Кремнійорганічний прохідний ізолятор

Реферат: Кремнійорганічний прохідний ізолятор містить струмопровід, опорну втулку з діелектричного матеріалу і металевий фланець з заплечиками довжиною, меншою довжини втулки, концентрично охоплює струмопровід з утворенням порожнин між зовнішньою поверхнею струмопровіду, опорною втулкою і внутрішньою поверхнею фланця з заплечиками, заповненими повністю шарами ізоляції з кремнійорганічної гуми, а зовнішня поверхня опорної втулки, виступаюча за краї заплечиків фланця покрита ребристим шаром оболонки зі згаданої кремнійорганічної гуми, монолітно з'єднаної з шаром ізоляції між фланцем і опорною втулкою. Вибір основних геометричних параметрів конструкції дозволяє регулювати напруженість в ізоляторі, дає можливість підвищити його надійність і міцність. UA 104824 C2 (12) UA 104824 C2 UA 104824 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки, зокрема до ізоляційної техніки, та стосується конструкцій прохідних ізоляторів з полімерною ізоляцією. Прохідні ізолятори використовуються як сполучні елементи високовольтного устаткування, що знаходиться в закритих приміщеннях, з відкритими розподільними пристроями або лініями електропередачі змінної напруги від 6 до 35 кВ, тому їх ще називають високовольтними. Такі ізолятори переважно розраховані на механічне напруження 7,5-12,5 кН. Основними функціональними елементами конструкції високовольтних прохідних ізоляторів є струмопровід, концентрично охоплюючий його ізоляційне тіло і металевий фланець. У робочому режимі струмопровід знаходиться під високим потенціалом, а фланець заземлюється. При цьому ізоляційне тіло несе електричне навантаження, а також у поєднанні з фланцем і механічне навантаження. Як наслідок є небезпека високих напружень поля. Відомі сучасні полімерні прохідні ізолятори, з метою підвищення експлуатаційної надійності яких, ізоляційні тіла складаються зі склопластикової опорної втулки, шарів кремнійорганічної (силіконової) гуми і прошарків повітря. (RU 61463 U1 від 27.02.2007 та RU 73119 U1 від 10.05.2008). Істотним недоліком таких рішень є наявність повітряних прошарків в міжелектродному проміжку, що обумовлює виникнення часткових електричних розрядів в прошарках при перенавантаженнях мережі. При багаторазовому виникненні часткових розрядів відбувається електричне старіння ізоляції, що збільшує ризик пробою ізоляції і наступний за цим вихід з ладу ізолятора. Відомий також кремнійорганічний прохідний ізолятор, що містить струмопровід, опорну втулку з металевим фланцем, що охоплює струмопровід з утворенням порожнини між зовнішньою поверхнею струмопроводу і внутрішньою поверхнею опорної втулки, де згадана порожнина повністю заповнена шаром ізоляції з кремнійорганічної гуми (RU 2319245 С1). Дане рішення має наступні недоліки: виконана з металу опорна втулка розташована не по всій довжині ізоляційного тіла, а гума має дуже низьку механічну міцність. Тому велика ймовірність того, що під впливом згинального навантаження гума зруйнується по краях металевої втулки, що в свою чергу, призведе до електричного пробою ізолятора. Найбільш близьким до того, що заявляється є кремнійорганічний прохідний ізолятор, який містить струмопровід і опорну втулку з металевим фланцем, що охоплює струмопровід з утворенням порожнини, повністю заповненою шаром ізоляції з кремнійорганічної гуми, в якості якої використаний вулканізований полімерний компаунд на основі рідких синтетичних каучуків, олігомери яких містять кінцеві функціональні групи. Компаунд має питому механічну міцність  p . Опорна втулка виконана довжиною Lв т з діелектричного матеріалу з питомою механічною міцністю в т і простягається по всій довжині ізоляційного шару, а фланець виконаний з заплечиками, які охоплюють опорну втулку і які простягаються уздовж неї на довжину L ф . При цьому виконуються співвідношення: р  в т ; 1  Lв т / Lф  в т / р (UA 95661 С2 від 25.08.2011). У даній роботі з метою поліпшення герметичності, підвищення електричної і механічної міцності: як еластична ізоляція використовується кремнійорганічна рідина; металевий фланець виконаний з заплечиками; опорна втулка виконана з діелектричного матеріалу з більшою питомою міцністю, ніж у гуми, причому довжина її більше довжини заплечиків. Недоліком даного рішення є недостатня надійність винаходу з причини того, що електричне поле в діелектриках не оптимізоване. Разом з тим відомо, що на розподіл електричного поля в багатошаровому ізоляційному