КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИЙ ПРОХОДНОЙ ИЗОЛЯТОР Российский патент 2008 года по МПК H01B17/26 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным проходным изоляторам (вводам) воздушных линий электропередачи, кабельных линий, распределительных устройств на напряжение преимущественно 6-110 кВ.

Предшествующий уровень техники

Традиционно проходные изоляторы изготавливаются из керамических материалов и предназначены для ввода электрического тока в устройства или внутрь помещения. Проходные изоляторы соединяют внешние и внутренние стороны таких установок, выполняют фиксаторную опорную роль для токоведущей системы и одновременно ее изоляции от стен помещения или стенок устройства. Проходные изоляторы должны быть также механически прочными и герметичными, чтобы выдерживать нагрузки натяжения проводов при ветре и коротких замыканиях.

С развитием новых полимерных материалов появилась возможность изготовления проходных изоляторов из некерамических материалов. Известен проходной изолятор GB 2289803, 29.11.1995, состоящий из центрального токопроводящего стержня, изоляции из полимерного материала или резины, опорной втулки из стеклопластика, посредством которой изолятор крепится к стенке внешнего оборудования или стене. Недостатком данного устройства является низкая прочность при изгибе, так как опорная втулка из стеклопластика имеет длину вдоль токопроводящего стержня, много меньшую чем длина стержня. В результате при приложении силы к концу токопроводящего стержня перпендикулярно направлению стержня на опорную шайбу будет действовать в соответствии с правилом рычага сила, в несколько раз большая. Учитывая, что эта сила передается через слой полимера или эластичной резины на стеклопластиковую опорную втулку, даже при малых значениях силы конец токопроводящего стержня отклоняется от первоначального значения на большие углы, не допустимые для нормальной эксплуатации. На рисунке, сопровождающем этот патент, длина опорной втулки не более одной пятой части от длины токопроводящего стержня. Расчет показывает, что при нормальном усилии 12.5 кН, приложенном к концу стержня, усилие на стеклопластиковую втулку составит величину, в пять раз большую, около 60 кН. Такую нагрузку стеклопластиковая втулка может не выдержать. Также эта конструкция при больших напряжениях и токах имеет существенные недостатки, из-за неравномерности электрического поля. Неравномерность поля связана с тем, что опорная втулка, контактирующая с заземленной обычно стенкой внешнего оборудования или стеной здания, выполнена из диэлектрического стеклопластикового материала. Это создает концентрацию электрического поля в месте крепления изолятора к заземленной конструкции и приводит к быстрому разрушению его в процессе эксплуатации.

Указанный последний недостаток устранен в конструкции, являющейся наиболее близким аналогом, - RU 2195032. В этом проходном изоляторе (вводе) для целей выравнивания электрического поля, создаваемого центральным электропроводящим стержнем, введен трубчатый элемент из электропроводящей резины с удельным объемным электрическим сопротивлением - 10-40 Ом*см, электрически контактирующий с опорной втулкой и через нее с внешней заземленной конструкцией. Недостатком этого изолятора также является малая механическая прочность из-за малого размера опорной втулки.

Цели изобретения

Задача изобретения состоит в создании проходного изолятора высокого напряжения с повышенными электрическими и механическими характеристиками, уменьшенной материалоемкостью, высокой термостойкостью и стойкостью к термическим ударам, повышенной надежностью во всех климатических условиях.

