Спосіб виготовлення захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема, до полімерних ізоляторів, і може бути використаний при виготовленні конструкцій високовольтних апаратів зовнішнього виконання. Відомий спосіб виготовлення полімерної ребристої оболонки ізолятора, що полягає у виготовленні ізолюючого елемента і електроізоляційного склопластикового стрижня, з'єднання їх між собою зв'язуючою речовиною. При цьому зв'язуючу речовину наносять на поверхню електроізоляційного стрижня по всій його довжині, електроізоляційний стрижень розміщують в литтєвій прес-формі, для утворення ізолюючого елемента в прес-форму подають під тиском еластомер і обробляють його при температурі 100-140°С протягом 5-15хв. При цьому як еластомер використовують силіконову гуму адитивної/швидкої вулканізації, яка містить одночасно вініл- і водневміщуючі силоксани, зшиті під впливом платинового каталізатора [1]. Недоліком способу аналога є недостатня експлуатаційна надійність ізоляторів, що отримуються. Як прототип вибраний спосіб виготовлення (формування) полімерної ребристої оболонки ізолятора у вигляді корпусу ізолятора, який полягає в створенні шорсткості і знежиренні зовнішньої поверхні склопластикового стрижня, розміщенні його в нагріту до 125°С литтєву прес-форму, внутрішня поверхня якої визначає ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні оболонки. Потім здійснюють введення суміші високомолекулярного силоксанового каучуку в прес-форму, пов'язану з гідросистемою шприць-апарата, і одностадійно вулканізують суміш при температурі 115-185°С для формування внутрішнього шара. Формують зовнішній шар оболонки методом лакокрасочної технології [2]. Недоліком способу прототипу є відсутність вибору ефективних співвідношень геометричних розмірів її складових елементів, що не дозволяє досягнути підвищення експлуатаційної надійності полімерного ізолятора, зниження енергоємності і трудомісткості і підвищення технологічності його виготовлення, а також підвищення електричної і механічної міцності граничного шара між електроізоляційним стрижнем і ізолюючим елементом. В основу винаходу поставлена задача підвищення експлуатаційної надійності полімерного ізолятора, зниження енергоємності, трудомісткості і підвищення технологічності його виготовлення, а також підвищення електричної і механічної міцності граничного шара між електроізоляційним стрижнем і ізолюючим елементом шляхом удосконалення виготовлення конструкції і встановлення ефективних співвідношень геометричних розмірів складових елементів захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора. Вказана мета досягається тим, що у способі виготовлення захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора, який полягає в створенні шорсткості і знежиренні зовнішньої поверхні склопластикового стрижня, розміщенні його в нагріту литтєву прес-форму, внутрішня поверхня якої визначає ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні оболонки, введенні суміші високомолекулярного силоксанового каучуку в прес-форму і одностадійній вулканізації суміші при температурі, формуванні конусоподібного поглиблення в нижній частині кільцевих ребер, а також внутрішнього і зовнішнього шара оболонки, геометричні розміри внутрішньої поверхні литтєвої прес-форми вибирають з можливістю отримання для сформованого кільцевого ребра ізолятора величин кутів нахилу в межах від 13 до 25°, кутів розхилу вершини в межах від 6 до 7°, кутів нахилу нижньої поверхні до горизонтальної площини в межах від 6 до 18°, радіусів сполучення кільцевого ребра ізолятора з верхньою і нижньою частинами циліндричної оболонки в діапазонах відповідно від 1 до 3мм і від 5 до 6мм, а товщини стінки циліндричної оболонки в межах від 5 до 7мм. Виготовляють литтєву прес-форму з декількома типо-розмірами внутрішньої поверхні. Геометричні розміри внутрішньої поверхні литтєвої прес-форми визначають дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. Значення кута нахилу ребра оболонки полімерного ізолятора знаходять за умови одночасного забезпечення високих значень трекінго-ерозійної стійкості і запасу механічної міцності ребра на роздирання і відрив. Внутрішню поверхню литтєвої прес-форми змащують антиадгезійним мастилом. Перераховані ознаки пристрою складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак винаходу і технічним результатом, що досягається, полягає в наступному. Особливості експлуатації ізоляторів в контактних мережах і лініях електропередачі висувають підвищені вимоги до їх надійності. Виходячи з багаторічного досвіду експлуатації, сьогодні можна затверджувати, що полімерні ізолятори найбільш відповідають цим вимогам. Зараз застосування полімерних ізолюючих конструкцій є якісно новим напрямом в розвитку високовольтного ізоляторобудування. Полімерні конструкції