проміжку, в даному випадку, струмопровід - заземлений фланець, істотно впливають діелектричні характеристики складових елементів ізоляції і співвідношення їх товщин. Крім того, максимальні значення напруженості електричного поля, що має місце у поверхні електродів: у струмопроводу і фланця, також залежать від взаємного розташування і їх конфігурації. В основу винаходу поставлена задача - підвищити експлуатаційну надійність кремнійорганічного прохідного ізолятора шляхом вирівнювання розподілу електричного поля, відповідно, зниження максимальної напруженості електричного поля ізоляції, не знижуючи його механічну міцність. Поставлена задача вирішується тим, що товщина опорної втулки  r , віднесена радіальній відстані між струмопроводом і фланцем R , не перевищує відношення діелектричних проникностей матеріалів кремнійорганічної гуми 1 і опорної втулки  2 :  r  1; R 2 1 UA 104824 C2 5 10 15 20 25 струмопровід виконаний з проточкою симетрично відносно заплечиків фланця з довжиною, що перевищує осьову довжину фланця з заплечиками на l з кожного краю заплечиків і з такою глибиною, що виконується наступне співвідношення: 0,7  0,8  l . R Краї заплечиків фланця, звернені до струмопроводу, виконані з розширенням у вигляді електрода Роговського, геометрична форма сполучення струмопроводу на кінцях проточки виконана з більш пологим розширенням, ніж краї заплечиків фланця, шар ізоляції з кремнійорганічної гуми концентрично охоплює частину зовнішньої поверхні заплечиків фланця монолітно із шаром зовнішньої ізоляції опорної втулки. Зовнішній діаметр опорної втулки максимально близький внутрішньому діаметру фланця з заплечиками. Суть винаходу пояснюється на Фіг. 1 і Фіг. 2. На Фіг. 1 представлений фрагмент ізолятора, що складається з струмопроводу 1 з проточкою 2 і сполученнями 3, металевого фланця 4 із заплечиками 5 і з краями 6, кремнійорганічної гуми 7 з діелектричною проникністю 1 , опорної втулки 8 з ізоляційного матеріалу з діелектричною проникністю  2 і зовнішньої ізоляції 9 з кремнійорганічної гуми. Опорна втулка 8, довжина якої значно більше осьової довжини фланця 4 із заплечиками 5, характеризується товщиною  r ; довжина проточки 2 на струмопроводі 1, виконаної симетрично щодо заплечиків 5 фланця 4, більше осьової довжини заплечиків 5 на величину 2l , а глибина проточки характеризується параметром R , відповідним ізоляційному проміжку між проточкою 2 і внутрішньою поверхнею заплечиків 5 фланця 4. Проміжок між струмопроводом 1 з проточкою 2 і заземлюваним металевий фланцем 4 представляє собою багатошарову циліндричну ізоляцію, тому розподіл електричного поля в цьому проміжку істотно залежить як від геометричних параметрів шарів, так і від співвідношень діелектричної проникності цих шарів. Як відомо, максимальна напруженість поля в розглянутому проміжку має місце в гумі біля поверхні струмопроводу, Em.p . Для наближеної оцінки Em.p можна скористатися формулою для плоского поля: Uэ 1 , r2  r1 1  r1   1        r2  2  r2    де Uэ - еквівалентна прикладена до струмопроводу напруга; r1 - сумарна товщина ізоляції з кремнійорганічної гуми в ізоляційному проміжку; Em.p  30 r2 - відстань ізоляційного проміжку, рівна R . З (1) маємо наступну умову мінімуму напруженості поля Em.p :  r1 1  r    1  1   1    r   r2  2   2   Звідки отримуємо співвідношення між геометричними та діелектричними параметрами, при якому величина поля в гумі біля поверхні струмопроводу виявиться мінімальною: 35  r  1 R 2 40 45 (2) З боку фланця максимальна напруженість електричного поля Em.з має місце на краях заплічиків, величина яких залежить при прийнятих співвідношеннях (2) від відстані між краями 6 заплечиків 5 фланця 4 до найближчих країв-сполучень 3 проточки 2 струмопроводу 1, тобто, від параметрів l і R . На Фіг. 2 наведені результати чисельних досліджень електричного поля ізолятора у вигляді залежностей максимальної напруженості поля на краях 6 заплечиків від співвідношення параметрів, що характеризують згадану відстань. З Фіг. 2 по кривій 1 видно, що граничне l зниження напруженості Em.з поля досягається при співвідношенні 0,8  . R Істотне зниження максимальної напруженості Em.