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 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 пристрою аналога є відсутність ефективного матеріалу, з якого виконана конструкція суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора, і кількісного співвідношення складових і характеристик цього матеріалу, зокрема, молекулярної маси, а також діапазону величин шорсткості виконання зовнішньої поверхні полімерної оболонки, що не дозволяє досягнути високої надійності роботи ізолятора в жорстких умовах експлуатації. Як прототип вибрана суцільнолита полімерна оболонка з силіконової гуми з кільцевими ребрами, що входить до складу полімерного ізолятора [2]. Недоліком пристрою прототипу є відсутність ефективного матеріалу, з якого виконана конструкція суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора, кількісного співвідношення складових цього матеріалу і діапазону величин шорсткості виконання зовнішньої поверхні полімерної оболонки, що не дозволяє досягнути високої надійності роботи ізолятора в жорстких умовах експлуатації, а також зниження енергоємності, трудомісткості і підвищення технологічності його виготовлення. В основу винаходу поставлена задача підвищення експлуатаційної надійності полімерного ізолятора, зниження вартості, енергоємності, трудомісткості і підвищення технологічності його виготовлення, а також підвищення електричної і механічної міцності прикордонного шара між електроізоляційним стержнем і ізолюючим елементом шляхом вибору ефективного матеріалу, з якого виконана конструкція суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора, кількісного співвідношення складових цього матеріалу, а також діапазону величин шорсткості виконання зовнішньої поверхні полімерної оболонки ізолятора. Вказана мета досягається тим, що полімерна оболонка ізолятора, яка виконана з еластичної силіконової полімерної композиції швидкої/адитивної вулканізації на основі високомолекулярного силоксанового каучуку у вигляді суцільнолитого циліндричного корпусу з кільцевими ребрами, що мають конусоподібне поглиблення в нижній частині, оболонка виконана з каучуку, що має молекулярну масу 420-720тис. і містить активні наповнювачі в кількості 100-150мас.ч. на 100мас.ч. каучуку, причому зовнішня поверхня оболонки виконана шорсткуватою з величиною шорсткості від 0,5 до 3,5мкм. Як активні наповнювачі каучук містить аеросил А-175, або аеросил А-300. Як активні наповнювачі каучук містить гідроксид алюмінію Аl(ОН)3, модифікований апретуючими матеріалами. Як активні наповнювачі каучук містить аеросил А-175, або аеросил А-300, або гідроксид алюмінію Аl(ОН)3, модифікований апретуючими матеріалами. Перераховані ознаки пристрою складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідкового 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 шару 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: Ев.р.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). У виробництві полімерних ізоляторів широко застосовуються силоксанові гуми, наприклад, гума HV1760/65 фірми "DOW Corning" (США) [3]. У країнах СНД також виробляються подібні силоксанові гуми. Було встановлено, що як еластомер доцільно використовувати силіконову гуму адитивної/швидкої вулканізації, що містить одночасно вініл- і водневміщуючі силоксани, що зшиваються під впливом платинового каталізатора. Цей еластомер отриманий на основі силіконового високомолекулярного каучуку з молекулярною масою 420-720тис. кисневих одиниць (к.е., де 1к.е. дорівнює 1/16 маси атома кисню), що приблизно відповідає каучуку марки СКТВ (ТУ 38.103675-89), який містить високомолекулярні ланцюги з вінільними (Si-СН=CН2) групами і високомолекулярні ланцюги з водневими (Si-Η) групами. Було встановлено, що при відхиленні від вказаного діапазону молекулярної маси вихідного силіконового високомолекулярного каучуку спостерігається погіршення технологічних властивостей (зменшення швидкості вулканізації і збільшення часу формування) як гуми аддитивної/швидкої вулканізації в процесі її вулканізації по одностадійній технології, так і кінцевого продукту (ізолятора) на її основі. Силоксанова гума, що описується, була отримана спільною поліконденсацією продуктів гідролізу наступних з'єднань: де R - метил (радикал метана СН3 -); R1 - метил, феніл (радикал бензола С6Н5 -) і інші радикали; R2 - Cl або метил R, причому нижні індекси "n" і "к" становлять 0,5-1мас.