УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Устройство относится к электротехнике, в частности, к аппаратам для защиты изоляции высоковольтного оборудования электрических сетей и станций от атмосферных и кратковременных коммутационных перенапряжений.
Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее, по меньшей мере, одну колонку варисторов размещенную между двумя концевыми электродами в электроизоляционном стеклопластиковом цилиндре, расположенном в наружной полимерной оболочке, а в стенке изоляционного цилиндра из стеклопластика по всей его высоте имеются сквозные каналы в виде круглых отверстий или узких прорезей, выполненных под углом или вдоль образующих цилиндра, соединяющие
внутреннюю полость цилиндра с пространством между цилиндром и наружной полимерной оболочкой, причем каналы закрыты пробками [1].
Недостатком известного устройства является неэффективное использование дорогостоящего высокопрочного стеклопластика, поскольку сверление или фрезерование сквозных отверстий и узких прорезей в стенке стеклопластикового цилиндра приводит к резкому снижению его механической прочности и жесткости при эксплуатационных нагрузках поперечного изгиба, продольного сжатия и растяжения. Перфорация стеклопластикового цилиндра приводит к усложнению технологии его изготовления, применению механической обработки, станочного оборудования, сложной технологической оснастки, режущего инструмента, к нерациональным технологическим отходам дорогостоящего стеклопластика. В итоге существенно увеличиваются трудоемкость и себестоимость стеклопластикового цилиндра, снижается надежность и жесткость устройства в экстремальных погодных условиях эксплуатации, а обеспечение требуемой жесткости и прочности конструкции приводит к повышению толщины стенки цилиндра, а, следовательно, его массы и стоимости.
Известно также устройство для защиты от перенапряжений [2], принятое в качестве прототипа, которое содержит колонку варисторов, размещенную в стеклопластиковом корпусе с ребристым трекингозащитным покрытием, пространство между варисторной колонкой и стекло-пластиковым корпусом заполнено теплопроводящей изоляционной заливочной композицией. Корпус представляет собой сложнопрофильное изделие, состоящее из горизонтальной и вертикальной частей, причем горизонтальная часть выполнена в виде тарелки и является основанием устройства, а вертикальная - в виде цилиндра, который в поперечном сечении имеет участки с минимальной толщиной стенки, обеспечивающей разрыв стеклопластиковой стенки корпуса в случае взрыва устройства,
и участки с максимальной толщиной стенки, имеющие точечный контакт с колонкой варисторов.
К недостаткам известного устройства относятся сложность и нетехнологичность конструкции стеклопластикового корпуса, приводящие к неэффективному использованию конструктивно-технологических возможностей стеклопластика, как материала с проектируемыми свойствами, в частности, к существенному завышению и нерациональным значениям массогабаритных показателей устройства, из-за высокой концентрации напряжений и относительно низкой жесткости и прочности сложно-профильной стенки стеклопластикового корпуса при воздействии внешних нагрузок изгиба и продольного сжатия. В итоге стеклопластиковый сложнопрофильный корпус имеет существенно завышенную толщину и массу утолщенных участков стенки, что существенно повышает его стоимость и трудоемкость изготовления. Концентрация теплопроводящей заливочной композиции в продольных полостях вокруг варисторной колонки вызывает асимметричную локализацию продуктов термодеструкции при зажигании дуги в одной из этих полостей, приводящую к продольному разрушению тонкого участка стенки и выбросу через него дугового газа. Однако смещенная во времени термодеструкция теплопроводящей заливочной композиции в продольных полостях с противоположной стороны варисторной колонки приводит к тому, что образующиеся газообразные продукты термодеструкции выбрасывают варисторы через образовавшийся ранее продольный разрыв стеклопластиковой стенки корпуса с высокой скоростью. Таким образом, конструкция устройства не обеспечивает надежную взрывобезопасность его. Сложная конструкция стеклопластикового корпуса исключает возможность его изготовления автоматической намоткой пропитанных связующим стеклоткани, ровингов или нитей. Серийное производство таких корпусов возможно только методами литьевого или компрессионного формования с применением сложной дорогостоящей формообразующей
оснастки - пресс-форм. Таким образом, сложнопрофильное устройство корпуса приемлемо только для производства малогабаритных ограничителей перенапряжений малой мощности. Предлагаемая полезная модель устройства для защиты от перенапряжений направлена на конструктивно-технологическое усовершенствование известного устройства, на снижение его массы, трудоемкости и стоимости изготовления, на повышение жесткости и прочности конструкции, на обеспечение ее взрыво-безопасности и надежности.