з поля досягається виконанням країв 6 заплечиків 5 фланця 4, звернених до струмопроводу, з розширенням у вигляді електрода 2 UA 104824 C2 5 10 15 20 25 30 Роговського. При цьому довжина проточки може бути також дещо зменшена (Фіг. 2, крива 2). Тому мінімальне співвідношення, що характеризує довжину і глибину проточки 2 на струмопроводі 1, при якому досягається граничне зниження напруженості поля на краю 6 заплечиків 5 фланця 4 вибирається як: 0,7  0,8  l . R При мінімальній довжині проточки 2 струмопроводу 1 зниження максимальної напруженості Em.n у струмопроводі досягається виконанням сполучення 3 струмопроводу 1 на краях проточки 2 з більш пологим розширенням, ніж краї 6 заплечиків 5 фланця 4. Шар ізоляції з кремнійорганічної гуми, концентрично охоплює частину країв зовнішньої поверхні заплечиків фланця монолітно із шаром зовнішньої ізоляції опорної втулки, вирівнює електричне поле вздовж країв заплечиків фланця. Зовнішній діаметр опорної втулки 8 максимально близький внутрішньому діаметру фланця 4 із заплечиками 5, що забезпечує найбільшу механічну міцність конструкції ізолятора. Вибір основних геометричних параметрів конструкції прохідного ізолятора в першому наближенні здійснюється в наступній послідовності: - визначається радіус струмопроводу проточеної ділянки по допустимому номінальному струмі ізолятора; - по відомим діелектричним характеристикам ізоляційних матеріалів гуми і опорної втулки 1 и  2 за формулою (2) встановлюється мінімальна відносна товщина втулки r  R  ; - для прийнятої відносної товщини втулки шляхом розрахунку електричного поля визначається внутрішній радіус фланця (або мінімальна відстань R від струмопроводу до внутрішньої поверхні фланця з заплечиками), при якому максимальна напруженість поля в гумі Em.p не перевищує допустимої робочої напруженості E .p для обраної гуми: Em.p  E.p ; - за співвідношенням (3) визначається l або мінімальна довжина проточеної ділянки струмопроводу; - проводиться оптимізація форми країв заплечиків фланця і проточки струмопроводу по критеріях мінімумів максимальних напруженостей поля: min  Em.з - у заплечиків; min  Em.n - у струмопроводу; - виконується розрахунок механічної міцності ізолятора на вигин; якщо очікувана міцність ізолятора менше нормованої міцності, то здійснюється коригування геометричних параметрів ізолятора, починаючи з товщини опорної втулки. Розрахунки показують, що при одних і тих же габаритних розмірах ізолятора і тих же вибраних діелектричних матеріалах запропонована оптимізація геометричних параметрів дозволяє знизити максимальну напруженість в ізоляторі більш ніж в два рази. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 1. Кремнійорганічний прохідний ізолятор, що містить циліндричний струмопровід, опорну втулку з діелектричного матеріалу і металевий фланець з заплечиками довжиною, меншою довжини втулки, концентрично охоплює струмопровід з утворенням порожнин між зовнішньою поверхнею струмопроводу, опорною втулкою і внутрішньою поверхнею фланця з заплечиками, заповненими повністю шарами ізоляції з кремнійорганічної гуми, а зовнішня поверхня опорної втулки, виступаюча за краї заплечиків фланця покрита ребристим шаром оболонки із кремнійорганічної гуми, монолітно з'єднаної з шаром ізоляції між фланцем і опорною втулкою, де питома механічна міцність матеріалу опорної втулки вище міцності гуми, який відрізняється тим, що товщина опорної втулки  r , віднесена до радіальної відстані між струмопроводом і фланцем R , не перевищує відношення діелектричних проникностей матеріалів r 1 кремнійорганічної гуми 1 і опорної втулки  2 ;  R  2 струмопровід виконаний з проточкою симетрично відносно фланця з заплечиками з довжиною, що перевищує осьову довжину фланця з заплечиками на l з кожного краю заплечиків і з глибиною, при якій виконується наступне співвідношення: 0,7  0,8  l . R 2. Кремнійорганічний прохідний ізолятор за п. 1, який відрізняється тим, що краї заплечиків фланця звернені до струмопроводів і виконані з розширенням у вигляді електрода Роговського. 3 UA 104824 C2 5 3. Кремнійорганічний прохідний ізолятор за п. 2, який відрізняється тим, що геометрична форма сполучення струмопроводу на кінцях проточки виконана з більш пологим розширенням, ніж краї заплечиків фланця. 4. Кремнійорганічний прохідний ізолятор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що шар ізоляції з кремнійорганічної гуми концентрично охоплює частину зовнішньої поверхні заплечиків фланця монолітно із шаром зовнішньої ізоляції опорної втулки. 5. Кремнійорганічний прохідний ізолятор за п. 1, який відрізняється тим, що зовнішній діаметр опорної втулки максимально близький внутрішньому діаметру фланця з заплечиками. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4