей втулки
10 - выступающая кромка
11 - контролирующая поле прокладка
12 - слой снятия давления
13 - закрепляющие вырезы
14 - трансформатор
15 - трансформаторная обмотка
16 - силовая линия
17 - трансформаторный бак
18 - изолятор
Подробное описание чертежей
На Фиг.1 показан проходной изолятор 1 для передачи электрического тока и/или напряжения через заземленную пластину 2. Заземленная пластина может, например, составлять часть трансформаторного бака, к которому проходной изолятор, снабженный фиксирующим элементом 8, герметично прикреплен (с помощью не показанного соответствующего средства).
Проходной изолятор 1 содержит, по существу, осесимметричную изоляционную втулку 3, окружающую центральный электрический проводник 4. Проводник обычно выполнен из металлического материала, например алюминия, или меди, или их сплавов, но может также быть выполненным и из другого проводящего материала.
Проходной изолятор снабжен уплотняющей деталью 5 для достижения газового/жидкостного уплотнения между проводником и изолирующей втулкой 3. Изолирующая втулка сформирована наматыванием изолирующего материала (например, изоляционной бумаги) на проводник известным способом с последующей пропиткой его затвердевающим материалом, например эпоксидной смолой. В результате затвердевания изолирующая втулка принимает монолитную форму в виде так называемой RIP-втулки (пропитанная смолой изоляционная бумага). Ослабляющий давление слой 12, например, в виде пробковой резины, может быть наложен на проводник между частями граничного слоя между проводником и изолирующей втулкой. Вместе с тем, этот слой не обеспечивает уплотнение, но действует как ослабляющий давление слой.
В соответствии с изобретением, уплотняющая деталь 5 содержит, по меньшей мере, один уплотняющий элемент 6 со сжимающимся средством, при этом уплотняющий элемент размещен на проводнике между изолирующей втулкой 3 и проводником 4, на который уплотняющий элемент во время упомянутого процесса затвердевания передает сжатие посредством находящейся снаружи изолирующей втулки 3, уплотняющий элемент формирует газовое/жидкостное уплотнение, объединенное с изолирующей втулкой, между проводником 4 и изолирующей втулкой 3. Уплотняющий элемент, представляющий собой резину или подобный резине материал подходящего качества, выполнен в виде кольцевой полосы. Для передачи на уплотняющий элемент постоянного сжатия уплотняющий элемент снабжен сжимающимся средством. В соответствии с одним вариантом реализации изобретения, сжимающееся средство составляют вырезы 7а, обращенные к проводнику, причем упомянутые вырезы деформируются при сжатии. В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, сжимающееся средство уплотняющего элемента 6 составляют заполненные газом полости 7a, которые сжимаются и деформируются при сжатии. В рамках изобретения возможна комбинация этих способов переноса постоянного сжатия на уплотняющий элемент посредством деформации вырезов 7a и заполненных газом полостей 7b.
В соответствии с вариантом изобретения, уплотняющая деталь 5 содержит, по меньшей мере, один уплотняющий элемент 6 со сжимающимся средством, размещенным на части осевой длины проводника 4. Предпочтительно, уплотняющие элементы могут быть размещены на обоих краях изолирующей втулки. В другом случае, уплотняющий элемент 6 может быть размещен между краями изолирующей втулки или на краях, а также в промежутке между краями.
с
На фиг.2 подробно показано сечение уплотняющего элемента 6 на внешнем краю проходного изолятора 1. В данном случае, уплотняющий элемент 6 сформирован с сечением с возрастающей толщиной в направлении к центру  проходного изолятора 1 и в изолирующей втулке формируется соответствующая полость. Это означает, что геометрическое замыкание уплотняющего элемента достигается, если избыточное давление газа или жидкости в направлении от центральной части проходного изолятора к краям приводит к осевому усилию для уплотнения в направлении внешнего края.
Далее, на фиг.2 показано, что уплотняющий элемент 6 снабжен выступающей кромкой 10, покрывающей внешний край изолятора. Эта выступающая кромка служит в качестве гибкого разделителя и призвана снять напряжение между проводником 3 и внешним краем 9 изолирующей втулки. Позиция 12 обозначает ослабляющий давление слой.
На фиг.2a показано сечение уплотняющего элемента 6, в котором геометрическое закрепление изолятора достигается посредством закрепляющих вырезов 13. Закрепляющие вырезы 13 показаны на чертеже как волнистая линия. Сжимающееся средство в данном случае содержит вырезы 7a.
На фиг.2b показано сечение уплотняющего элемента 6 подобно сечению на фиг.2a, при этом сжимающееся средство содержит заполненные газом полости 7b, а также вырезы 7a.
На фиг.3 показано сечение сегмента уплотняющего элемента 6, которое в несжатом состоянии имеет наибольшую толщину t в пределах 0,5-10 мм и ширину b 10-100 мм, а также внутренний диаметр d 20-300 мм, причем упомянутый диаметр несколько меньше внешнего диаметра D электрического проводника (фиг.1).
Уплотняющий элемент 6 на фиг.2 и 3 может также быть снабжен заполненными газом полостями 7b, как показано на фиг.2b.
