Суцільнолита полімерна оболонка ізолятора

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, сполучений з полімерним ізолятором за допомогою зв'язуючої речовини, а також металеві наконечники. При цьому шуканйй-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 а, 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 з кільцевими ребрами, що входить до складу полімерного ізолятора [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 шара між електроізоляційним стержнем 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 прикордонного шара між електроізоляційним стержнем і ізолюючим елементом шляхом удосконалення конструкції і встановлення ефективних співвідношень геометричних розмірів складових елементів суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора. Вказана мета досягається тим, що в суцільнолитій полімерній оболонці ізолятора, виконаній у вигляді циліндричного корпусу з кільцевими ребрами, що мають конусоподібне поглиблення в нижній частині, діаметр ребра циліндричної оболонки ізолятора лежить в межах від 80 до 160 мм, крок між суміжними ребрами лежить в межах від 20 до 60 мм, ширина кільцевого ребра у його основи лежить в межах від 5 до 21 мм, а відношення довжини шляху витоку елемента до кроку між суміжними ребрами лежить в межах від 2,35 до 3,5. 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 прикордонного шара між електроізоляційним стержнем 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: Еврh — напруженість електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані (кВ/см); Т — 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 прес-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 суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора; на фіг.2 приведені експериментальні графіки залежності напруженості електричного поля EBph, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, від співвідношення діаметрів ребра оболонки D і стовбура ізолятора d, тобто D/d, при різних діаметрах стовбура ізолятора d; на фіг.3 схематично зображений елемент кільцевого ребра суцільнолитої полімерної оболонки; на фіг.4 приведена графічна залежність, що показує вплив кута нахилу ребра а на трекінго-ерозійну стійкість Т і на коефіцієнт запасу міцності на відрив Кр при витяганні ізолятора з литтєвої форми. Суцільнолита полімерна оболонка ізолятора виконана у вигляді суцільнолитої конструкції 1, що має циліндричний корпус 2 з кільцевими ребрами 3, що мають конусоподібне поглиблення 4 в нижній частині. Діаметр ребра циліндричної оболонки D ізолятора лежить в межах від 80 до 160мм, крок між суміжними ребрами Нэ (або Не) лежить в межах від 20 до 60мм, величина ширини кільцевого ребра 3 у його основи Dh лежить в межах від 5 до 21мм, а відношення довжини шляху витоку елемента (Lэ) до кроку між суміжними ребрами Не, тобто відношення В = Lэ/He лежить в межах від 2,35 до 3,5. Кут нахилу а кільцевого ребра 3 ізолятора лежить в межах від 13 до 25°, кут розхилу (З вершини 5 кільцевого ребра ізолятора лежить в межах від 6 до 7°, а кут нахилу b, нижньої поверхні кільцевого ребра 3 до горизонтальної площини лежить в межах від 6 до 18° (див. фіг.1). Радіуси сполучення (rн і rв) кільцевого ребра ізолятора з верхньою 6 і нижньою 7 частинами циліндричної оболонки 2 ізолятора знаходяться в діапазонах відповідно rн = 1 ¸ 3мм і rв = 5 ¸ 6мм. Товщина стінки D циліндричної оболонки 1 лежить в межах від 5 до 7мм (див. фіг.1). Виготовляють полімерний ізолятор на базі захисної ребристої оболонки таким чином. Зв'язуючу речовину наносять на поверхню електроізоляційного склопластикового стержня (на фіг.1-4 не показаний) по всій його довжині, далі електроізоляційний стержень розміщують в литтєвій пресі-формі, внутрішня поверхня якої визначає ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні оболонки. Для утворення ізолюючого елемента в прес-форму подають під тиском еластомер, і обробляють його при певній температурно-часовій залежності і тиску. Як еластомер, як правило, використовують силіконову гуму адитивної вулканізації, що містить одночасно вініл- і водневміщуючі силоксани, що зшиваються під впливом платинового каталізатора. Як було встановлено, вказані вище геометричні параметри ребра циліндричної оболонки ізолятора впливають на її експлуатаційні і технологічні характеристики. Зазначимо, що ефективні