Еластомерна оболонка полімерного ізолятора

1. Еластомерна оболонка полімерного ізолятора, що складається з суцільнолитого циліндричного корпусу з кільцевими ребрами, які мають конусоподібне поглиблення в нижній частині, яка відрізняє тьс я тим , що оболонка виконана з вулканізованої рідкої двокомпонентної силіконової гуми на основі компоненті в А і В при їх співві дно шенні 1:1 (мас.ч.) і місти ть акти вні наповнювачі в кількості 20-30 мас. ч. на 100 мас. ч. рідкої силіконової гуми , причом у як компонент А рідка силіконова гума містить полідіорганосилоксан з кінцевими вініловими гр упами, як компонент В рідка силіконова гума місти ть співполімер диметилсилоксанів з метилгідроси локсаном, а як активні наповнювачі рідка силіконова гума містить пірогенетичний або осаджений аеросил, з одного або дво х к інців корп усу обо лонка виконан а з роз тр убом дугопо ді бно ї форми , розташованим симетрично відносно поздовжньої осі корпусу оболонки і опуклістю назо вні ві дно сно не ї, на торці о болонки викон аний о твір , ді аметр якого (Dpторц ) перевищує внутрішній діаметр корпусу оболонки (Dк вн), товщина стінки розтруба (hpст) складає не менше товщини стінки корпусу оболонки (hк ст), a стінка розтруба, у за га льном у випа дк у, виконана змінн ої п о до вжині р оз тр уба то вщини , при цьому місце спо лучення з овні шні х по вер хонь розтр уба і корп усу обо лонки виконано спряже2. Еластомерна оболонка за п. 1, яка відрізняєтьним. ся тим, що як компонент А рідка силіконова гума містить полідіорганосилоксан з кінцевими вініло 2 3 84820 Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема, до полімерних ізоляторів, і може бути використаний при виготовленні конструкцій високовольтних апаратів зовнішнього виконання. Відомий ізолюючий елемент полімерного ізолятора, який містить електроізоляційний склопластиковий стержень, з'єднаний з полімерною оболонкою за допомогою зв'язуючої речовини, а також металеві наконечники. При цьому шуканий ізолюючий елемент виконаний у вигляді суцільнолитої оболонки, а саме у вигляді корпусу і кільцевих ребер, що мають конусоподібне поглиблення в нижній частині. Кут нахилу утворюючої конусоподібного поглиблення до площини його основи a, в градусах, і радіус закруглення в місці примикання поверхні поглиблення до корпусу ізолюючого елемента R, в міліметрах, вибраний з наступного співвідношення: a/R =2,5 - 4,0. При цьому ізолюючий елемент виготовлений з силіконової гуми швидкої/адитивної вулканізації [1]. Недоліком відомої конструкції ізолюючого елемента, виконаного у вигляді суцільнолитої полімерної оболонки, є відсутність ефективних співвідношень геометричних розмірів її складових елементів, що не дозволяє досягнути високої надійності роботи ізолятора в жорстких умовах експлуатації. Як прототип вибрана суцільнолита полімерна оболонка, що входить до складу полімерного ізолятора, з кільцевими ребрами, які мають конусоподібне поглиблення в нижній частині [2]. Недоліком пристрою прототипу є відсутність ефективних співвідношень геометричних розмірів її складових елементів, що не дозволяє досягнути підвищення експлуатаційної надійності полімерного ізолятора, зниження енергоємності, трудомісткості і підвищення технологічності його виготовлення, а також підвищення електричної і механічної міцності прикордонного шару між електроізоляційним стержнем і ізолюючим елементом. В основу винаходу поставлена задача підвищення експлуатаційної надійності оболонки і полімерного ізолятора на її основі шляхом удосконалення конструкції і встановлення ефективних співвідношень складу матеріалу оболонки, а також геометричних розмірів її конструктивних елементів. Вказана задача досягається тим, що в еластомерній оболонці полімерного ізолятора, що складається з суцільнолитого циліндричного корпусу з кільцевими ребрами, які мають конусоподібне поглиблення