Проходной изолятор предпочтительно разработан для самого низкого системного напряжения в 36 кВ, в другом случае - от 170 кВ и вплоть до самых высоких существующих системных напряжений, то есть 800 кВ и выше. В этих приложениях возможно, чтобы изолирующая втулка 3 содержала дополнительно к изолирующему материалу также средство для контроля поля, например в виде контролирующих поле прокладок 11, схематически показанных на фиг.2.
На фиг.4 показан проходной изолятор 1 в соответствии с изобретением, размещенный на трансформаторе 14 и составляющий часть его электрического соединения между трансформаторной обмоткой 15 и силовой линией 16. В данном случае заземленная пластина 2 представляет собой стенку трансформаторного бака 17. Позицией 18 обозначен изолятор, соединенный с проходным изолятором.
В другом случае, проходной изолятор может быть соединен с элегазовым оборудованием (не показанном), в котором заземленная пластина 2 представляет собой оболочку вокруг изолирующего газа.
Если проходной изолятор составляет часть кабельного окончания (не показанного), то заземленная пластина 2 представляет собой заземленную оболочку кабельного сегмента, соединенного с кабельным окончанием.
Если уплотняющий элемент 6 размещен на внешнем краю изолирующей втулки, как описано выше, то уплотняющий элемент предпочтительно закрепляется на каждом внешнем краю изолирующей втулки. В другом случае, уплотняющий элемент может быть расположен по центру. В этом случае уплотняющий элемент предпочтительно формируется без выступающей кромки 6.
Изобретение относится также к способу изготовления проходного изолятора 1 для передачи электрического тока и/или напряжения через заземленную пластину 2 в соответствии с вышеизложенным.
Таким образом, проходной изолятор содержит, по существу, осесимметричную изолирующую втулку 3, окружающую центральный электрический проводник 4, который имеет уплотняющие детали 5 для газового/жидкостного уплотнения между проводником 4 и изолирующей втулкой 3. Эта изолирующая втулка 3 сформирована с использованием известной технологии так, что изолирующий материал, например в виде изоляционной бумаги, наматывается на проводник (или на снимающий давление слой, если он имеется). Затем изолирующая втулка пропитывается затвердевающим материалом, например эпоксидной смолой, после чего она принимает монолитную форму в результате затвердевания. Во время этого процесса происходит усадка изоляционного материала, так называемая усадка при твердении, которая приводит к скреплению изолирующей втулки с огибающей поверхностью проводника и их уплотнению.
Для высоких напряжений и токов размеры проходных изоляторов выбираются соответственно, то есть в этом случае такие проходные изоляторы имеют большие размеры. Таким образом, контактная поверхность вдоль изолирующей втулки и осевая протяженность проводника могут стать значительными, например 1-2 метра.
Поскольку коэффициенты теплового расширения для материала проводника и материала изолятора не идентичны, то при изменениях температуры будут возникать сдвиговые напряжения в пограничном слое, что означает невозможность сохранения уплотнения между проводником и изолирующим материалом и приведет к утечке газа/жидкости между ними.
В соответствии со способом изготовления проходного изолятора, в соответствии с изобретением, уплотняющая деталь 5 в виде сжимаемого эластичного уплотняющего элемента 6 накладывается на проводник 4 до обматывания изолирующим материалом. Изолирующий материал накладывается так, что, по меньшей мере, в основном покрывает уплотняющий элемент 6, после чего постоянное и, по существу, радиальное сжимающее усилие прикладывается к уплотняющему элементу в течение последующего процесса изготовления от окружающей изолирующей втулки 3, и уплотняющий элемент 6 в своем сжатом состоянии служит в качестве газового/жидкостного уплотнения между проводником 4 и изолирующей втулкой 3.
Уплотняющий элемент 6 выполнен из резины или подобного резине материала, и для постоянного сжатия важно, чтобы материал имел пространство для деформации. Поскольку уплотняющий элемент снабжен сжимающимся средством, например вырезами 7a, которые упруго деформируются при сжатии, то пространство для расширения обеспечивается между этими вырезами.
В другом случае, сжимающееся средство уплотняющего элемента 6 содержит заполненные воздухом или газом полости, которые сжаты.
В другом случае, сжимающееся средство уплотняющего элемента 6 содержит вырезы 7a, а также заполненные воздухом или газом полости 7b.
После процесса затвердевания проходной изолятор принимает свою окончательную форму при обработке изолятора, например обработке на токарном станке до желаемой формы.
Если уплотняющий элемент размещен на внешнем краю 9 изолирующей втулки, то он предпочтительно сформирован с выступающей кромкой 10, которая после намотки изолирующего материала может полностью или частично покрывать этот край. Во время обработки изолирующей втулки 3 выступающая кромка может быть сохранена или удалена. При этом способе удается избежать концентрации механических напряжений на внешнем краю 9 изолирующей втулки.
При высоком электрическом напряжении, для которого проходной изолятор и разработан, обычно требуется средство контроля поля, например, в виде контролирующих поле прокладок 11, которые известным образом наматываются на изолирующую втулку 3 между изолирующим материалом.
Способ изготовления предпочтительно пригоден для изготовления проходных изоляторов для самого низкого системного напряжения в 36 кВ, в другом случае - от 170 кВ вплоть до наивысшего существующего системного напряжения - от 800 кВ и выше, но в соответствии с изобретением он пригоден также и для изготовления проходных изоляторов на более низкие электрические напряжения.