ИЗОЛЯТОР ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ ДУГОГАСИТЕЛЬНОЙ КАМЕРЫ
INSULATOR MADE OF COMPOSITE MATERIAL, DESIGNED TO CONTAIN THE ARC CHUTE

Изобретение касается изолятора из композиционного материала, предназначенного для размещения дугогасительной камеры, содержащего цилиндрическую часть с двумя концами, в которой располагают дугогасительную камеру.
Известны изоляторы из керамического материала, предназначенные для размещения дугогасительной камеры и имеющие бочкообразную форму. Эти изоляторы являются более широкими в центре по причине присутствия дугогасительной камеры. С двух сторон от дугогасительной камеры керамический изолятор содержит часть меньшего сечения, например, в виде усеченного конуса. Это позволяет уменьшить общий объем камеры и, следовательно, количество газа SF6, содержащегося в этой камере.
Известны также дугогасительные камеры, выполненные посредством наматывания нити стекловолокна, пропитанного смолой, на цилиндрической оправке. После наматывания нити смолу, пропитывающую стекловолокно, подвергают полимеризации в печи, после чего изолятор снимают с оправки. В рамках такого способа невозможно выполнить изолятор бочкообразной формы, так как при такой форме его невозможно снять с оправки. Следовательно, внутренний объем камеры изолятора из композиционного материала больше, чем внутренний объем керамической камеры. Как следствие, количество газа SF6 больше в композитной камере, чем в керамической камере. В результате этого композитные камеры оказывают более вредное влияние на окружающую среду, чем керамические камеры.
Задачей настоящего изобретения является реализация изолятора композитного типа бочкообразной формы, имеющего меньшее сечение на каждом из своих концов, чтобы уменьшить объем камеры и, следовательно, количество газа SF6, содержащегося в этой камере.
Известны (FR 2645070) конструктивные элементы из композиционного материала, содержащие крайние крепежные детали из металла. В этом конструктивном элементе крайние детали механически соединены с сердечником из термопластического материала, имеющего соответствующую механическую характеристику для данного применения, при этом на сердечник намотано волокнистое усиление.
Известно также (FR 2642783) устройство для предохранения концов резервуара для жидкости из композиционного материала. Это устройство касается резервуаров, состоящих из внутренней оболочки, наружной оболочки и, по меньшей мере, одного металлического основания, которое содержит цилиндрическую насадку, расположенную по существу вдоль продольной оси резервуара.
Эти устройства не предполагают выполнения изолятора бочкообразной формы для композитной дугогасительной камеры. Согласно изобретению, эта проблема решается за счет того, что изолятор содержит на каждом из своих концов усеченную конусную часть, и за счет того, что внутренняя муфта, первая и вторая камеры и наружная муфта выполнены из композиционного материала посредством спиралевидного наматывания нити стекловолокна, при этом угол (определяемый относительно оси симметрии цилиндра) наматывания нити, образующей наружную муфту, меньше, чем угол наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры, а угол наматывания нити, образующей внутреннюю муфту, больше, чем угол наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры.
Благодаря этому отличительному признаку можно получать разные коэффициенты теплового расширения для внутренней муфты, первой и второй камер и наружной муфты. Если угол спиралевидного наматывания является очень большим, имеется лишь очень малое расширение в окружном направлении. Если же угол наматывания является незначительным, получают большой коэффициент окружного расширения. Выполняя наружную муфту с меньшим углом спиралевидного наматывания, чем угол наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры, обеспечивают коэффициент теплового расширения наружной муфты, превышающий коэффициент теплового расширения первой и второй камер.
Точно также, обеспечивая больший угол наматывания волокна, образующего внутреннюю муфту, чем угол наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры, обеспечивают меньший коэффициент теплового расширения внутренней муфты, чем коэффициент теплового расширения первой и второй камер.
Согласно первому варианту выполнения, изолятор выполнен из первой и второй камер, при этом каждая из этих камер имеет усеченную конусную часть, за которой следует цилиндрическая часть, при этом первую и вторую камеры соединяют друг с другом встык через их цилиндрическую часть.
Предпочтительно усеченной конусной части каждой из первой и второй камер предшествует цилиндрическая часть меньшего диаметра, чем цилиндрическая часть, следующая за усеченной конусной частью.
Благодаря этому признаку объем камеры уменьшается и, следовательно, количество SF6 также. Таким образом, уменьшаем негативное влияние на окружающую среду.