в нижній частині, новим є те, що, оболонка виконана з вулканізованої рідкої двокомпонентної силіконової гуми на основі компонентів А і В при їх співвідношенні 1:1 (мас. ч.), що містить активні наповнювачі, з одного або двох кінців корпусу оболонка виконана з розтрубом дугоподібної форми, розташованим симетрично щодо поздовжньої осі корпусу оболонки і опуклістю назовні щодо неї, на торці оболонки виконаний отвір, діаметр якого (DРТОРЦ) перевищує внутрішній діаметр кор 4 пусу оболонки (DKBH), товщина стінки розтруба (hРСТ) складає не менше товщини стінки корпусу оболонки (hKCT), а стінка розтруба, у загальному випадку, виконана змінної по довжині розтруба товщини, при цьому місце сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки виконано плавним. Оболонка виконана з вулканізованої рідкої двокомпонентної силіконової гуми, що містить активні наповнювачі в кількості 20-30 мас.ч. на 100 мас.ч. рідкої силіконової гуми. Як активні наповнювачі рідка силіконова гума містить пірогенетичний або осаджений аеросил. Оболонка виконана з вулканізованої рідкої двокомпонентної силіконової гуми з молекулярною масою після вулканізації 12000-17000. Як компонент А рідка силіконова гума містить полідіорганосилоксан з кінцевими вініловими групами такої структурної формули а як компонент В рідка силіконова гума містить сополімер діметілсилоксанів з метілгідросилоксаном такої структурної формули З одного або двох кінців корпусу оболонка виконана з розтрубом у формі гофри. Оболонка виконана з розтрубом, товщина стінки (hРCT) якого дорівнює товщині стінки (hKCT) корпусу оболонки. Оболонка виконана з розтрубом, товщина стінки (hРCT) якого збільшується по напряму від місця сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки до торця оболонки. Висота розтруба оболонки (НР) вибирається у залежності від товщині стінки (hKCT) корпусу оболонки із наступного співвідношення HP = (2,8 - 5) × h K CT , де Н Р - висота розтруба оболонки, м, hKCT - товщина стінки корпусу оболонки, м. Оболонка виконана з суміжними ребрами однакового діаметру. Оболонка виконана з суміжними ребрами різного діаметру, які чередуються між собою. Перераховані ознаки пристрою складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак винаходу і те хнічним результатом, що досягається, полягає в наступному. До технологічних характеристик полімерних 5 84820 ізоляторів відносять: стійкість (здатність) до витягання оболонки (ребер) з литтєвої прес-форми без відриву ребер і роздирання гуми в місці сполучення ребра і ствола оболонки. При цьому сукупність параметрів ребра і оболонки повинна бути такою, щоб забезпечити отримання максимально високих вказаних експлуатаційних і те хнологічних характеристик. Було встановлено, що ви щезгадані геометричні параметри еластомерної оболонки полімерного ізолятора (її корпусу і розширеного розтрубу) є взаємопов'язаними. Необхідність дотримання вищезгаданих співвідношень зумовлена пружноміцнісними властивостями матеріалу суцільнолитої оболонки (такими, як умовна міцність, відносне подовження і залишкова деформація). Так як оболонка у складі полімерного ізолятора використовується спільно з електроізоляційним склопластиковим стержнем, що розміщується всередині оболонки, і з металевими наконечниками, закріпленими на кінцях цього стержня (на Фіг.1-3 не показано), то необхідно враховувати, зокрема, прикордонні ефекти у місцях сполучення оболонки і наконечників, так як форма розтруба (форма виконання його внутрішньої і зовнішньої поверхні) на кінцях корпусу оболонки напряму залежить від геометричних параметрів наконечників (зокрема, форми виконання його зовнішньої поверхні). Для оптимізації геометричних параметрів розтруба на кінці (кінцях) оболонки були проведені як натурні експерименти, так і чисельні дослідження щодо розподілення електричного поля наконечника без диску з