Ограничитель перенапряжений

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам для защиты высоковольтных электрических сетей от перенапряжений. Ограничитель перенапряжений, содержит изоляционный корпус с верхним и нижним токопроводными фланцем, внутри которого размещена колонка варисторов, и тороидальный электростатический экран, размещенный под верхним фланцами и укрепленный на нем с помощью экранодержателей. Устройство имеет формообразующий стержневой несущий корпус из полимерного композита, облицованный токопроводной проволочной спиралью, образующей электростатический тороидальный экран, коаксиальное положение которого относительно оси симметрии колонки варисторов фиксируется двумя базовыми опорами.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для защиты высоковольтных электрических сетей от перенапряжений.

Известны устройства ограничителей перенапряжений содержащие изоляционный корпус с верхним и нижним токопроводными фланцами, внутри которого установлена, по крайней мере, одна колонка варисторов, и тороидальный электростатический экран, размещенный под верхним фланцем и укрепленный на нем с помощью экранодержателей [1].

Недостатком известных устройств является неравномерное распределение напряжений вдоль колонки варисторов и, как следствие, ограниченный срок ее службы. При этом тороидальный электростатический

экран и трубчатые экранодержатели достаточно массивны, материалоемки и относительно трудоемки в изготовлении; консольное размещение экрана на корпусе ограничителя перенапряжений приводит к необходимости существенно повышать изгибную жесткость корпуса, а следовательно, его материалоемкость, трудоемкость изготовления и стоимость.

Известно устройство ограничителя перенапряжений, принятое в качестве прототипа, содержащее изоляционный корпус с нижним и верхним фланцами, колонку варисторов расположенную в корпусе и электростатический экран в виде тороида с кольцевым электродом, укрепленным под верхним фланцем с помощью экранодержателей [2].

Наличие паразитных емкостей варисторов на землю приводит к неравномерному распределению напряжения вдоль колонки варисторов, что вызывает ускоренное старение варисторов, находящихся в области повышенной напряженности электрического поля.

При достижении некоторого предельного изменения характеристик варисторов в результате их старения происходит выход варисторов и ограничителя перенапряжений в целом из строя. Использование тороидального экрана приводит к улучшению распределения напряжения вдоль устройства и является традиционным способом обеспечения нормальной работы верхних наиболее нагруженных по напряжению варисторов ограничителя. Использование кольцевого электрода выше верхнего фланца приводит к выравниванию распределения напряжения в верхней части аппарата, что уменьшает максимальную напряженность электрического поля вдоль колонки варисторов и увеличивает срок службы ограничителя в длительном эксплуатационном режиме.

Недостатками данного устройства являются высокие металлоемкость, масса и парусность конструкции экрана, большие изгибающие нагрузки, действующие на корпус ограничителя, наличие инерционных сил и вибраций, что приводит к необходимости повышения прочности и жесткости

корпуса, а следовательно, к повышению его массы, трудоемкости и себестоимости. Высокая коррозия металлических элементов в агрессивных атмосферах приводит к потере прочности конструкции и к аварийным ситуациям при ее разрушении.

Изобретение направлено на снижение массивности и материалоемкости конструкции электростатического экрана, экранодержателей и ограничителя в целом, на повышение прочности, надежности и долговечности устройства.

Указанные недостатки известного устройства устраняются тем, что ограничитель перенапряжений содержит изоляционный корпус с верхним и нижним токопроводными фланцами, внутри которого размещена, по крайней мере, одна колонка варисторов, и тороидальный электростатический экран, размещенный под верхним фланцем и укрепленный на нем с помощью экранодержателей, электростатический экран имеет стержневой формообразующий прочный упругий каркас, прямые, криволинейные и тороидальные стрержневые элементы которого выполнены из прочного упругого лиофобного материала, предпочтительно полимерного композита и токопроводную металлическую облицовку, предпочтительно из алюминиевой проволоки, в виде винтовой облицовочной спирали, причем тороидальный стержень экрана зафиксирован коаксиально колонке варисторов системой распорных стержней из электроизоляционного трекингостойкого лиофобного материала. Стержневые элементы могут быть выполнены полыми круглого, овального или многоугольного поперечного сечения. Внутренняя полость стержневых элементов для предотвращения их овализации и местной потери устойчивости, может быть заполнена жестким электроизоляционным пеноматериалом, либо эластичным пеноматериалом, когда требуется придать стержневым элемента относительно высокую упругую податливость и повышенные демпфирующие качества, либо системой сонаправленных оси стержневого элемента армирующих волокон