мають високу стійкість до поверхневих електричних розрядів, сонячної радіації, пилу, забруднень, змін температури, ударів, експлуатаційних електричних і механічних впливів. Крім того, полімерні ізолятори володіють високою гідрофобністю і низькою забрудненістю ізоляційних поверхонь, не потребують омивання, чищення, дефектування, профілактичних робіт. Вказані властивості полімерних ізолюючих конструкцій забезпечують їх високу надійність і довговічність, і, отже, зниження витрат при їх монтажі, транспортуванні і експлуатації, а також підвищення надійності електропостачання об'єктів. Новизна заявляємої конструкції при виготовленні ізоляторів полягає у використанні ізоляторів з суцільнолитої захисної оболонки, яка не має стиків між окремими ребрами. Виконання ізолюючого елемента у вигляді суцільнолитої оболонки дозволяє підвищити експлуатаційну надійність полімерного ізолятора, а також підвищити електричну і механічну міцність граничного шара між електроізоляційним стрижнем і ізолюючим елементом, виключити розгерметизацію ізолятора між кільцевими ребрами за рахунок виключення роз'ємів, знизити енергоємність, трудомісткість і підвищити технологічність його виготовлення за рахунок виключення операцій монтажу. У свою чергу, ефективні співвідношення геометричних параметрів ребер і оболонки дозволяють досягнути оптимальних експлуатаційних і технологічних характеристик полімерних ізоляторів. До основних експлуатаційних характеристик полімерних ізоляторів відносять: Eв.p.h - напруженість електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані (кВ/см); Τ - трекінго-ерозійна стійкість. Це час від початку експлуатації до моменту утворення провідної доріжки (трека), до якої ввели вуглець, або ерозії поверхні оболонки на критичну глибину. Трек і ерозія утворюються при одночасному впливі електричного поля і туману, утвореного розпиленням солоної води заданої електропровідності (години). Трекінго-ерозійна стійкість макетів ізолятора визначалася в камері солоного туману по методиці ГОСТ 28856-90. 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 повинні бути такою, щоб забезпечити отримання максимально високих вказаних експлуатаційних і технологічних характеристик. Було встановлено, що вищезгадані геометричні параметри захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора є взаємопов'язаними. Необхідність дотримання вищезгаданих співвідношень зумовлена пружноміцнісними властивостями матеріалу суцільнолитої оболонки (такими, як умовна міцність, відносне подовження і залишкова деформація). Винахід ілюструється графічним матеріалом, де на Фіг.1 показаний загальний вигляд сформованої захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора; на Фіг.2 приведена отримана дослідноекспериментальним і розрахунковим шляхом графічна залежність, що обгрунтовує вибір параметрів способу, а саме показує вплив кута нахилу ребра α на трекінго-ерозійну стійкість Τ і на коефіцієнт запасу міцності на відрив Кр при витяганні ізолятора з литтєвої прес-форми. Захисну ребристу оболонку полімерного ізолятора виконують у вигляді суцільнолитої циліндричної оболонки 1, яка має корпус 2 з кільцевими ребрами 3, що мають конусоподібне поглиблення 4 в нижній частині, наступним чином. Попередньо виготовляють литтєву прес-форму з декількома типо-розмірами внутрішньої поверхні, що визначає (відзеркалює) ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні захисної оболонки, яка формується. До цих типо-розмірів, зокрема, відносяться кути нахилу і розхилу вершини, кути нахилу нижньої поверхні до горизонтальної площини, радіуси сполучення з верхньою і нижньою частинами циліндричної оболонки, а також товщини стінки циліндричної оболонки. Внутрішню поверхню литтєвої прес-форми змащують антиадгезійним мастилом. Зв'язуючу речовину наносять на поверхню електроізоляційного склопластикового стрижня (на Фіг.1 не показаний) по всій його довжині. Далі електроізоляційний стрижень розміщують у литтєвій пресі-формі, внутрішня поверхня якої визначає ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні оболонки. Для утворення ізолюючого елемента (захисної ребристої оболонки) в прес-форму подають під тиском еластомер, і обробляють при певній температурно-часовій залежності і тиску. Як еластомер, як правило, використовують силіконову гуму адитивної/швидкої вулканізації, що містить одночасно вініл- і водневміщуючі силоксани, що зшиваються під впливом платинового каталізатора. Кут нахилу a кільцевого ребра 3 ізолятора вибирають (виконують) в межах від 13 до 25°, кут розхилу b вершини 5 кільцевого ребра вибирають в межах від 6 до 7°, а кут нахилу d m нижньої поверхні кільцевого ребра 3 до горизонтальної площини вибирають в межах від 6 до 18°. Радіуси сполучення (rн і rв) кільцевого ребра ізолятора з верхньою 6 і