закругленою бічною поверхню (Фіг.4), наконечника з розтрубом у вигляді диску з закругленою бічною поверхню (Фіг.7) і наконечника з розтрубом, покритим шаром гуми (Фіг.10), а також розподілу напруженості електричного поля 6 уздовж горизонтальної лінії, перетинаючої вищезазначені варіанти виконання наконечників з циліндричним розтрубом (див. Фіг.6, 9, 12). Ескізи варіантів досліджуваних наконечників показані на Фіг.5, 8, 11. На Фіг.5, 8 і 11 і на Фіг.6, 9 і 12 показані точки 1, 2, 3 і 4, за допомогою яких установлюють відповідність обчислених значень напруженості електричного поля в точках 1, 2, 3 і 4 і розташування цих точок в просторі наконечника і поблизу нього. Аналізуючи приведені на Фіг.4-12 дані, можна зробити наступні висновки. 1. Здійснення об'ємного потовщення наконечника й закруглення його країв знижує напруженість електричного поля на краях наконечника. Дійсно, порівняння напруженості електричного поля наконечників без потовщення (у формі диска із закругленою зовнішньою бічною поверхнею) (Фіг.4-6) і "поліпшеного" наконечника за заявляємим технічним рішенням (Фіг.7-9) показує для останнього зниження напруженості на краях в 1,6 рази (40:25 = 1,6). 2. Покриття "поліпшеного" наконечника з об'ємним потовщенням шаром діелектрика (силіконової гуми) (Фіг.10-12) додатково знижує напруженість електричного поля на краях потовщення наконечника у 2,7 рази відносно напруженості електричного поля на краях потовщення без диску із закругленою зовнішньою бічною поверхнею. 3. Поліпшення геометрії наконечника шляхом об'ємного потовщення і покриття його шаром діелектрика (силіконової гуми) приводить до зниження рівня радіоперешкод більше ніж на порядок (див. таблицю 1) в результаті зниження напруженості електричного поля на краях потовщення наконечника у 2,7 разів. Таблиця Залежність рівня радіоперешкод від форми виконання металевих наконечників Тип наконечника Наконечник, показаний на Фіг.5 Наконечник, показаний на Фіг.8 Наконечник, показаний на Фіг.11 4. Покриття об'ємного потовщення наконечника шаром гуми подовжує шлях проникнення вологи до склопластикового стержня на межі розподілу «гума - метал», в результаті чого підвищується стійкість оболонки, а отже і ізолятора на її основі під час випробувань на проникнення вологи за ГОСТ 28856 [3]. Що стосується вибору матеріалу, з якого виготовляється еластомерна оболонка за заявляємим технічним рішенням, то слід зазначити наступне. До технологічних характеристик полімерних ізоляторів відносять: стійкість (здатність) до витягання оболонки (ребер) з литтєвої форми без відриву ребер і роздирання гуми в місці сполучення ребра і ствола оболонки. При цьому сукупність параметрів ребра і оболонки, а також матеріал, з якого вона виготовлена, повинна бути такою, щоб Рівень радіоперешкод, мкВ При 30кВ при 100кВ 5 104 0 5 0 2 забезпечити отримання максимально високих вказаних експлуатаційних і технологічних характеристик. Було встановлено, що ви щезгадані геометричні параметри еластомерної оболонки полімерного ізолятора є взаємопов'язаними. Необхідність дотримання вищезгаданих співвідношень зумовлена пружно-міцнісними властивостями матеріалу суцільнолитої оболонки (такими, як умовна міцність, відносне подовження і залишкова деформація). У виробництві полімерних ізоляторів широко застосовуються силоксанові гуми, наприклад, гума HV1760/65 фірми "DOW Corning" (CШA) [5]. У країнах СНД також виробляються подібні силоксанові гуми. Нами було встановлено, що в якості еласто 7 84820 8 мера ефективно також використовувати двокомпонентну рідку силіконову гуму (РСГ). Адже її використання дозволяє як зменшити масу, так і розміри ребер, а також підвищити термін експлуатації виробу внаслідок можливості його експлуатації в екстремальних умовах навколишнього середовища, наприклад, при холодних і сніжних зимах. Так, наприклад, при виконанні ребер