Спосіб виготовлення суцільнолитої полімерної оболонки 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, а також трудомісткість їх формування. 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, вн утрішня 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 шару. Формують зовнішній шар оболонки методом лакофарбової 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 способу виготовлення конструкції і встановлення ефективних співвідношень формування геометричних розмірів складових елементів суцільнолитої захисної ребристої оболонки полімерного ізолятора. Вказана мета досягається тим, що у способі виготовлення суцільнолитої полімерної оболонки 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 каучук у 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 діаметра кільцевого ребра в межах від 80 до 160мм, крока між суміжними кільцевими ребрами в межах від 20 до 60мм, ширини кільцевого ребра у його основи в межах від 5 до 21мм, а також безрозмірної величини, що визначає відношення довжини шляху витоку елемента до кроку між суміжними кільцевими ребрами, в межах від 2,35 до 3,5. Геометричні розміри внутрішньої поверхні литтєвої прес-форми визначають дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. Виготовляють литтєву прес-форму з декількома типорозмірами внутрішньої поверхні, що визначають геометричні розміри сформованого кільцевого ребра оболонки ізолятора. Співвідношення діаметра ребра оболонки до діаметра ствола оболонки визначають на основі аналізу експериментальних залежностей напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні оболонки ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, при різних значеннях діаметра ствола оболонки. Співвідношення довжини шляху витоку ребра до міжреберної відстані визначають на основі вимірювань напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані при змінній напрузі на частоті f=50Гц і при забрудненні поверхні оболонки солоним туманом і каоліном. Товщин у оболонки вибирають за умови забезпечення вологозахисту склопластикового електроізоляційного стрижня і ерозійної стійкості полімерної оболонки. Перераховані ознаки способу складають сутність винаходу. Наявність причинно-наслідного зв'язку між сукупністю істотних ознак винаходу і те хнічним 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 стверджувати, 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 полімерної оболонки, яка не має стиків між окремими ребрами. Виконання ізолюючого елемента у вигляді суцільнолитої полімерної оболонки дозволяє підвищити експлуатаційну надійність полімерного ізолятора, а також підвищити електричну і механічну міцність прикордонного шару між електроізоляційним стрижнем і ізолюючим елементом, виключити розгерметизацію ізолятора між кільцевими ребрами за рахунок виключення роз'ємів, знизити енергоємність, трудомісткість і підвищити те хнологічність його виготовлення за рахунок виключення операцій монтажу. У свою чергу, формування суцільнолитої полімерної оболонки з ефективним співвідношенням геометричних параметрів ребер і оболонки дозволяє досягнути оптимальних експлуатаційних і те хнологічних 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 прес-форми без відриву ребер і роздирання гуми в місці сполучення ребра і ствола оболонки. При цьому сукупність параметрів ребра і ствола оболонки повинні бути такою, щоб забезпечити отримання максимально високих вказаних експлуатаційних і те хнологічних характеристик. Було встановлено, що вищезгадані геометричні параметри суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора є взаємопов'язаними. Необхідність дотримання вищезгаданих співвідношень при формуванні суцільнолитої полімерної оболонки зумовлена пружно-міцнісними 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 суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора; на Фіг.2 приведена отримана дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом графічна залежність, що обґрунтовує вибір параметрів способу, а саме експериментальні графіки залежності напруги електричного поля Eв.p.h., при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, від співвідношення діаметрів ребра оболонки D і ствола ізолятора d, тобто D/d, при різних діаметрах стовбура ізолятора d; на Фіг.3 схематично зображений елемент кільцевого ребра суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора; на Фіг.4 приведена графічна залежність, що показує вплив кута нахилу ребра α на трекінго-ерозійну стійкість Τ і на коефіцієнт запасу міцності на відрив К р при витяганні ізолятора з литтєвої форми. Захисну ребристу оболонку полімерного ізолятора виконують у вигляді суцільнолитої циліндричної полімерної 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 типорозмірами внутрішньої поверхні, що визначає (віддзеркалює) ребристу конфігурацію зовнішньої поверхні захисної суцільнолитої полімерної оболонки, яка формується. Геометричні розміри внутрішньої