нижньою 7 частинами циліндричної оболонки 2 ізолятора вибирають в діапазонах відповідно rн = 1¸3мм і rв = 5¸6мм. Товщину стінки Δ циліндричної оболонки 1 вибирають (формують) в межах від 5 до 7мм. Інші позначення, показані на Фіг.1, такі: D - діаметр ребра ізолятора, d - зовнішній діаметр столба оболонки, Нэ - висота ізоляційного елемента, Lэ - довжина шляху витоку елемента (довжина штрихової лінії вздовж ребра і ствола оболонки), Dh - товщина ребра в місці сполучення з циліндричною частиною оболонки. Як було експериментально встановлено, вказані вище параметри ребра циліндричної оболонки ізолятора впливають на її експлуатаційні і технологічні характеристики. Зазначимо, що вихідні ефективні значення кута нахилу ребра α знаходили за умови одночасного забезпечення високих значень трекінго-ерозійної стійкості (Т) і запасу механічної міцності ребра на роздирання і відрив. Залежність Τ = f (a) визначали експериментально. Коефіцієнт запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої прес-форми (Кр = H/Fp, де Η - міцність при розриві, Fp - сила роздирання) визначали розрахунковим шляхом. Потрібно відмітити, що сила відриву ребра від ізолятора і сила роздирання матеріалу гуми в зоні основи ребра 3, що лежить між позиціями 6 і 7, залежать від кута нахилу нижньої поверхні ребра δ, який, в свою чергу, пов'язаний з кутом a. Тому вказані співвідношення необхідно знаходити дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. На Фіг.2 приведена отримана дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом графічна залежність, що показує вплив кута нахилу ребра a на трекінго-ерозійну стійкість Τ і на коефіцієнт запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої форми Кр (Кр = H/Fp, де Η - міцність при розриві, Н/мм, яка для гуми HV 1760/65 складає Η = 4,5 Н/мм; 1 - Т; 2 - Кр). З графіків, показаних на Фіг.2, слідує, що у разі малих кутів нахилу ребер (a < 8°) трекінго-ерозійна стійкість Τ знижується значно нижче за норму (норма - 182 годин). З іншого боку, збільшення кута a призводить до зниження запасу міцності на роздирання. Відомо, що норматив трекінго-ерозійної стійкості згідно ГОСТ 28856-90 становить 182 годин, що, як видно з Фіг.2, відповідає куту нахилу ребра a = 13°. Відношення міцності гуми на роздирання до сили Fp, що дорівнює 1, відповідає куту нахилу ребра a = 25° (див. Фіг.2). Таким чином, були встановлені дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом наступні діапазони зміни кута нахилу кільцевого ребра ізолятора: a min = 13°, amax = 25°. Цим кутам α відповідають кути нахилу нижньої поверхні ребра dmin = 6° і d mах = 18°. Було також встановлено, що для підвищення коефіцієнта запасу міцності ребра від зусиль на роздирання (Fp) і відрив (Fo) місця сполучення ребра 3 з циліндричною частиною оболонки (стволом 2 оболонки 1) необхідно виконувати з такими радіусами: в нижній частині rн » 2мм; у верхній частині rв » 5мм. Практика показала, що збільшення радіусів rн = 2мм і rв = 5мм є недоцільним, оскільки запас міцності при цих значеннях радіусів є цілком достатнім, а подальше збільшення rн і rв призводить до збільшення витрати гуми. Таким чином, були встановлені діапазони зміни радіусів сполучення ребра з верхньою (rн) і нижньою (rв) частинами циліндричної оболонки ізолятора, а саме: rн = 1¸3мм; rв = 5¸6мм. Експериментально було підтверджено, що ці розміри дозволяють виключити деформацію ребер при розкритті прес-форми і уникнути можливого відриву кільцеподібного ребра від корпусу ізолюючого елемента оболонки. При перевищенні верхніх значень цих параметрів можливий відрив ребра від корпусу оболонки, а при значеннях, менших за нижні граничні значення, значно збільшується вартість литтєвої форми і істотно гіршає міцність готової оболонки. Товщину оболонки D вибирали за умови забезпечення вологозахисту слопластикового електроізоляційного стрижня (на Фіг.1 і Фіг.2 не показаний) і ерозійної стійкості оболонки 1. Вибрана товщина склала Dmin = 5мм; Dmах = 7мм. Спосіб виготовлення захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора, що заявляється, пройшов успішні експериментальні випробування при виготовленні ізоляторів, що тестувалися в лабораторіях високих напруг, в т.ч. в ІЕЗ ім. Патона. Зараз готується документація на її промислове використання для формування ізоляторів, що експлуатуються при номінальних напругах від 35 до 110кВ (при напрузі грозового імпульсу, що витримується, згідно з вимогами стандарту, від 220 до 450кВ). Джерела інформації 1. Полімерний ізолятор і спосіб його виготовлення (Полимерный изолятор и способ его изготовления). МПК 7 Η01В17/00. Патент Украины (UA) №52084А, 2002. 2. Изолятор, ограничитель перенапряжений и способ изготовления полимерной оболочки. МПК 7 Η01В17/50, Η01В19/04, Η01С17/12. Патент РФ (RU) №2203514, 2003.