значення кута нахилу ребра а знаходили за умови одночасного забезпечення високих значень трекінго-ерозійної стійкості (Т) і запасу механічної міцності ребра на роздирання і відрив. Залежність Т = f (a) визначали експериментально. Коефіцієнт Кр запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої прес-форми (Кр = H/Fp, де Н — міцність при розриві, Fp — сила роздирання) визначали розрахунковим шляхом. Експериментальним шляхом визначалося також ефективне (оптимальне) значення співвідношення між довжиною шляху витоку ребра (L3) і міжреберною відстанню, або висотою ізоляційного елемента (Не). На фіг. 2 приведені експериментальні графіки залежності напруженості електричного поля EBph, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, від співвідношення D/d при різних діаметрах ствола ізолятора: d =12мм (1); d = 20мм (2) id — 36мм (3). Випробування проводилися при забрудненні ізоляторів каоліном з питомою поверхневою провідністю 5мкСм. З графіків на фіг.2 слідує, що ефективний (оптимальний) діаметр ребра D лежить в діапазоні 80460мм. Максимум напруженості електричного поля EB.ph, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, в діапазоні D = 80 ¸ 160мм пояснюється тим, що при D 160мм через зниження необхідної кількості ребер меншає кількість підсушених струмами витоку зон в міжреберному просторі, що призводить до збільшення поверхневої провідності ізолятора і зниження напруження перекриття (поверхневого пробою). Виходячи з цього, було встановлено, що ефективний діаметр ребра D циліндричної оболонки ізолятора лежить в межах від 80 до 160мм. Визначення оптимального співвідношення довжини шляху витоку ребра L, до міжреберної відстані Не, тобто відношення В = Lэ/He, проводилося на основі вимірювань напруженості електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані EBph = f (В) при змінній напрузі f = 50 Гц і при забрудненні солоним туманом і каоліном. Ефективний діапазон відношення В = Lэ/He визначали на основі даних, приведених у табл.1, де 1мкСм (мікросіменс) = 1См*10-6 — питома поверхнева провідність забрудненого і зволоженого ізолятора. Таблиця 1 Ев.рh, кВ/см Відношення В = L э/Hэ 1 забруднення У солоному тумані з питомою 1,08 поверхневою провідністю 0,5мкСм Каолін з питомою поверхневою 1,19 провідністю 4мкСм Каолін з питомою поверхневою 0,9 провідністю 17мкСм 1,67 2 2,35 2,5 3 335 3,5 4,0 1,69 1,96 2,81 2,3 2,81 2,70 2,61 2,20 1,4 1,57 2,73 2,74 2,73 2,70 2,63 2,06 1,21 1,35 2,25 2,28 2,25 2,09 2,08 1,84 З таблиці 1 слідує, що шукане ефективне співвідношення В = Lэ/He лежить в межах від 2,35 до 3,5. Відхилення від цього діапазону призводить до погіршення експлуатаційних і технологічних характеристик оболонок ізоляторів. Товщина ребра оболонки Dh у його основи, тобто в місці сполучення з циліндричною частиною оболонки, визначалася виходячи з наступних міркувань. При витяганні ізолятора з литтєвої форми ребро не повинне відриватися від стовбура оболонки і не повинно бути роздирання гуми в точці контакту А основи ребра з циліндричним корпусом оболонки (див. фіг.3), тобто в місці сполучення кільцевого ребра ізолятора з нижньою частиною циліндричної оболонки. Стійкість силіконового ребра до відриву і роздирання визначалася дослідно-розрахунковим шляхом, тобто отримані розрахункові значення зазнавали згодом перевірки дослідним шляхом. Нижче приводиться послідовність розрахунку. 1) Розраховується сила F, необхідна для витягання ребра з литтєвої полуформи, на основі наступного співвідношення: (1) F=n*s*S/2, [H] де n — коефіцієнт пари тертя «гума — метал»; з урахуванням застосування антиадгезива n =0,1; s — внутрішній тиск гуми, що завулканизувалась, у литтєвій формі перед розкриттям, МПа; значення а приймається таким, що дорівнює модулю пружності гуми при стисненні Ерсж, який дорівнює Ер.сж ≈ 5МПа = 5*106Н/м2; S — площа нижньої поверхні ребра ізолятора: p(D 2 - d 2 ) (2) , [м] 4 2) Розраховується сила Fyл на одиницю довжини напівкола в місці стику ребра з циліндричною частиною оболонки (стволом): (3) Fул =F/p*r, [Н] де r = d/2 — радіус захисної полімерної оболонки. 