Описание и пример реализации

Технический результат достигается тем, что проходной изолятор высокого напряжения содержит токопроводящий стержень, изоляцию из кремнийорганической резины и опорную втулку из электропроводного и немагнитного материала, коаксиально охватывающую изоляцию. Опорная втулка выполнена в виде цилиндра или конуса с горообразными закруглениями торцов, исполняющими роль экранов для снижения напряженности электрического поля, и креплением (фланцем) в середине втулки для монтажа к стенке внешней конструкции или стене здания, причем изоляция может заходить на опорную втулку и иметь радиальные внешние ребра. Использование металла для опорной втулки увеличивает прочность всего изолятора и делает технически легким его присоединение к внешним конструкциям. Нагрузка от токопроводящего стержня передается на опорную металлическую втулку через кремнийорганическую резину. Так как втулка имеет больший диаметр, чем токопроводящий стержень, она является основным силовым элементом изолятора. Материалом токопроводящего стержня может быть любой металл, имеющий малый коэффициент электрического сопротивления, с любой механической прочностью. В большинстве металлы, имеющие малый коэффициент электрического сопротивления, имеют низкую механическую прочность и высокую стоимость, например алюминий, медь, серебро. В предлагаемой конструкции токопроводящий стержень не несет механической нагрузки, поэтому может быть достаточно тонким и выполнен из дорогого металла. Материалом опорной втулки является достаточно прочный немагнитный металл, например нержавеющая сталь. Использование немагнитного материала позволяет сократить потери электроэнергии на перемагничивание, которое возникает в замкнутых контурах из магнитных материалов при внесении их в поле переменного электрического тока, и как следствие нагрев круговыми токами Фуко. Использование металла для опорной втулки позволяет снизить стоимость, в сравнении со стеклопластиком, упростить изготовление, увеличить надежность изолятора в целом. Также использование металла позволяет применять при изготовлении изолятора традиционные широко распространенные методы обработки, такие как прессование, гибка, сварка, или применить при изготовлении серийно выпускающиеся металлические трубы. Сокращение деталей изолятора до трех и использование в изоляторе только двух типов материалов (металла и кремнийорганической резины) увеличивает надежность и срок эксплуатации изолятора. Так как кремнийорганическая резина имеет гарантированный срок эксплуатации более 30 лет, то при использовании в качестве материала для стержня и опорной втулки некорродирующего алюминия следует ожидать гарантированного срока эксплуатации всего изолятора более 30 лет. Кроме этого по вышеуказанным причинам изолятор очень устойчив к термическим воздействиям, в том числе к резким перепадам температуры до 350 градусов, что на порядок больше, чем у известных изоляторов. Термическая стойкость изолятора ограничена только температурой стойкости кремнийорганической резины (около 350 градусов Цельсия) или температурой плавления металла. Стойкость к перепадам определяется тем, что изолятор не имеет твердых деталей, контактирующих друг с другом, из разных материалов, имеющих разные коэффициенты термического расширения. Между двумя деталями из металла располагается эластичная изоляция из резины, которая компенсирует все термические расширения. Кремнийорганическая резина в качестве материала изоляции позволяет изготавливать внутреннюю изоляцию и внешние ребра как одно целое. Это возможно в результате уникальных свойств кремнийорганической резины: высокое значение напряжения пробоя для внутренней изоляции, высокая трекингостойкость и гидрофобность для внешней изоляции. Способность кремнийорганической резины отталкивать загрязнения в сравнении с традиционными фарфором и стеклом позволяет эксплуатировать изоляторы на открытых распределительных устройствах с большим количеством атмосферных загрязнений без перекрытия электрической дугой по поверхности изолятора.

Упругие свойства изолятора и отсутствие хрупких деталей позволяют транспортировать изоляторы без боя. Отсутствие фарфоровой детали исключает хрупкую поломку изолятора и возможность падения провода. Даже при превышении изгибающих нагрузок больше нормированных деформируется металл опорной втулки и стержня, изолятор изогнется, но стержень будет изолирован от втулки, и изолятор будет продолжать работать. Уменьшение веса изолятора дает экономию на транспортных расходах.

Процесс изготовления предлагаемого проходного изолятора сводится к одной операции: литью резиновой изоляции в форме с предварительно помещенными туда, в виде закладных деталей, токопроводящим стержнем и опорной втулкой, с последующей вулканизацией резины. Форма для литья может предусматривать формирование внешних ребер поверх опорной втулки. В случае применения технологии прямого или конверсионного прессования твердой нелитьевой кремнийорганической резины процесс изготовления сводится к трем операциям: прессование на стержне изоляции с ребрами и последующей вулканизацией резины, одевание на изоляцию опорной втулки, закрепление опорной втулки на изоляторе посредством равномерного радиального обжатия втулки около краев, не затрагивая закругленных экранов.

В сравнении с технологией изготовления фарфоровых изоляторов время изготовления предлагаемого изолятора снижено, как минимум, в 7-8 раз, и не менее чем 1.5 раза в сравнении с прототипом. С учетом снижения материалоемкости в сравнении с фарфоровыми стоимость изготовления изолятора ниже фарфоровых. Одновременно с этим данное решение позволило достичь увеличения надежности, электрической и механической прочности изолятора.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 представлена конструкция проходного изолятора, содержащего электропроводящий стержень (1), изоляцию (2), опорную втулку (3), изготовленного методом прямого прессования и вулканизации кремнийорганической резины, одеванием опорной втулки с элементами крепления изолятора к стене, радиальным обжатием опорной втулки около краев.