из электроизоляционного материала, склеенных между собой адгезивом из электроизоляционного полимерного материала, например эпоксидным клеем холодного отверждения. Токопроводная облицовка каркаса может быть выполнена одножильными витками проволоки круглого или прямоугольного поперечного сечения, уложенными вдоль оси стержня с зазорами между соседними витками спирали. Для повышения антикоррозионной стойкости и влагогрязезащищенности экрана одножильная или многожильная проволочная спираль имеет влагогрязезащитную оболочку из лиофобного материала.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, выражается в следующем:

- Использование для производства электростатических экранов ограничителей перенапряжений современных материалов с проектируемыми свойствами, высокоэффективных технологий и полуфабрикатов обеспечивает высокую их производственную и эксплуатационную технологичность, в частности, минимальную номенклатуру исходных полуфабрикатов одинаковую для всех типов и классов ограничителей напряжений, высокую производительность, автоматизацию и малоотходность производства, высокий уровень и стабильность физико-механических, электротехничесих и потребительских свойств готовых аппаратов.

- Стержневой каркас из современных полимерных композитов, обладающих высокими физико-механическими, антикоррозионными, электроизоляционными, лиофобными и другими специфическими свойствами, неприсущими традиционным алюминиевым и другим металлическим материалам, используемым в электротехнических аппаратах, обеспечивает высокую прочность, жесткость и упругое поведение конструкции ограничителя, то есть устойчивое и надежное безаварийное состояние его в экстремальных эксплуатационных условиях.

- Стержневой каркас из полимерных композитов при прочих равных условиях позволяет существенно снизить материалоемкость и массу конструкции благодаря более высокой прочности, высокого модуля упругости, использования эффекта анизотропии волокнистых композитов и проволочных полуфабрикатов металлической спиральной облицовки, особенно при укладке проволочных витков спирали на поверхности стержневых элементов каркаса с зазорами.

- Благодаря лиофобности полимерных композитов существенно повышается влагогрязезащищенность поверхностей электростатического экрана и экранодержателей, а следовательно, существенно улучшаются его эксплуатационные свойства, то есть противостояние обледенению, коррозионному, эрозионному и химическому разрушению, что существенно увеличивает сроки и надежность безаварийной эксплуатации ограничителей перенапряжений в любых климатических и погодных условиях.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная конструкция ограничителя перенапряжений, на фиг.2 - аксонометрическая проекция стержневого каркаса электростатического экрана ограничителя перенапряжений, а на фиг.3 - горизонтальная проекция электростатического экрана. На фиг.4 приведены варианты поперечных сечений стержневых элементов электростатического экрана и экранодержателей в сечениях А-А, показанных на фиг.3. На фиг.5 изображены варианты тороидальных электростатических экранов, выполненных в виде спиральной проволочной облицовки тороидальных стержней каркаса (см. место 1 на фиг.3). На фиг.6 приведены варианты секционных заготовок спирально-винтовых проволочных облицовок, а на фиг.7 изображены фрагменты кольцевых стержневых экранов, облицованных спиральными проволочными секциями.

Позиции на чертеже: 1 - изоляционный корпус, 2 - верхний фланец, 3 -нижний фланец, 4 - тороидальный электростатический экран, 5 - кольцевой

электрод, 6 - опорный стержневой экранодержатель, 7 - подвесной стержневой экранодержатель, 8 - тороидальный стержень, 9 - кольцевой стержень, 10 - втулка, 11 - распорный стержень, 12 - муфта, 13 - заполнитель.