3) Розраховується сила відриву ребра від ізолятора Fo при витяганні з форми, а також сила роздирання Fp в кутовій частині з'єднання (точка А, див. фіг.3): (4) Fo= Fya*cosd, Н/мм (5) Fp= Fya *sind, Н/мм 4) Розраховується необхідна товщина Dh: (6) Dh = F0/[sp], [м] де [sp] — межа міцності гуми при відриві (розтягненні); для гуми HV 1760/65 значення [sp] = 4,5Н/мм2. Визначаються допоміжні параметри t (товщина ребра поблизу поверхні циліндричної частини оболонки) і g: (7) t = Dh*sinQ; у=t/(R-r) де R = D/2 - радіус ребра. Таким чином, товщина ребра поблизу поверхні циліндричної частини оболонки t, при збереженні однакової жорсткості ребер із збільшенням їх діаметра D, є пропорційною вильоту ребра с і розраховується по емпіричному вираженню: t = g(R-r), (8) де у = 0,2 —0,25. 5) Визначається коефіцієнт запасу міцності гуми на роздирання в місці з'єднання ребра зі стовбуром оболонки: KP=H/Fp, (9) де Н — міцність гуми на роздирання, Н/мм. У таблиці 2 приведені обчислені і перевірені експериментально значення F і Fyд для кільцевих ребер суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора з ефективними розмірами. S= Таблиця 2 D, мм 80 100 135 160 S, м2 0,00437 0,00714 0,0136 0,0194 F,H 1092,5 1785 3400 4847 Fуд, Н/мм 23,19 37,89 72,18 102,9 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 8, який, в свою чергу, пов'язаний з кутом а. Тому вказані співвідношення необхідно знаходити дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. На фіг.4 приведена отримана дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом графічна залежність, що показує вплив кута нахилу ребра a на трекінго-ерозійну стійкість Т і на коефіцієнт запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої форми Кр (Кр = H/Fp, де Н — міцність при розриві, Н/мм, яка для гуми HV 1760/65 складає Н = 4,5Н/мм; 1 — Т; 2 — Кр). З графіків, показаних на фіг.4, слідує, що у разі малих кутів нахилу ребер (a < 8°) трекінго-ерозійна стійкість Т знижується значно нижче за норму (норма — 182 годин). З іншого боку, збільшення кута а 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. 4). Таким чином, були встановлені наступні діапазони зміни кута нахилу кільцевого ребра ізолятора: amin = 13°, amax = 25°. Цим кутам а відповідають кути нахилу нижньої поверхні ребра dmjn = 6° і dmах = 18°. Було 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 гн ≈ 2мм; у верхній частині rB ≈ 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. Товщина оболонки D вибиралася з умови забезпечення вологозахисту склопластикового електроізоляційного стержня (на фіг. 1-4 не показаний) і ерозійної стійкості оболонки 1, і складала Dmjn = 5мм; Dmах = 7мм. Так, були визначені значення Dhmin і Dhmax для оболонки, що має діаметр ребра D = 100мм. У цьому випадку Dhmin = 8мм; Dhmax= 8,4мм. Для оболонки з діаметром ребра Dmin = 80мм визначили: Fуд. * cos d 23,19 * cos 25o F = = 4,67мм » 5мм Dh min = 0 = sp sp 4,5 Для оболонки з діаметром ребра Dmax =160мм отримали: Fуд. * cos d 102,9 * cos 25 o F Dh min = 0 = = = 20,7мм » 21мм sp sp 4,5 Таким чином, розрахунково-експериментальним шляхом було встановлено, що ефективний розмір основи ребра Dh для кутів a = 13 ¸ 25° відповідно складає: Dhmin = 5мм; Dhmax = 21мм. Крок між ребрами Не також визначався розрахунково-експериментальним шляхом. Відповідне розрахункове співвідношення для визначення Не має наступний вигляд: sin Q (R - r )(1 - g + ) (10) cos Q , He = sin Q(B - 1) де Q — кут нахилу верхньої площини ребра (на фіг.1-4 не показаний), що дорівнює Q = 90 - a, град; Q' — кут нахилу нижньої площини ребра (на фіг.1-4 не показаний), що визначається так: (11) Q' = arctg(c/h2), [град] де h2 — висота внутрішнього конуса ребра, що визначається так: h2 = c*ctgQ — t/sinQ [мм] де с — виліт ребра 3 (див. фіг.3). Визначений розрахунково-експериментальним шляхом ефективний діапазон значень Нэ виявився таким: Hэmin = 20мм; Нэmах = 60мм. Суцільнолита полімерна оболонка ізолятора вказаних розмірів, що заявляються, пройшла успішні експериментальні випробування в лабораторіях високих напруг, в т.ч. в ІЕЗ ім. Патона, і зараз готується документація на її промислове використання при номінальних напругах від 35 до 110 кВ (при напругах грозового імпульсу, що витримується, згідно з вимогами стандарту, від 220 до 450 кВ). Джерела інформації 1. Полимерный изолятор и способ его изготовления. МПК 7 Н01В17/00. Патент Украины (UA) № 52084А, 2002. 2. Изолятор, ограничитель перенапряжений и способ изготовления полимерной оболочки. МПК 7 Н01В17/50, Н01В19/04, Н01С17/12. Патент РФ (RU)№ 2203514, 2003.