ч. маси. ч. від мас. ч. нижнього індексу "m". Аеросили всіх марок, що випускаються в світі, у тому числі марок А-175 і А-300, що випускаються в Україні, є активними або високоактивними наповнювачами, і використовуються для поліпшення пружноеластичених і спеціальних властивостей вулканізатів (таких, як теплостійкості, вогнестійкості і ін.) на основі різних видів каучуку, насамперед силоксанового (див., наприклад, [4]). Кількість аеросила в каучуку визначається необхідними властивостями вулканізатів. Звичайно в силоксанових гумах аеросил застосовується в кількості 30-50мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. Так, в кабельних гумах К-69, К-69У, К1520, К-1520У і ін., що випускаються в Україні і Росії, застосовується аеросил марки А-175 в кількості 45-47мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. Однією з основних вимог, що висуваються до силоксанових гум, призначених для формування полімерних ізоляторів, є їх негорючість (самозатухаємість) при винесенні їх з полум'я. Так, вміст аеросила А-175 в кількості 45-47маси.ч. не дає можливості горіти гумі марки К1520, але вона "тліє" при винесенні з полум'я або слабо горить до повного згоряння зразка. У цьому випадку для досягнення необхідних властивостей до гум вводяться спеціальні речовини, що припиняють процес горіння, так звані антипірени. До таких речовин відноситься, наприклад, гідроксид алюмінію Аl(ОН)3. При температурі вище за 150°С гідроксид алюмінію розкладається з виділенням води: Т>150°С 2Аl(ОН)3®Аl2О3+3Н2О Гідроксид алюмінію є неактивним наповнювачем. Він вводиться до гум не тільки з метою підвищення їх вогнестійкості, але і з метою зниження їх вартості, так як він за технологіями отримання і за вартістю є набагато дешевшим за всі відомі антипірени. Тобто при заданих властивостях вартість гуми, а отже, і вулканізатів з неї, суттєво знижується. Застосування гідроксиду алюмінію, особливо в гумах, призначених для полімерних ізоляторів, без спеціальної обробки не практикується через його високе водопоглинання, тобто вулканізати гум, що містять гідроксид алюмінію, володіють високим (більше за 0,3%) водопоглинанням, що позначається на якості ізолятора. З метою зниження водопоглинання гідроксид алюмінію модифікують захисними речовинами (апретами), у т.ч., як у даному винаході, метакриловою кислотою (МАК), що має наступну формулу. При осадженні метакрилової кислоти на поверхню гідроксиду алюмінію не тільки різко знижується його водопоглинання, але й він стає напівактивним наповнювачем за рахунок підвищення своїх гідрофобних властивостей. У цьому випадку гідроксид алюмінію при збереженні надбаних властивостей антипірену може частково замінювати високоактивні наповнювачі, такі як аеросил. Кількість застосування гідроксиду алюмінію в гумах на основі різного каучуку є різною і може коливатися в межах 20-300мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. 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 гуми. При цьому необхідно зазначити, що введення великих кількостей неактивних наповнювачів знижує пружно-еластичні і інші властивості вулканізатів. Згідно з винаходом, як неінертні (тобто активні) наповнювачі силіконової гуми використовували аеросил А175 і/або аеросил А-300, а також гідроксид алюмінію Аl(ОН)3, що модифікований апретуючими матеріалами, наприклад, метакриловою кислотою. При цьому величина наповнення гуми вказаними наповнювачами була відносно високою, а саме 100-150мас.ч. активного наповнювача на 100мас.ч. каучуку. Було встановлено, що із збільшенням вмісту наповнення збільшується щільність гумової суміші, знижується її пластичність, умовна міцність, відносне подовження, а також збільшується твердість. Так, наповнення гум швидкої/адитивної вулканізації гідроксидом алюмінію, модифікованого метакриловою кислотою, при практично однакових властивостях з гумою К-1520, різко збільшило їх вогнестійкість, знизило відсоток наповнення аеросилом і, як наслідок, знизило вартість гуми на 15-30%. У той же час зміна вмісту наповнювачів у вказаних вище межах не приводить до істотної зміни властивостей гум. 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 цього діапазону наповнення в ту або іншу сторону призводить до зниження швидкості вулканізації і до збільшення часу формування приблизно в 1,3-1,5 рази. Як прискорювач вулканізації застосовували окисел цинку ZnO, в кількості 3-10мас.ч. (звичайно 5мас.