На фиг.1 изображено многомодульное устройство ограничителя перенапряжений, содержащего изоляционный корпус 1, выполненный по крайне мере из двух состыкованных соосно модулей, верхний токопроводный металлический фланец 2 и нижний опорный металлический фланец 3, выполненные предпочтительно из алюминиевого сплава, и электростатический экран 4 с кольцевым электродом 5, которые скреплены и зашунтованы друг с другом и с верхним фланцем 2 стержневыми экранодержателями 6 и 7. В корпусе 1 размещена по крайней мере, одна вертикальная колонка варисторов.

Электростатический экран 4 и кольцевой электрод 5 имеют тороидальную конфигурацию, а экранодержатели 6 и 7 выполнены в виде прямолинейных стержневых элементов.

Электростатический экран 4 выполнен в виде тороидального кольцевого стержня, моноблочного или составного, состоящего из состыкованных стержневых секторов, и изготовлен из полимерного композита, например, из стеклопластика или лиофобного полимера, армированного высокопрочным, высокомодульным волокном, в частности, стеклянным или арамидным волокном. Стержневые элементы 6 и 7 экранодержателей выполнены прямолинейными из полимерного композита, предпочтительно однонаправленного стеклопластика, что позволяет наиболее эффективно использовать в конструкции механические свойства армирующих волокон и анизотропию свойств стержневых элементов, работающих в этом исполнении на чистое растяжение (стержни 7) и чистое сжатие (стержни 6). При этом обеспечивается высокая технологичность стержней, полная автоматизация и низкая трудоемкость их производства по

методу пултрузии. По материалоемкости и массе такие стержневые элементы, при прочих равных условиях, наиболее конкурентны.

Тороидальные, кольцевые, криволинейные стержневые элементы экрана 8, электрода 9, экранодержателей 6 и 7 и монтажно-установочного кольца 10 собраны в единую формообразующую несущую силовую стержневую конструкцию - стержневой каркас (фиг.2). Стержневые элементы стержневого каркаса прочно скреплены между собой с помощью штифто-клеевых соединений или другим известным образом.

Стержневые элементы каркаса облицованы витками токопроводной металлической спирали, например, из алюминиевой проволоки круглого или прямоугольного поперечного сечения, образующей электростатическую облицовку, т.е. электроды электростатического экрана 4 и 5, а также их токопроводное соединение между собой и с монтажно-установочным кольцом 10, зашунтированным с верхним фланцем 2 ограничителя перенапряжений (фиг.3). Возможные варианты профилей стержневых конструкций в сечениях А-А (фиг.3) приведены на фиг.4. Стержневые элементы каркаса могут быть выполнены сплошными из однородного по структуре полимерного композита, могут быть полыми. Причем для повышения жесткости стержней, работающих на продольное сжатие, или испытывающих кроме растягивающих нагрузок значительные изгибающие воздействия, полости полых стержней желательно заполнять легким жестким материалом, например, полимером типа полиэтилена, либо жестким пенопластом типа пенополиуретана, либо синтактовым пенопластом. Если полый стержень выполнен из термопластичного полимера, то его полость должна быть заполнена однонаправленным композитом, например, эпоксидным стеклопластиком с продольной ориентацией армирующих стеклянных волокон.

Тороидальный электростатический экран имеет полный формообразующий тороидальный несущий силовой стержень 8,

облицованный винтовой спиралью 4 из одножильной или многожильной алюминиевой проволоки (фиг.5). В случае, если формообразующий стержень 8 выполнен из термопластичного полимера, или имеет очень тонкую тороидальную стенку из полимерного композита, полость формообразующего тороидного стержня должна быть заполнена жестким прочным заполнителем типа синтактовой пены 13 или однонаправленного полимерного композита, армированного, например, органическим волокном. Облицовка электростатического экрана может быть выполнена в виде непрерывной гибкой винтовой проволочной спирали, охватывающей тороидальный формообразующий стержень, либо в виде спиральных проволочных секций с линейными концами (фиг.6), переходящими на стержневые элементы экранодержателей 6 и 7 и на монтажно-установочное кольцо 10, шунтируя спиральную электростатическую облицовку экрана 9 и электрода 5 с кольцом 10 и с верхним фланцем 2.