Указанные недостатки известной конструкции устраняются тем, что устройство для защиты от перенапряжений содержит стеклопластиковый корпус, облицованный трекингозащитным ребристым покрытием, размещенную в нем колонку варисторов между двумя металлическими электродами, установленными и закрепленными на концах корпуса, пространство между варисторной колонкой и стеклопластиковым корпусом заполнено теплопроводящей изоляционной заливочной композицией, стеклопластиковый корпус выполнен из многослойной цилиндрической стеклотекстолитовой трубы, изготовленной намоткой стеклоткани, пропитанной полимерным связующим, на внешней цилиндрической поверхности которой между торцами установленных и закрепленных металлических электродов выполнена, по крайней мере, одна продольная лыска, срезающая сегментальный слой с внешней поверхности многослойной трубы, придавая некоторой части верхних кольцевых слоев стеклотекстолитовой стенки трубы незамкнутую серповидную форму, при этом закрепленные на цилиндрических концах стеклотекстолитовой трубы металлические электроды имеют дополнительное скрепление с нею, по крайней мере, двумя диаметрально противоположно установленными полыми заклепками, сквозные полости которых заполнены твердым полимерным герметиком. Лыска может иметь форму плоской ленточной поверхности, параллельной оси симметрии и образующим многослойной стеклотекстолитовой трубы, и может иметь форму цилиндрической
поверхности, образующие которой перпендикулярны образующим цилиндрической поверхности стеклотекстолитовой трубы;
стеклотекстолитовая труба может иметь несколько коротких лысок, длина каждой из которых менее половины расстояния между торцами металлических электродов, причем короткие лыски расположены друг за другом с промежутками между ними вдоль образующей стеклотекстолитовой трубы. Толщина стеклотекстолитовой стенки под лыской составляет не менее половины толщины стенки в цилиндрической части стеклотекстолитовой трубы.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели устройства для защиты от перенапряжений, состоит в следующем:
- При возгорании дуги в экстремальных условиях и катастрофическом нарастании давления дугового газа внутри многослойной стеклотекстолитовой трубы корпуса устройства осевая прочность ее в районе нахождения продольной лыски практически почти не отличается от прочности трубы в зонах цельнокольцевого поперечного сечения стенки, тогда как тангенциальная прочность трубы в районе наличия лыски снижается прямо пропорционально уменьшению толщины стеклотекстолитовой стенки под лыской. Таким образом, разрыв стеклотекстолитовой трубы от внутреннего давления дугового газа обязательно будет происходить от тангенциальных напряжений в зоне нахождения лыски с образованием продольной трещины разрыва, через которую происходит спонтанно организованный выброс дугового газа. При этом обеспечивается взрывобезопасность устройства, так как вспоротая вдоль образующей многослойная стеклотекстолитовая стенка сохраняет продольную прочность трубы практически неизменной, а также высокую жесткость и упругость ее в продольном, в поперечном и в кольцевом, т.е. тангенциальном направлении. Благодаря этому выброс через проран из вспоротой
вдоль образующей трубы разрушенных варисторов практически исключен полностью.
- Наличие дополнительных полых заклепок, предотвращает срыв металлических электродов внутренним давлением дугового газа, особенно когда эти электроды закреплены на концах стеклотекстолитовой многослойной трубы с помощью резьбового или клеевого соединения. Под действием высокой температуры и высокого давления дугового газа полимерный герметик в полостях дополнительных заклепок газифицируется, а образовавшиеся при этом газоотводящие каналы непосредственно под электродами создают дополнительный эффект повышения надежности и взрывобезопасности устройства.
- Наличие продольной ленточной лыски на многослойной стеклотекстолитовой трубе почти не снижает жесткость и прочность последней при поперечном и продольном изгибе, а также при продольном сжатии конструкции по сравнению с исходной стеклотекстолитовой трубой без лыски, особенно когда лыски выполнены короткими, отстоящими друг от друга на некотором расстояний, поскольку тогда стеклотекстолитовая труба при продольном сжатии работает подобно многозвенной опорной колонне, снижая до минимума возможность местной потери устойчивости стеклопластиковой стенки в местах ее локального утонения.
- Существенно повышается технологичность устройства, снижается трудоемкость и стоимость изготовления его стеклопластикового корпуса, снижаются сроки и затраты на технологическую подготовку производства стеклопластиковых корпусов.
- Существенно снижается масса и стоимость используемых материалов.
- Повышается качество, надежность и безопасность функционирования устройства.
- Программируемое направление выброса дугового газа в безопасную зону.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показано устройство для защиты от перенапряжений, на фиг.2 проиллюстрирована структура многослойной стеклотекстолитовой трубы корпуса в поперечном сечении А-А. На фиг.3 приведена структура многослойной стеклотекстолитовой трубы корпуса в диаметральной плоскости ее сечения, перпендикулярной плоскости ленточной лыски, а на фиг.4 - в диаметральной плоскости ее сечения, перпендикулярной образующим цилиндрической лыски. На фиг.5 приведена стеклотекстолитовая корпусная труба с системой отстоящих друг от друга коротких плоских лысок, а на фиг.6 - с системой цилиндрических лысок.
Позиции на чертеже: 1 - стеклотекстолитовый многослойный цилиндрический корпус с плоской ленточной лыской; 2 - лыска; 3 - трекинго-защитное ребристое покрытие; 4 - металлический электрод; 5 - полая сквозная заклепка.