поверхні литтєвої прес-форми визначають дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. До цих типорозмірів, зокрема, відносяться діаметр кільцевого ребра, крок між суміжними кільцевими ребрами, ширина кільцевого ребра у його основи, безрозмірна величина, що визначає відношення довжини шляху витоку елемента до кроку між суміжними кільцевими ребрами, кути нахилу і розхилу вершини ребра, кути нахилу нижньої поверхні ребра до горизонтальної площини, радіуси сполучення ребра з верхньою і нижньою частинами циліндричної оболонки, а також товщини стінки циліндричної оболонки. Зокрема, співвідношення діаметра ребра оболонки до діаметра ствола оболонки визначають на основі аналізу експериментальних залежностей напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні оболонки ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, при різних значеннях діаметра ствола ізолятора; товщин у оболонки вибирають за умови забезпечення вологозахисту склопластикового електроізоляційного стрижня і ерозійної стійкості оболонки; оптимальне співвідношення довжини шляху витоку ребра до міжреберної відстані визначають на основі вимірювань напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані при змінній напрузі на частоті f=50Гц і при забрудненні поверхні ізолятора солоним туманом і каоліном. 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 суцільнолитої полімерної оболонки. Для утворення ізолюючого елемента (суцільнолитої полімерної оболонки ізолятора) 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. Діаметр ребра циліндричної оболонки D ізолятора вибирають в межах від 80 до 160мм, крок між суміжними ребрами Н э (або Не) вибирають в межах від 20 до 60мм, величину ширини кільцевого ребра 3 у його основи Δh вибирають в межах від 5 до 21мм, а безрозмірне відношення довжини шляху витоку елемента (Lэ) до кроку між суміжними ребрами Н е, тобто відношення В=Lэ/He вибирають в межах від 2,35 до 3,5. Кут на хилу α кільцевого ребра 3 ізолятора вибирають (виконують) в межах від 13 до 25°, кут розхилу β вершини 5 кільцевого ребра вибирають в межах від 6 до 7°, а к ут нахилу dm 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. Як було експериментально встановлено, вказані вище параметри ребра суцільнолитої полімерної циліндричної оболонки ізолятора впливають на її експлуатаційні і технологічні характеристики. Згідно з винаходом, співвідношення діаметра ребра оболонки до діаметра ствола оболонки, тобто D/d, визначають на основі аналізу експериментальних залежностей напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні оболонки ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, при різних значеннях діаметра ствола ізолятора. На Фіг.2 приведені шукані експериментальні графічні залежності напруги електричного поля Eв.p.h. , 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) і d=36мм (3). З метою максимального наближення до реальних умов експлуатації випробування проводять при забрудненні ізоляторів каоліном з питомою поверхневою провідністю 5мкСм. З графіків на Фіг.2 слідує, що ефективний (оптимальний) діаметр ребра D лежить в діапазоні 80¸160мм. Максимум напруги електричного поля Eв.p.h., при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані, в діапазоні D=80¸160мм пояснюється тим, що при D160мм через зниження необхідної кількості ребер меншає кількість підсушених струмами витоку зон в міжреберному просторі, що призводить до збільшення поверхневої провідності ізолятора і зниження напруги перекриття (поверхневого пробою). Виходячи з цього, було встановлено, що ефективний діаметр ребра D циліндричної оболонки ізолятора вибирають в межах від 80 до 160мм. У даному способі оптимальне співвідношення довжини шляху витоку ребра до міжреберної відстані, тобто відношення В=Lэ/He, визначають на основі вимірювань напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані при змінній напрузі на частоті f=50Гц і при забрудненні поверхні ізолятора солоним туманом і каоліном. Визначення оптимального співвідношення довжини шляху витоку ребра Lэ до міжреберної відстані Н е проводять на основі вимірювань напруги електричного поля, при якій відбувається розряд по поверхні ізолятора в забрудненому і зволоженому стані Eв.p.h.=f(В) при змінній напрузі на частоті f=50Гц і при забрудненні солоним туманом і каоліном. Ефективний шуканий діапазон відношення В=Lэ/Не визначають на основі даних, приведених у таблиці 1, де 1мкСм (мікросіменс) =1См×10-6 - питома поверхнева провідність забрудненого і зволоженого полімерного ізолятора. Таблиця 1 Ев.