В частном варианте выполнения изолятор содержит внутреннюю муфту и наружную муфту, при этом внутренняя муфта расположена внутри камер, наружная муфта расположена снаружи камер, при этом внутренняя муфта и наружная муфта предпочтительно перекрывают стыковое соединение первой и второй камер, при этом каждая из первой и второй камер содержит внутри опорную поверхность большего диаметра и снаружи опорную поверхность меньшего диаметра, при этом внутреннюю муфту сажают на опорные поверхности большего диаметра первой и второй камер, а наружную муфту сажают на опорные поверхности меньшего диаметра первой и второй камер.
Благодаря этому признаку внутренняя муфта и наружная муфта не образуют выступов. Они полностью заключены в толщину в стенке первой и второй камер, которая, таким образом, имеет внутри и снаружи постоянный диаметр.
Предпочтительно коэффициент теплового окружного расширения материала внутренней муфты меньше коэффициента теплового окружного расширения материала первой и второй камер, и коэффициент теплового расширения материала наружной муфты превышает коэффициент теплового расширения материала первой и второй камер.
Благодаря этому признаку можно выполнить горячую посадку за счет теплового расширения каждой из деталей, образующих изолятор. При температуре окружающей среды наружный диаметр внутренней муфты больше, чем внутренний диаметр первой и второй камер. Точно также наружный диаметр первой и второй камер больше, чем внутренний диаметр наружной муфты. Когда эти детали подвергают тепловому расширению при температуре порядка 125°С, первая и вторая камеры расширяются больше, чем внутренняя муфта. За счет этого внутреннюю муфту можно установить на первую и вторую камеры. Точно также наружная муфта расширяется больше, чем первая и вторая камеры. Таким образом, наружную муфту можно установить на первую и вторую камеры.
Когда комплекс возвращается к температуре окружающей среды, получают посадку внутренней муфты на первой и второй камерах и наружный муфты на первой и второй камерах.
Предпочтительно внутреннюю муфту и наружную муфту соединяют с первой и второй камерами посредством склеивания при помощи эпоксидной смолы. Поскольку муфты соединяют одновременно склеиванием и горячей посадкой, получают исключительно прочное соединение.
Предпочтительно цилиндрическая часть, следующая за усеченной конусной частью первой камеры, значительно длиннее, чем цилиндрическая часть, следующая за усеченной конусной частью второй камеры, так что внутренняя муфта и наружная муфта находятся за пределами центральной зоны изолятора, в которой располагают дугогасительную камеру.
Благодаря этому признаку соединение между первой и второй камерами находится в зоне действия слабого электрического поля.
Согласно варианту выполнения изобретения, изолятор выполняют посредством наматывания стекловолоконной нити, покрытой смолой, на растворимой оправке, которую удаляют после полимеризации смолы в печи.
Этот вариант выполнения исключает любое соединение первой и второй камер. Изолятор выполняют в виде единой детали.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания примеров выполнения, приводимых в качестве иллюстрации, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематичный вид в разрезе изолятора согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения.
Фиг.2 - увеличенный вид зоны соединения первой и второй камер изолятора, показанного на фиг.1.
Фиг.3 - график изменения продольных и окружных коэффициентов в зависимости от угла наматывания.
Фиг.4 - пример цилиндрического композитного изолятора.
Фиг.5 - пример бочкообразного композитного изолятора.
На фиг.1 представлен общий вид изолятора, предназначенного для размещения дугогасительной камеры. Изолятор обозначен общей позицией 2. Он состоит из первой камеры 4 и второй камеры 6. Первая камера 4 содержит часть 8 большого диаметра, усеченную конусную часть 10 и цилиндрическую часть 12 меньшего диаметра. Точно также вторая камера 6 содержит часть 14 большого диаметра, усеченную конусную часть 16 и цилиндрическую часть 18 меньшего диаметра. Первая и вторая камеры 4, 6 выполнены отдельно посредством наматывания стекловолоконной нити на оправке. Оправка представляет собой алюминиевый цилиндр, вращающийся вокруг своей оси. Стекловолокно наматывают на оправке. Стекловолокно проходит через ванну смолы, где оно пропитывается этой смолой. Волокно движется поступательно, что позволяет получить угол спиралевидного наматывания волокна на оправке. Меняя скорость поступательного движения волокна, можно изменять угол наматывания волокна на оправке. Если волокно поступательно движется с высокой скоростью, угол наматывания будет незначительным. Если же скорость перемещения волокна является небольшой, угол наматывания на оправке будет больше.