ч.). Як стабілізатор використовували продукт типу HD8 (a, ω - дигідроксиполідиметилсилоксан) в кількості 8-15мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. Як вулканізуючий агент 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 (Ва, Са), наприклад, гексохлороплатинат барію, в кількості 0,5-2мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. Після вулканізації структурна формула вулканізату наступна: Час пресування силоксанових гум, що вулканізуються, залежить від їх складу, застосованого вулканізуючого агента, вимог до якості виробів, що виготовляються, і економічних міркувань, і, як правило, знаходиться в межах від tmin=5хв. до tmax=30хв.. Час пресування силоксанових гум, так само як і температура їх вулканізації, визначається по періоду напіврозпаду застосованого вулканізуючого агента. Останній, як правило, визначається на реометрах типу "Monsanto" за часом виходу гуми на плато вулканізації при заданій температурі (див. Фіг.2). Крива на графіку (Фіг.2) записується по зміні крутильного моменту ротора реометра, виміряного по кількості завулканізованої гуми. Кожна гумова суміш вулканізується по залежності, показаній на Фіг.2. При вибраній температурі Τ на дільниці "0-ts" в'язкість гумової суміші μ знижується, так як відбувається її розігрівання, після чого починається безпосередньо вулканізація гуми. Таким чином, відрізок "0-ts" є дільницею розігрівання маси гуми і зниження її в'язкості μ, a ts - це час початку вулканізації гуми при заданій температурі Т. На дільниці "ts-t90" відбувається вулканізація гуми до досягнення вулканізатом оптимальних заданих властивостей. Таким чином, "ts-t90" це дільниця вулканізації гуми, а t90 - це оптимальний час вулканізації гуми при даній температурі Т. Пониження часу вулканізації менш 5 хвилин вимагає підвищених температур вулканізації Т, що призводить до зниження якості виробів, що виготовляються. А при перевищенні часу вулканізації більше за 30 хвилин різко знижується продуктивність процесу формування. Експериментально було встановлено, що час вулканізації можна вибирати з розрахунку 1 хвилина на 1±0,1мм товщину виробу. Так, було встановлено, що ефективним часом вулканізації для наповненої гуми, що використовується, і гуми типу HV1760/65 при виготовленні полімерних ізоляторів є значення (10±2)хв.. Дільниця вулканізації "t90-tх" називається "плато вулканізації", тобто tх - це час, протягом якого зберігаються оптимальні властивості вулканізату, і за межами якого починаються їх зміни (криві 2-4 на Фіг.2). Час ts, t90 і tх для конкретної гумової суміші і заданої температури Τ виражається в хвилинах (або секундах). Так, для гуми, що використовується, і для відомої гуми HV 1760/65 при температурі 135°С значення ts знаходиться в межах 54-108с, а значення t90 - в межах 121-227с. У той же час значення часу tх для силоксанових гум не визначається, так як вони зберігають свої властивості при цій температурі досить тривалий час (місяці). На Фіг.2 показані також можливі шляхи вулканізації гуми на основі різного каучуку (криві 1-4, де крива 1 відповідає силоксановій гумі). Властивості гум (вулканізатів), що отримуються, в порівнянні з відомою гумою марки HV1760/65 приведені в таблиці 1. Охарактеризуємо останню відмітну конструктивну ознаку винаходу, що заявляється, а саме виконання зовнішньої поверхні оболонки полімерного ізолятора з шорсткуватою поверхнею. Згідно з винаходом, шорсткість зовнішньої поверхні оболонки полімерного ізолятора Ra из. знаходиться в межах Ra из.min=0,5мкм; Ra из.mах=3,5мкм. Таблиця 1 Властивості вулканізатів Показник Щільність Пластичність Твердість Межа міцності при розриві Опір роздиранню Значення "t s-t90" Значення t s Колір Одиниця Тип гуми виміру HV1760/65 пропонуєма г/см3 1,47-1,57 1,25 0,40-0,50 >0,55 Шор А 60-70 >60 Н/мм2 >31,6 >67 кгс/см >11,3 >19 хв. 2,02-3,78 1,95-3,90 хв. 1,31-2,35 1,28-2,45 світло-сірий світло-сірий Шорсткість зовнішньої поверхні ізоляційної оболонки повторює шорсткість литтєвої прес-форми. У відповідності з ГОСТ 14901 «Прес-форми для виготовлення гумовотехнічних виробів. Загальні технічні умови», параметр шорсткості Ra деталей прес-форм, дотичних з гумовою сумішшю без покриття і азотування, для силіконових гум, що використовуються, повинен знаходитися в межах Ra=0,04+0,2мкм. Було експериментально визначено, що існує залежність: чим більше діаметр ребра полімерної оболонки D, тим більше значення шорсткості Ra. У той же час було встановлено, що чим меншою є шорсткість поверхні, тим гірше закріплюються забруднення на поверхні оболонки. В ідеалі Ra®0. Однак при малих значеннях Ra гума прилипає до поверхні литтєвої прес-форми, і ізолятор складно витягнути з неї без пориву ребер оболонки. Таким чином, зменшення шорсткості Ra