з РСГ заявляємого складу, з них скидається снігове навантаження і налідь, а також практично відсутнє. Крім того, птахи не можуть сідати на ці ізолятори, що опосередковано сприяє поліпшенню навколишньої екологічної ситуації. Розроблений еластомер отриманий на основі двокомпонентної РСГ з молекулярною масою після вулканізації 12000-17000. Було встановлено, що при відхиленні від вказаного діапазону молекулярної маси вихідного РСГ спостерігається погіршення технологічних властивостей (зменшення швидкості вулканізації і збільшення часу формування) як РСГ у процесі її вулканізації за одностадійною технологією, так і кінцевого продукту (полімерної оболонки ізолятора) на її основі. Вініл- і водородфункціональні силоксани отримують вулканізацією під дією платинового каталізатора за наступною схемою: Реакція протікає при кімнатної температурі, але швидко прискорюється при зростанні температури. Заявляєма РСГ після змішування при зберіганні при кімнатній температурі має мінімальний термін використовування (життєздатність) 3 доби. Наповнювач, сповільнювачі, пігменти, стабілізатори кількісно розподіляються по компонентах А і В на розгляд споживача. Компонент В забезпечує зшивання молекул і перехід з рідкого стану у високоеластичний. Платиновий каталізатор прискорює процес вулканізації і покращує показник горючості. Введення сповільнювачів подовжує термін життя компаунда перед заливкою з введеним в суміш компонентом В. Співвідношення "платина - сповільнювач" вибирають таким чином, щоб термін життя компаунда після змішення при кімнатної температурі складав декілька днів. Наповнювач аеросил (SiO2) має питому поверхню 100-380м 2/г. Обробка поверхні аеросила гексаметілдісилазаном забезпечує компроміс між текучістю рідкої гуми і механічними властивостями, полегшує рівномірне перемішування аеросилу при введенні в рідкий каучук. Введення аеросилу у дозах, більш ніж 30 мас. ч. відносно РСГ, різко знижує текучість. Аеросили всіх марок, що випускаються в світі, у тому числі марок A-175 і А-300, що випускаються в Україні, є активними або високоактивними наповнювачами, і використовуються для поліпшення пружно-еластичних і спеціальних властивостей вулканізатів (таких, як теплостійкість, вогнестійкість та інш.) на основі різних видів каучуків (див., наприклад, [5]). Кількість аеросилу в РСГ визначається необхідними властивостями вулканізатів. Звичайно в силоксанових гумах аеросил застосовується в кі лькості 30-60 мас. ч. на 100 мас. ч. каучук у. Так, в кабельних гумах К-69, К-69У, K-1520, К-1520У та інш., що вип ускаються в Україні і Росії, застосовується аеросил марки А-175 в кількості 45-60 мас. ч. на 100 мас. ч. каучуку. Однією з основних вимог, що висуваються до силоксанових гум, призначених для формування полімерних ізоляторів, є показник займистості при винесенні їх з полум'я. Так, вміст аеросилу А-175 в кількості 45-60 мас. ч. не дає можливості горіти гумі марки K-1520, але вона "тліє" при винесенні з полум'я або слабо горить до повного згоряння зразка. Таким чином, активні наповнювачі вводяться для отримання необхідних властивостей гум та їх вулканізатів, а неактивні наповнювачі вводяться тільки для поліпшення спеціальних властивостей і/або зниження ціни РСГ. При цьому необхідно зазначити, що введення великих кількостей неактивних наповнювачів знижує пружно-еластичні та інші властивості вулканізатів. Згідно з винаходом (корисною моделлю), в якості неінертних (тобто активних) наповнювачів силіконової гуми використовували пірогенетичний або осаджений аеросил. При цьому величина наповнення гуми вказаними наповнювачами була відносно високою, а саме 20-30 мас. ч. активного наповнювача на 100 мас. ч. РСГ. Було встановлено, що із збільшенням вмісту наповнення збільшується щільність гумової суміші, знижується її пластичність, умовна міцність, відносне подовження, а також