После завершения намотки оправку, покрытую намотанным стекловолокном, помещают в печь для осуществления полимеризации смолы. После этой операции производят снятие с оправки, то есть разделение оправки и первой или второй камеры. Для облегчения снятия с оправки между оправкой и первым слоем наматываемого стекловолокна располагают лист полиэфирной бумаги. Кроме того, для облегчения снятия поверхность оправки хромируют. С одной стороны тянут за первую или вторую камеру и с другой стороны тянут за оправку, чтобы отделить первую или вторую камеру от оправки.
На фиг.2 в увеличенном виде показана зона соединения первой и второй камер 4, 6. Первую и вторую камеры располагают встык, и их концы входят в контакт. Первая камера содержит внутри опорную поверхность 20 большего диаметра, диаметра, превышающего диаметр цилиндрической части 8, и снаружи - опорную поверхность 22 меньшего диаметра, диаметра, меньшего наружного диаметра цилиндрической части 8. Точно также вторая камера содержит внутри опорную поверхность 24 меньшего диаметра, диаметр которой больше, чем внутренний диаметр цилиндрической части 14, и снаружи - опорную поверхность 26 меньшего диаметра, диаметр которой меньше наружного диаметра цилиндрической части 14. Опорные поверхности 20 и 24 большего диаметра ограничивают пространство, в котором располагают внутреннюю муфту 28. Точно также опорные поверхности 22 и 26 ограничивают пространство, в котором располагают наружную муфту 30. Внутреннюю муфту 28 и наружную муфту 30 приклеивают при помощи эпоксидного клея на конце первой камеры 4 и второй камеры 6. Точно также наружную муфту 30 приклеивают на конце первой камеры 4 и второй камеры 6.
Кроме того, как было указано выше, внутреннюю муфту 28 и наружную муфту 30 соединяют посредством горячей посадки на цилиндрической части 8 первой камеры 4 и цилиндрической части 14 второй камеры 6. Для этого коэффициент теплового расширения внутренней муфты 28 меньше коэффициента теплового расширения первой камеры 4 и второй камеры 6. Коэффициент теплового расширения наружной муфты 30 больше коэффициента теплового расширения первой камеры 4 и второй камеры 6. Этой иерархии коэффициентов теплового расширения можно добиться, как было указано выше и как показано на фиг.3, меняя угол наматывания стекловолокон на оправках внутренней муфты 28, первой и второй камер 4, 6 и наружной муфты 30. На фиг.3 показано изменение коэффициентов продольного и окружного расширения в зависимости от углов наматывания при массовом содержании волокна 65%. Кривая 40 показывает коэффициент окружного расширения (с65), а кривая 42 - коэффициент продольного расширения (L65). При очень большом угле наматывания тепловое расширение в окружном направлении будет незначительным, но если угол наматывания является небольшим, получают высокий коэффициент окружного расширения. Поэтому угол наматывания нити, образующей наружную муфту, меньше угла наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры 4, 6, а угол наматывания нити, образующей внутреннюю муфту 28, больше, чем угол наматывания стекловолокна, образующего первую и вторую камеры 4, 6.
При температуре окружающей среды наружный диаметр внутренней муфты 28 больше, чем диаметр опорных поверхностей 20 и 24 первой камеры 4 и второй камеры 6. Следовательно, внутреннюю муфту 28 невозможно установить на эти опорные поверхности. Точно также при температуре окружающей среды внутренний диаметр наружной муфты 30 меньше, чем диаметр опорных поверхностей 22 и 26 первой камеры 4 и второй камеры 6. Следовательно, наружную муфту 30 невозможно установить на эти опорные поверхности 22 и 26.
Максимальная температура электрического устройства равна 105°С. Поэтому соединение осуществляют таким образом, чтобы получить постоянное стягивающее усилие при рабочей температуре от 100°С до 105°С благодаря самостягиванию деталей. Вместе с тем, следует отметить, что соединение не следует осуществлять при слишком высокой температуре, чтобы не ухудшить свойства материалов.
Возьмем пример камерного изолятора с полезным внутренним диаметром 280 мм при толщине композиционного материала примерно 10 мм. В зоне соединения между камерами толщина композиционного материала уменьшена примерно до 6 мм.
Стягивающее усилие деталей при температуре до 105°С можно получить путем выбора следующих параметров:
- внутренняя муфта 28 имеет наружный диаметр 282,2 мм и коэффициент окружного теплового расширения 15,
- камеры 4 и 6 имеют внутренний диаметр 282 мм, наружный диаметр 288 мм и коэффициент окружного теплового расширения 23,
- наружная муфта 30 имеет внутренний диаметр 287,7 мм и коэффициент окружного теплового расширения 35.