На фиг.2 представлена конструкция проходного изолятора, изготовленного как на фиг.1, при этом опорная втулка имеет на концах закругления в виде экранов.

На фиг.3 представлена конструкция проходного изолятора, изготовленного методом литья жидкой резины в форму, при этом часть изоляции (2) заходит на внешнюю сторону опорной втулки (3) для увеличения длины пути утечки тока от электропроводящего стержня до опорной заземленной втулки (3) по изоляционной поверхности из трекингостойкой кремнийорганической резины.

На фиг.4 представлена конструкция проходного изолятора, изготовленного методом литья резины в форму, при этом опорная металлическая втулка (З) имеет тороидальные закругления, а изоляция (2) заходит на внешнюю сторону опорной втулки (3) и образует концентрические ребра (4).

Реализация изобретения

На предприятии-заявителе были спроектированы и изготовлены опытные образцы предлагаемых изоляторов на напряжение 10 кВ, токи 630 А и минимальной разрушающей нагрузкой 7.5 кН. При изготовлении полимерных проходных изоляторов на достаточно малые напряжения и токи основной проблемой является значительное удорожание изолятора в сравнении с фарфоровым аналогом. Поэтому для опытных образцов были выбраны именно эти параметры проходного изолятора. Благодаря большой прочности силиконовой резины на пробой изоляторы имели малые габариты. Внешний диаметр изолятора был в 4 раза меньше диаметра фарфорового проходного изолятора на такое же напряжение. В отличие от прототипа изолятор выдержал перепады температур более 340 градусов (от -70°С до +270°С), это объяснялось отсутствием в конструкции стеклопластика и других полимеров кроме силикона. Изоляторы выдержали испытания токами короткого замыкания, испытания грозовым импульсом напряжения, испытания на пробой. Кроме этого изоляторы подтвердили высокую герметичность ввода электроэнергии, что особенно актуально для нужд атомной электроэнергетики.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высоковольтным проходным изоляторам (вводам) воздушных линий электропередачи, кабельных линий, распределительных устройств на напряжение преимущественно 6-110 кВ. Проходной изолятор содержит токопроводящий стержень, изоляцию и опорную втулку из электропроводного и немагнитного материала, причем изоляционное тело выполнено из кремнийорганической резины и запрессовано между токопроводящим стержнем и опорной металлической втулкой. Опорная втулка выполнена в виде цилиндра или конуса с горообразными закруглениями торцов, исполняющими роль экранов для снижения напряженности электрического поля, и креплением (фланцем) в середине втулки для монтажа к стенке внешней конструкции или стене здания, причем изоляция может заходить на опорную втулку и иметь радиальные внешние ребра. Техническим результатом является повышение электрических и механических характеристик, уменьшение материалоемкости, повышение термостойкости и стойкости к термическим ударам, повышение надежности во всех климатических условиях. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Проходной изолятор, содержащий токопроводящий металлический стержень, изоляционное тело, опорную втулку, коаксиально охватывающую изоляционное тело, отличающийся тем, что изоляционное тело выполнено из кремнийорганической резины и запрессовано между токопроводящим металлическим стержнем и опорной втулкой из немагнитного металла.2. Проходной изолятор по п.1, отличающийся тем, что опорная втулка на торцах имеет закругления наружу, в виде сегмента тороидов, в качестве экранов для снижения напряженности электрического поля на торцах опорной втулки.3. Проходной изолятор по п.1 или 2, отличающийся тем, что изоляция из кремнийорганической резины не только изолирует электропроводящий стержень и опорную втулку, но и заходит на внешнюю сторону опорной втулки.4. Проходной изолятор по п.3, отличающийся тем, что изоляция из кремнийорганической резины, заходящая на внешнюю сторону опорной втулки, выполнена в виде концентрических ребер.5. Проходной изолятор по п.4, отличающийся тем, что концентрические ребра изготовлены отдельно и при изготовлении приклеены к изоляции с образованием без зазоров неразъемной одной детали.