збільшується твердість. У той же час зміна вмісту наповнювачів у вказаних вище межах не приводить до істотної зміни властивостей РСГ. Було встановлено, що введення активних наповнювачів у вказаному вище співвідношенні прискорює процес вулканізації гуми при вказаних параметрах процесу (тиску, температурі). У той же час незначне відхилення від цьо 9 84820 го діапазону наповнення в ту або іншу сторону призводить до зниження швидкості вулканізації і до збільшення часу формування приблизно в 1,31,5 рази. В якості вулканізуючого агента застосовували каталізатор, що містить платину, наприклад, солі платинової кислоти або комплексні з'єднання, що містять платину. Наприклад, сіль гексахлороплатинової кислоти, Ме[Рt(Сl)6], де Me - двовалентний метал (Ba, Ca), наприклад, гексохлороплатинат барію, в кількості 0,5-2 мас.ч. на 100 мас.ч. каучуку. Після вулканізації заявляєма еластомерна оболонка ізолятора має такі електричні та механічні властивості: твердість по Шору (А) - від 30 до 60 умови, одиниць, межа міцності щодо розтягання - від 5 до 7МПа, відносне подовження при розриві - від 200 до 500%, опір при розриві - від 16 до 28кН/м, електрична міцність - від 23 до 27кВ/мм, діелектрична проникність - від 2,7 до 3, питомий об'ємний опір - 1,8×1015Ом×см, тангенс кута діелектричних втрат - від 3×10-3 до 6×10-4, трекінго-ерозійна стійкість - 4,5кВ, клас займистості - FV(ПB)0, тобто досягається (у порівнянні з аналогом і прототипом) підвищення експлуатаційної надійності, електричної і механічної міцності полімерної оболонки ізолятора з одночасним підвищенням технологічності її виготовлення і зниженням маси внаслідок застосування РСГ. Отримані результати лягли в основу розробленої конструкції і складу компонентів еластомерної оболонки полімерного ізолятора. Винахід ілюструється графічним матеріалом, де: на Фіг.1 показаний загальний вигляд ізолятора на основі суцільнолитої еластомерної полімерної оболонки із суміжними ребрами однакового діаметра; на Фіг.2 показаний загальний вигляд ізолятора на основі суцільнолитої еластомерної полімерної оболонки із суміжними ребрами різного діаметра, що чередуються між собою; на Фіг.3 фрагмент розтруба корпуса оболонки, показаного на Фіг.1, із умовними позначеннями геометричних розмірів розтруба і циліндричного корпуса оболонки; на Фіг.4 показане електричне поле наконечника без диску з закругленою бічною поверхню для полімерного ізолятора на напругу 27,5кВ і руйнівну механічну силу 120кН; на Фіг.5 - ескіз наконечника без диску із закругленою бічною поверхнею; на Фіг.6 - розподіл напруженості електричного поля уздовж горизонтальної лінії, перетинаючої наконечник без диску з закругленою бічною поверхнею, що показаний на Фіг.5; на Фіг.7 - електричне поле наконечника з об'ємним розширенням у вигляді диска з закругленою бічною поверхнею; на Фіг.8 ескіз наконечника з об'ємним розширенням у вигляді диска з закругленою бічною поверхнею; на Фіг.9 - розподіл напруженості електричного поля уздовж горизонтальної лінії, перетинаючої наконечник з об'ємним розширенням у вигляді диска з 10 закругленою бічною поверхнею, що показаний на Фіг.8; на Фіг.10 - електричне поле наконечника з об'ємним розширенням у вигляді диска з закругленою бічною поверхнею, покритим шаром діелектрика (силіконова гума); на Фіг.11 - ескіз наконечника з об'ємним розширенням у вигляді диска з закругленою бічною поверхнею, покритим шаром діелектрика (силіконова гума); на Фіг.12 - розподіл напруженості електричного поля уздовж горизонтальної лінії, перетинаючої наконечник з об'ємним розширенням, покритим шаром діелектрика (силіконова гума), що показаний на Фіг.11; на Фіг.13-14 показані фотографії варіантів виконання еластомерної оболонки полімерного ізолятора. На Фіг.3 прийняті наступні позначення: НР - висота розтруба; DРТОРЦ - діаметр торцевого отвору розтруба; DРMAX - максимальний