р.h., кВ/см Відношення В=Lэ/Hэ Забруднення У солоному тумані з питомою поверхневою провідністю 0,5мкСм Каолін з питомою поверхневою провідністю 4мкСм Каолін з питомою поверхневою провідністю 17мкСм 1 1,67 2 2,35 2,5 3 3,35 3,5 4,0 1,08 1,69 1,96 2,81 2,3 2,81 2,70 2,61 2,20 1,19 1,4 1,57 2,73 2,74 2,73 2,70 2,63 2,06 0,9 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. З таблиці 1 видно, що відхилення від цього ефективного діапазону призводить до погіршення експлуатаційних і технологічних характеристик суцільнолитих полімерних оболонок ізоляторів. Товщин у оболонки Δ вибирають за умови забезпечення вологозахисту склопластикового електроізоляційного стрижня (на Фіг.1-4 не показаний) і ерозійної стійкості оболонки 1. Шукана товщина склала Δmіn=5мм; Δmax=7мм. Ширину кільцевого ребра у його основи Ah визначають наступним чином. Так, були визначені значення Δhmі n і Δhmax для оболонки, що має діаметр ребра D=100мм. У цьому випадку Δh mіn=8мм; Δhmax=8,4мм. Для оболонки з діаметром ребра Dmin=80мм визначають: Dhmin = F0 Fу д. × cos d 23,19 × cos 25 ° = = = 4,67мм » 5мм. sp sp 4,5 Для оболонки з діаметром ребра Dmax=160мм отримали: D hmax = F0 Fуд . × cos d 102,9 × cos 25° = = = 20,7мм » 21мм. sp sp 4,5 Таким чином, розрахунково-експериментальним шляхом було встановлено, що ефективний розмір основи ребра Δh для кутів α=13¸25° відповідно складає: Δhmіn=5мм; Δhmax=21мм. Крок між ребрами Н е також визначають розрахунково-експериментальним шляхом. Відповідне розрахункове співвідношення для визначення Не має наступний вигляд: sinq (R - r )(1 - g + ) (10) sin q¢ , Hэ = sin q(B - 1) де θ - кут на хилу вер хньої площини ребра (на Фіг.1-4 не показаний), що дорівнює θ=90-α, град; θ' - кут нахилу нижньої площини ребра (на Фіг.1-4 не показаний), що визначається так: c , [град] (11) h2 де h2 - висота вн утрішнього конуса ребра, що визначається так: t h 2 = c × ctg q , [мм] sin q де с - виліт ребра 3 (див. Фіг.3). Визначений розрахунково-експериментальним шляхом ефективний діапазон значень Н э виявився таким: Нэmin=20мм; Нэmах=60мм. Товщин у ребра оболонки Δh у його основи, тобто в місці сполучення з циліндричною частиною оболонки, визначають, 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 визначають дослідно-розрахунковим шляхом, тобто отримані розрахункові значення зазнавали згодом перевірки дослідним шляхом. Нижче приводиться послідовність проведення розрахунку. 1) Розраховують силу F, необхідну для витягання ребра з литтєвої полуформи, на основі наступного співвідношення: S (1) F = n × s × , [H] 2 де n - коефіцієнт пари тертя «гума-метал»; з урахуванням застосування антиадгезива n=0,1; σ - внутрішній тиск гуми, що завулканизувалась, у литтєвій формі перед розкриттям, МПа; значення σ приймають таким, що дорівнює модулю пружності гуми при стисненні Ер.сж., який дорівнює Ер.сж.»5 МПа=5·106Н/м 2; S - площа нижньої поверхні ребра ізолятора: q¢ = arct p(D2 - d2 ) 2 (2) , [м ] 4 2) Розраховують силу F yд. на одиницю довжини напівкола в місці стику ребра з циліндричною частиною оболонки (стволом): F (3) Fу д = , [H] . p× r де r=d/2 - радіус захисної полімерної оболонки. 3) Розраховують силу відриву ребра від ізолятора Fo при витяганні з форми, а також силу роздирання Fp в кутовій частині з'єднання (точка А, див. Фіг.3): (4) Fo=F уд.×cosd, Н/мм (5) Fp=F уд.×sind, Н/мм 4) Розраховують необхідну товщину Δh: F Dh = o , [м] (6) sp де [σρ ] - межа міцності гуми при відриві (розтягненні); для гуми HV 1760/65 значення [σρ ]=4,5Н/мм 2. Визначають допоміжні параметри t (товщина ребра поблизу поверхні циліндричної частини оболонки) і g: t g= , (7) R -r t=Δh×sinq; S= [ ] D R= 2 - радіус ребра. де Таким чином, товщину ребра поблизу поверхні циліндричної частини оболонки t, при збереженні однакової жорсткості ребер із збільшенням їх діаметра D, є пропорційною вильоту ребра с, розраховують по емпіричному вираженню: (8) t=g(R-r), де g=0,2-0,25. 5) Визначають коефіцієнт запасу міцності гуми на роздирання в місці з'єднання ребра зі стовбуром оболонки: H Кр = , (9) Fp де Η - 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. Таблиця 2 D, мм 80 100 S, м 2 0,00437 0,00714 F, H 1092,5 1785 Fуд. Н/мм 23,19 37,89 135 160 0,0136 0,0194 3400 4847 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 δ, який, в свою чергу, пов'язаний з кутом а. Тому вказані співвідношення знаходять дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом. Зазначимо, що вихідні ефективні значення кута нахилу ребра α знаходять за умови одночасного забезпечення високих значень трекінго-ерозійної стійкості (Т) і запасу механічної міцності ребра на роздирання і відрив. Залежність Τ=f(α) визначають експериментально. Коефіцієнт запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої прес-форми (Кр=H/Fp, де Η - міцність при розриві, Fp - сила роздирання) визначають розрахунковим шляхом. На Фіг.4 приведена отримана дослідно-експериментальним і розрахунковим шляхом графічна залежність, що показує вплив кута нахилу ребра α на трекінго-ерозійну стійкість Τ і на коефіцієнт запасу міцності на відрив при витяганні ізолятора з литтєвої форми Кр (Кр=H/F p, де Η - міцність при розриві, Н/мм, яка для гуми HV 1760/65 складає Η=4,5Н/мм; 1 - Т; 2 - К р). З графіків, показаних на Фіг.4, слідує, що у разі малих кутів нахилу ребер (α