Для повышения влаго-грязезащищенности экрана и электрода токопроводные проволочные жилы могут быть облицованы защитной оболочкой из химически стойкого полимерного материала, например, фторопласта.

Для повышения жесткости, прочности и надежности функционирования ограничителя в экстремальных условиях эксплуатации положение тороидального экрана относительно оси колонки варисторов дополнительно зафиксировано системой стержневых распорок 11 из электроизоляционного трекингостойкого материала, например, из стеклопластика, облицованного кремнийорганическим полимерным покрытием. Стержневые распорки зафиксированы и прочно скреплены с полимерной композитной втулкой 12, скрепляющей состыкованные модули ограничителя. Однако втулка 12 может быть выполнена составной, из двух или более сегментов, охватывающей непосредственно изоляционный корпус ограничителя 1 через его оребренную трекингостойкую покрышку.

При действии ветровой нагрузки, а также усилий тяжения и обледенения проводов интегральное боковое воздействие этих сил на корпус ограничителя перераспределяется с помощью стежневого каркаса и стержневых распорок на два опорных элемента: на кольцо 10 и на втулку 12. Благодаря этому верхний модуль ограничителя оказывается заделанным в жесткий стержневой каркас, и его изгибные деформации практически заблокированы или сведены до пренебрежимо малых величин. Величина же изгибающего момента, действующего на нижние модули корпуса ограничителя, значительно уменьшается, поскольку плечо этого момента уменьшается соответственно на высоту верхнего заблокированного модуля ограничителя. Таким образом изгибная деформация нижних модулей корпуса ограничителя также соответственно уменьшаются.

Источники информации:

1.Ограничители перенапряжений нелинейных типов ОПН-110У1 -ОПН-500У1. Каталог. «Информэлектро», 1980.

2. SU, a.c. 1152045 А, Н 01 С 8/04. Устройство для защиты от перенапряжений, (прототип).

1. Ограничитель перенапряжений, содержащий изоляционный корпус с верхним и нижним токопроводными фланцами, внутри которого размещена по крайней мере одна колонка варисторов, и тороидальный электростатический экран, размещенный под верхним фланцем и укрепленный на нем с помощью экранодержателей, отличающийся тем, что электростатический экран имеет стержневой формообразующий, прочный упругий каркас, прямые, криволинейные и тороидальные стержневые элементы которого выполнены из прочного упругого лиофобного материала, предпочтительно полимерного композита, и токопроводную металлическую облицовку, предпочтительно из алюминиевой проволоки, в виде винтовой облицовочной спирали, причем тороидальный стержень экрана зафиксирован коаксиально колонке варисторов системой распорных стержней из электроизоляционного трекингостойкого лиофобного материала.

2. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что токопроводная облицовка каркаса выполнена одножильными витками проволоки, уложенными вдоль оси стержня с зазорами между соседними витками.

3. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что проволочная спираль облицовки имеет влаго-грязезащитную оболочку из лиофобного материала.

4. Ограничитель перенапряжений по п. 1, отличающийся тем, что стержневые элементы выполнены полыми.

5. Ограничитель перенапряжений по п.4, отличающийся тем, что внутренняя полость стержневых элементов заполнена жестким электроизоляционным пеноматериалом.

6. Ограничитель перенапряжений по п.4, отличающийся тем, что внутренняя полость стержневых элементов заполнена эластичным электроизоляционным пеноматериалом.

7. Ограничитель перенапряжений по п.4, отличающийся тем, что внутренняя полость стержневых элементов заполнена системой сонаправленных оси армирующих волокон из электроизоляционного материала, склеенными между собой адгезивом из электроизоляционного полимерного материала.