Устройство для защиты от перенапряжений (фиг.1) содержит стекло-пластиковый корпус 1, выполненный из многослойной цилиндрической стеклотекстолитовой трубы, имеющей срезанную вдоль образующей плоскую ленточную лыску 2. Корпус облицован снаружи трекингоза-щитным ребристым покрытием 3 из кремнийорганической резины, а на концах стеклотекстолитовой трубы имеется отформованная или нарезанная резцом резьба в случае резьбового соединения корпуса с металлическими электродами 4. Металлические электроды 4 могут иметь ста-канообразное исполнение и охватывать корпусную стеклотекстолито-вую трубу снаружи или устанавливаться в ее внутреннюю полость по типу пробки.
Соединение электродов с корпусом может быть разъемным резьбовым или штифтовым, а может быть и клеевым. Для повышения надежности и взрывобезопасности соединения электродов 4 с многослойной стеклотекстолитовой трубой корпуса 1 предусмотрена постановка дополнительно, по крайней мере, Двух полых сквозных, развальцовываемых
с обоих концов заклепок 5. Каждая пара заклепок устанавливается диаметрально противоположно друг другу. Сквозные полости заклепок заполнены герметично твердым полимерным адгезивом, например, эпоксидным герметиком.
Образованная путем механической обработки многослойной стекло-текстолитовой трубы лыска 2 срезает сегментально верхний слой трубы (фиг.2), и часть верхних кольцевых слоев многослойной структуры стенки оказывается в поперечном сечении А-А незамкнутыми кольцевыми окружностями, а имеющими серповидную (или С-образную) форму на протяжении всей длины плоской ленточной лыски (фиг.3). Продольный размер плоской ленточной лыски не должен выходить за пределы трекингозащитного ребристого покрытия, а между ее поперечными кромками и торцами металлических электродов должны быть кольцевые цилиндрические участки стеклотекстолитовой трубы, не срезанные лыской.
Для повышения продольной прочности корпусной стеклотекстолитовой трубы и ее жесткости при воздействии эксплутационных изгибающих, сжимающих и растягивающих нагрузок продольную лыску целесообразно выполнять цилиндрической формы (фиг.4), или/и в виде системы отстоящих друг от друга коротких лысок (фиг.5 и фиг.6).
Переход от длинной ленточной лыски к системе разнесенных вдоль стеклотекстолитовой трубы коротких лысок (фиг.5 и фиг.6) позволяет существенно снизить возможность местной потери устойчивости стенки трубы в зоне срезанной лыски, а следовательно, существенно повысить критическую нагрузку продольного сжатия стеклопластикового корпуса.
τ
Срабатывание устройства при грозовых разрядах или коммутационных перенапряжениях имеет следующий вид. При зажигании дуги и резком взмыве температуры и давления дугового газа в корпусе ограничителя перенапряжений в стенке многослойной цилиндрической стеклотекстолитовой трубы возникают тангенциальные напряжения σ=pD/2δ
τ
и продольные σ=pD/4δ. (р - давление дугового газа, D - внутренний диаметр корпусной трубы, δ - толщина стенки корпусной стеклотексто-литовой трубы). Срезанный сегментальный слой трубы практически не превышает 2-3% поперечного сечения трубы в зоне лыски. Таким образом, продольная прочность стеклотекстолитовой корпусной трубы с лыской практически сохраняется неизменной вдоль всей ее длины. Зато тангенциальная прочность трубы в зоне ослабленного лыской поперечного сечения снижается прямо пропорционально утонению стенки корпусной трубы под лыской. Если глубина лыски достигает половины толщины стенки стеклопластиковой трубы, т.е. δ/2, то тангенциальная прочность корпуса, нагруженного внутренним давлением дугового газа, становится равной его продольной прочности. А поскольку тангенциальные напряжения в стенке корпусой трубы, нагруженной внутренним давлением дугового газа δ при этом оказывается вдвое выше ее тангенциальной прочности в зоне лыски, то разрыв стеклотекстолитовой трубы гарантировано произойдет при давлении, когда запас продольной прочности трубы, а также ее соединений с металлическими электродами, будет равен двум. Таким образом, гарантирован продольный разрыв стенки корпуса устройства вдоль образующей стеклотекстолитовой трубы. Причем продольная трещина может развиваться сколом только до торца охватывающего конец трубы металлического электрода, блокирующего деформацию тангенциального раскрытия продольной трещины. Удвоенные запасы продольной прочности трубы и соединений ее с металлическими электродами гарантируют сохранение продольной целостности устройства при взрыве его от внутреннего давления дугового газа.
При загорании электрической дуги в варисторной колонке горячие дуговые газы высокого давления вскрывают сквозные полости в закупоренных герметиком заклепках, и дуговые газы получают возможность уже на ранних этапах газообразования истекать из внутренней полости
устройства, повышая взрывобезопасность узлов соединения металлических электродов с корпусной трубой.
Источники информации:
1. Патент RU №2144712. Устройство для защиты от перенапряжений. Н 01 С 7/12.
2. Патент RU №2097863. Устройство для защиты от перенапряжений. Н 01 С 7/12. Прототип