діаметр розтруба; DKH - зовнішній діаметр корпусу оболонки; DKBH внутрішній діаметр корпусу оболонки; hPCT - товщина стінки розтруба, hPCT = var; hKCT - товщина стінки корпусу оболонки; RЗ - радіус закруглення в місці сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки. Полімерна оболонка ізолятора 1 виконана з вулканізованої рідкої двокомпонентної силіконової гуми з молекулярною масою після вулканізації 12000 - 17000 на основі компонентів А і В при їх співвідношенні 1:1 (мас. ч.), що містить активні наповнювачі. Як компонент А рідка силіконова гума містить полідіорганосилоксан з кінцевими вініловими групами такої структурної формули а як компонент В рідка силіконова гума містить сополімер діметілсилоксанів з метілгідросилоксаном такої структурної формули Як активні наповнювачі рідка силіконова гума містить пірогенетичний або осаджений аеросил. в кількості 20-30 мас.ч. на 100 мас.ч. рідкої силіконової гуми. Оболонка має форму суцільнолитого циліндричного корпусу 2 з кільцевими ребрами 3, що мають конусоподібне поглиблення 4 в нижній частині. З одного або двох кінців оболонка виконана з розтрубом дугоподібної форми, розташованим симетрично щодо поздовжньої осі корпусу оболонки. На торці розтруба виконане отвір, діаметр якого (DРТОРЦ) перевищує вн утрішній діаметр корпусу оболонки (DKBH). Товщина стінки розтруба (hРCT) складає не менше товщини стінки корпусу оболонки (hKCT), при 11 84820 чому стінка розтруба, в загальному випадку, виконана змінною по довжині розтруба товщини, а місце сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки виконано плавним. Як варіанти виконання конструкції еластомерної оболонки полімерного ізолятора можна навести такі: оболонка виконана з суміжними ребрами однакового діаметру (Фіг.1); оболонка виконана з суміжними ребрами різного діаметру, які чередуються між собою (Фіг.2); оболонка виконана з розтрубом, товщина стінки (hРCT) якого дорівнює товщині стінки (hKCT) корпусу оболонки; з одного або двох кінців корпусу оболонка виконана з розтрубом у формі гофри; оболонка виконана з розтрубом, товщина стінки (hРCT) якого збільшується у напрямі від місця сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки до торця оболонки, при цьому місце сполучення зовнішніх поверхонь розтруба і корпусу оболонки виконано із закругленням радіусу (RЗ). Висота розтруба оболонки (НР) вибирається у залежності від товщині стінки (hKCT) корпусу оболонки із наступного співвідношення HP = (2,8 - 5) × h K CT , де Н Р - висота розтруба оболонки, м, hKCT - товщина стінки корпусу оболонки, м. Еластомерна оболонка полімерного ізолятора, 12 що заявляється, пройшла успішні експериментальні випробування при використанні сформованих оболонок в комплекті з ізолятором у випробувальному центрі НДІ високих напруг (м. Слов'янськ Донецької області). Зараз підготовлена документація на промислове виготовлення еластомерної оболонки полімерного ізолятора і на використання ізолятора на її основі при номінальних напругах 3,3кВ постійного струму, 27,5кВ, 35кВ, 110кВ, 150кВ, 220кВ і 330кВ на руйнівну механічну силу 70кН, 120кН і 160кН. Джерела інформації: 1. Полімерний ізолятор та спосіб його виготовлення. МПК 7 Н01В 17/00. Патент України (UA) №52084, 2002. 2. Изолятор, ограничитель перенапряжений и способ изготовления полимерной оболочки. МПК 7 Н01В 17/50, Н01В 19/04, Н01С 17/12. Патент РФ (RU) №2203514, 2003. 3. ГОСТ 28856-90. Изоляторы линейные подвесные стержневые полимерные. Общие технические условия. - M., 1990. 4. Insulator news and market report. Volume 8, Number 1, January-February 2000, USA, p.p. 64-66. 5.Справочник резинщика. - M.: Химия, 1971. С. 427-440. 13 84820 14 15 84820 16 17 84820 18 19 84820 20 21 84820 22 23 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 84820 Підписне 24 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601