Когда первую камеру 4 и вторую камеру 6 нагревают до температуры, близкой к 70°С, они расширяются таким образом, чтобы концы цилиндрических частей 8 и 14 зашли во внутреннюю муфту 28. При вышеуказанных значениях внутренний диаметр цилиндрических частей составляет 282,32 мм, тогда как наружный диаметр муфты 28 составляет 282,2 мм. Точно также наружную муфту 30 нагревают до температуры около 125°С, чтобы ввести опорные поверхности 22 и 26 внутрь наружной муфты 30. Наружный диаметр цилиндрических частей 8 и 14 составляет при этом 288,33 мм, а внутренний диаметр муфты 30 составляет 288,76 мм. Таким образом, внутренняя муфта 28 и наружная муфта 30 оказываются соединенными с первой и второй камерами 4, 6 посредством горячей посадки.
При 105°С стягивающее усилие по-прежнему присутствует. Внутренний диаметр муфты 28 составляет 282,56 мм, тогда как наружный диаметр цилиндрических частей 8 и 14 составляет 282,55 мм. Точно также при 105°С внутренний диаметр муфты 30 составляет 288,55 мм, тогда как наружный диаметр цилиндрических частей 8 и 14 составляет 288,56 мм.
Как показано на фиг.1, цилиндрическая часть 8 большого диаметра первой камеры 4 намного длиннее, чем цилиндрическая часть 14 большого диаметра камеры 6. Этот признак позволяет избежать расположения дугогасительной камеры, показанной схематично позицией 32, напротив зоны соединения цилиндрической части 8 первой камеры и цилиндрической части 14 второй камеры 6. На каждом конце изолятора 2 возникает мало электрических напряжений. Таким образом, соединение первой камеры 4 и второй камеры 6 находится в зоне со слабыми электрическими напряжениями, что позволяет избежать ухудшения электрической стойкости изоляционного материала.
Описанный выше изолятор имеет бочкообразную форму. Часть 12 меньшего диаметра и часть 18 меньшего диаметра позволяют уменьшить объем камеры и, следовательно, уменьшить объем газа SF6, содержащегося внутри этой камеры, по сравнению с изолятором постоянного сечения. На фиг.1 пунктирной линией 34 схематично показан объем, который имел бы изолятор без уменьшения диаметра. Следовательно, объем, заключенный между цилиндром 34 постоянного сечения и частями 12 и 18 меньших диаметров, а также усеченными конусными частями 10 и 16, представляет собой выигрыш в объеме, позволяющий уменьшить объем газа SF6.
ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ
0
В нижеследующем примере представлен камерный изолятор для выключателя Live Tank на 245 кВ под товарным обозначением Alstom GL314. Контрольный цилиндрический композитный изолятор имеет полезный внутренний диаметр d 280 мм и длину L 2450 мм (см. фиг.4), то есть внутренний объем: =151 л.
Объем эквивалентного бочкообразного композитного изолятора (см. фиг.5) составляет:
++++
+ =119,5 л
2
Таким образом, сэкономленный объем SF6 равен V1-V2=31,5 л, умноженный на давление устройства (как правило, 6,3 бар), что дает общий объем 198 л. Это соответствует 1,20 кг SF6 (195 л/24 л/моль×0,146 кг/моль) или потенциал в 28,8 тонн СО (1,20×23900).
2
В случае выключателя на 245 кВ изобретение позволяет уменьшить потенциальный выброс в атмосферу (при непредвиденной утечке) на 28,8 тонн СО. Эту цифру следует умножить на два для выключателя на 420 кВ, выполненного с двумя дугогасительными камерами.
Согласно второму варианту выполнения изобретения (на фигурах не показан), выполняют изолятор, содержащий, как и в варианте выполнения, описанном со ссылками на фиг.1 и 2, часть большого диаметра, усеченные конусные части, связанные с частью большего диаметра, в которой находится дугогасительная камера 32, и части меньших диаметров, аналогичные частям 12 и 18 из примера выполнения, показанного на фиг.1 и 2. Учитывая, что изолятор выполнен в виде единой детали, его невозможно отделить от оправки. Поэтому оправку выполняют из растворимого материала.
Стекловолокно наматывают на растворимую оправку. Это стекловолокно пропитывают смолой. Таким образом, получают несколько слоев спиралевидной намотки при возвратно-поступательном перемещении изолятора. После этого растворимую оправку, покрытую стекловолокном, помещают в печь для полимеризации смолы. После этой операции растворимую оправку удаляют. Таким образом, получают изолятор, выполненный в виде единой детали и имеющий по существу бочкообразную форму, позволяющую уменьшить объем газа SF6, как и в первом варианте выполнения, описанном со ссылками на фиг.1 и 2.