призводить до прилипання гуми до поверхні прес-форми, а також до збільшення зусилля для виїмки ребра, що може призвести до його розриву. Тому нижня межа параметра шорсткості, визначена експериментально, виявилась такою: Ra из.min=0,5мкм. Крім цього, при зниженні величини шорсткості Ra збільшується вартість литтєвої прес-форми. Орієнтовну залежність вартості литтєвої прес-форми Сф від параметра шорсткості Ra, згідно отриманим розрахункамі проведеним експериментам, можна виразити наступним співвідношенням: Сф=0,894-(Ra)-0,5. У таблиці 2 показана залежність вартості литтєвої прес-форми, у відносних одиницях, в залежності від параметра шорсткості Ra. За одиницю прийнята вартість литтєвої прес-форми з параметром Ra=0,8мкм. Друга контрольна точка - вартість литтєвої прес-форми з параметром Ra=0,2мкм. Таблиця 2 Вартість литтєвої прес-форми Сф , у відносних одиницях, у залежності від параметра шорсткості поверхні полімерного ізолятора Ra Ra, мкм 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,3 Вартість Сф , відносні одиниці 2,82 2,00 1,41 1,00 0,71 0,50 0,36 Вищезгаданий ГОСТ 14901 орієнтований переважно на вироби типу кілець, тобто на вироби найпростішої конфігурації, що легко витягуються з литтєвих прес-форм. Конфігурація оболонки полімерного ізолятора з піднутренням є значно складнішою, тому при проектуванні литтєвої прес-форми верхнє значення параметра Ra задавали вище за вказані в ГОСТ межі, а саме: Ra£0,3-0,3,5мкм. Після випробувань виготовлених форм з верхнім значенням параметра шорсткості Ra=3,2-3,5мкм пересвідчилися, що вироби витягуються з прес-форми, і якість їх поверхні задовільна. Таким чином, експериментально встановлений діапазон параметрів шорсткості поверхні зовнішньої поверхні полімерної оболонки відповідає значенням Rа»0,5-3,5мкм. Крім того, було встановлено, що збільшення шорсткості Ra>3,5мкм призводить до зниження електричних характеристик ізоляційного елемента за рахунок підвищеного забруднення його поверхні природними і промисловими забрудненнями, особливо в зволоженому стані. Винахід ілюструється графічним матеріалом, де на Фіг.1 показаний загальний вигляд полімерної оболонки ізолятора, на Фіг.2 показані також можливі шляхи вулканізації гуми на основі різного каучуку (криві 1-4, де крива 1 відповідає силоксановій гумі із заданими характеристиками). Полімерна оболонка ізолятора 1 виконана з наповненої силіконової гуми адитивної/швидкої вулканізації на базі каучуку з молекулярною масою 420-720тис, що містить активні наповнювачі в кількості 100-150мас.ч. на 100мас.ч. каучуку. Полімерна оболонка ізолятора як активні наповнювачі містить аеросил А-175 або аеросил А-300, або гідроксид алюмінію Аl(ОН)3, що модифікований апретуючими матеріалами. Оболонка виконана шорсткуватою з величиною шорсткості зовнішньої поверхні від 0,5 до 3,5мкм і має форму суцільнолитого циліндричного корпусу 2 з кільцевими ребрами 3, що мають конусоподібне поглиблення 4 в нижній частині. Полімерна оболонка формується таким чином. Задають розрахунковим шляхом необхідний діапазон величини шорсткості зовнішньої поверхні ізоляційної оболонки, яка відповідає шорсткості литтєвої пресформи, що використовується. Вулканізація початкового наповненого еластомеру в прес-формі із заданим діапазоном шорсткості робочої поверхні і із заздалегідь встановленим в пресі-формі склопластиковим стержнем починається при температурі нижче за 100°С. Причому встановлено, що при температурах 100-140°С процес вулканізації різко прискорюється. Вулканізація, як правило, здійснюється в одну стадію при 125-135°С протягом 8-12 хвилин в присутності платинового каталізатора. Такий режим вулканізації виключає утворення дефектів наповненої полімерної оболонки, дозволяє використовувати склопластикові стержні більш низького класу нагрівостійкості, а також підвищити стабільність процесу формування. Полімерна оболонка ізолятора, що заявляється, пройшла успішні експериментальні випробування при використанні в комплекті ізолятора в лабораторіях високих напруг, в т.ч. в ІЕЗ ім. Патона. Зараз готується документація на промислове виготовлення полімерної оболонки і на використання ізолятора при номінальних напругах від 35 до 110кВ (при напругах грозового імпульсу, що витримується, згідно з вимогами стандарту, від 220 до 450кВ). Джерела інформації 1. 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. 3. Insulator news and market report. Volume 8, Number 1, January-February 2000, USA, p.p.64-66. 4. Справочник резинщика. - Μ.: Химия, 1971г., стр.427-440.