Ограничитель перенапряжений
Аппарат относится к области электротехника, в частности, к устройствам для защиты высоковольтных электрических сетей от перенапряжений. Ограничитель перенапряжений содержит изоляционный корпус с верхним и нижним фланцами, внутри корпуса размещена, по крайней мере, одна колонка варисторов. Под верхним фланцем с помощью экранодержателей расположен электростатический кольцевой экран. Кольцевой экран и экранодержатели объединены в единую, монолитную формообразующую конструкцию, выполненную из лиофобного трекингостойкого полимера, армированного системой алюминиевых проволочных жил, образующих электростатический экран ограничителя.
Аппарат относится к области электротехники, в частности к устройствам для защиты высоковольтных электрических сетей от перенапряжений.
Известно устройство ограничителя перенапряжений, 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 [1].
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.
Известен также ограничитель перенапряжений, принятый в качестве прототипа [2], 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.
Недостатками данного устройства являются значительная масса используемых дорогостоящих полимерных и высокопрочных композиционных материалов, упрочненных армирующими стеклянными волокнами, высокая трудоемкость и стоимость изготовления, обусловленные большим количеством соединений стержневых элементов в конструкции формообразующего каркаса, и необходимостью использования в крупногабаритных экранах высокопрочных дорогих стеклопластиков, а также специальных грязе-влагозащитных трекингостойких покрытий токопроводной металлической облицовки.
Предлагаемое техническое решение направлено на снижение массивности и материалоемкости конструкции электростатического экрана, экранодержателей и ограничителя в целом, на повышение технологичности, 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, смонтированный на корпусе с помощью экранодержателей электростатический кольцевой экран, имеющий прочный стержневой формообразующий каркас из лиофобного материала и токопроводную проволочную систему, образующую электростатический экран, формообразующий каркас выполнен из полимерного трекингостойкого материала, армированного системой параллельных токопроводных, предпочтительно алюминиевых проволочных жил, образующих многожильную электростатическую систему экрана, сонаправленную образующим линиям кольцевого экрана и экранодержателей, причем кольцевой экран и экранодержатели стержневого формообразующего каркаса отформованы в виде
единой монолитной полимерной конструкции, армированной непрерывной многожильной системой токопроводных проволок. Профили поперечных сечений элементов формообразующего каркаса могут быть выполнены прямоугольными, кольцевой экран формообразующего каркаса, по крайней мере, может быть выполнен круглым, предпочтительно полым, с круглым сердечником из диэлектрического материала. Электростатический кольцевой экран может иметь поперечное сечение серповидной формы, образованной двумя симметричными кривыми второго порядка, например гиперболами. Конструкции с несколькими варисторными колонками, размещенными в корпусе параллельно друг другу, имеют кольцевой экран формообразующего каркаса многогранной конфигурации с числом граней равным числу размещенных в корпусе варисторных колонок.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, состоит в следующем:
Использование для производства электростатических экранов ограничителей перенапряжениий лиофобных трекингостойких полимерных материалов, армированных системой токопроводных, в частности, алюминиевых проволочных жил, ориентирует на применение высокоэффективных намоточных пултрузионных технологий и полуфабрикатов, одинаковых для всех типов и классов ограничителей перенапряжений, обеспечивая высокую производительность, автоматизацию и малоотходность производства, высокий уровень и стабильность физико-механических, электротехнических и потребительских свойств готовых аппаратов.
- Стержневой каркас из лиофобного трекингостойкого полимера, армированного системой сонаправленных алюминиевых проволок, представляющего собой жесткий, высокопрочный композиционный материал, обладает высокими физико-механическими,
антикоррозионными, электроизоляционными, влаго-грязезащитными и другими специфическими свойствами, присущими традиционным алюминиевым проводам и полимерным матрицам.
- Стрежневой формообразующий каркас из полимерного армированного алюминиевой проволокой композита при прочих равных условиях позволяет существенно снизить материалоемкость и массу конструкции благодаря высокой прочности, высокого модуля упругости, использования эффекта анизотропии полимернопроволочного композита проволочных полуфабрикатов - жил.
- Благодаря лиофобности полимерных проволочных композитов существенно повышается влаго-грязезащищенность поверхностей электростатического экрана и экранодержателей, а следовательно, существенно улучшаются его эксплуатационные свойства, то есть противостояние обледенению, коррозионному и химическому разрушению, что существенно увеличивает сроки и надежность безаварийной эксплуатации ограничителей перенапряжений в любых климатических и погодных условиях.
- Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показана принципиальная конструкция ограничителя перенапряжений, на фиг.2 -аксонометрическая проекция проволочной токопроводной армирующей системы каркаса электростатического экрана ограничителя перенапряжений, а на фиг.3 - фрагменты перехода токопроводных жил кольцевого электростатического экрана в стержневые элементы экранодержателей формообразующего каркаса. На фиг.4 приведены варианты поперечных сечений стержневых элементов электростатического экрана и экранодержателей.
Позиции на чертеже: 1 - изоляционный корпус, 2 - верхний фланец, 3 -нижний фланец, 4 - кольцевой электростатический экран, 5 - кольцевой электрод, 6 - опорный стержневой экранодержатеь, 7 - подвесной стержневой экранодержатель, 8 - тороидальный сердечник, 9 - опорный узел, 10 -
распорный стержень, 11 - муфта, 12 - проволочная токопроводная армирующая многожильная система формообразующего каркаса электростатического экрана, 13 - токопроводная армирующая проволока, 14 - полимерная матрица, 15 - пенопластовый сердечник, 16 - полый полимерный сердечник.
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, в частности, круглую кольцевую конфигурацию, а экранодержатели б и 7 выполнены в виде прямолинейных стержневых элементов, отформованных заодно с электростатическим экраном и кольцевым электродом, имеющих круглый или прямоугольный профиль. Электростатический экран 4 выполнен в виде тороидального кольцевого стержня, моноблочного или полого изготовлен из лиофобного трекингостойкого полимерного композита, армированного высокопрочными, высокомодульными, токопроводными проволочными жилами из алюминиевой проволоки. Стержневые элементы 6 и 7 экранодержателей выполнены прямолинейными из проволочно-полимерного композита, однонаправленного армирования, что позволяет наиболее эффективно использовать в конструкции механические свойства армирующих токопроводных проволочных жил и анизотропию свойств стержневых элементов, работающих в этом исполнении на чистое растяжение (стержни 7) и чистое сжатие (стержни 6). При этом обеспечивается высокая технологичность, полная автоматизация и низкая трудоемкость их производства совместно с кольцевым электростатическим экраном 4 и кольцевым электродом 5 по методу
вакуумно-компрессионной пропитки сформированной проволочной токопроводной системой. По материалоемкости и массе такие стержневые элементы, при прочих равных условиях, наиболее конкурентны.
Таким образом, тороидальные кольцевые экраны, кольцевой электрод и экранодержатели представляют собой единую монолитную формообразующую и несущую силовую стержневую конструкцию - стержневой каркас из проволочно-полимерного композита (фиг.2), а токопроводная проволочная армирующая система каркаса является одновременно электростатическим экраном ограничителя перенапряжений.
Токопроводная армирующая проволочная система, например, из алюминиевой проволоки круглого или прямоугольного поперечного сечения, образующая электроды электростатического экрана 4 и 5, (Фиг.3) зашунтирована с верхним фланцем 2 ограничителя перенапряжений. Возможны варианты профилей стержневых и кольцевых элементов формообразующего каркаса экрана приведены на фиг.4. Все элементы каркаса могут быть выполнены сплошными из однородного по структуре полимерно-проволочного композита (проволочной арматуры 13 полимерной матрицы 14), могут быть и 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 16, либо жестким пенопластом типа пенополиуретана 15, либо синтактовым пенопластом.
Для повышения жесткости, прочности и надежности функционирования ограничителя в экстремальных условиях эксплуатации положение тороидального экрана относительно оси колонки варисторов дополнительно зафиксировано системой стержневых распорок 10 из электроизоляционного трекингостойкого материала, например, из стеклопластика, облицованного кремнийорганическим полимерным покрытием. Стержневые распорки
зафиксированы и прочно скреплены с полимерной композитной муфтой 11, например из кремнийорганической резины. Муфта 11 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 5 и на муфту 11. 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. SU, а.с. 1152045 А, Н 01 С 8/04. Устройство для защиты от перенапряжений.
2. RU, патент на полезную модель №39969, U1, H 01 С 7/12, 8/04 «Ограничитель перенапряжений», (прототип)
1. Ограничитель перенапряжений, содержащий изоляционный корпус с верхним и нижним токопроводными фланцами, внутри которого размещена, по крайней мере одна колонка варисторов, смонтированный на корпусе с помощью экранодержателей электростатический кольцевой экран, имеющий прочный стержневой формообразующий каркас из лиофобного материала и токопроводную проволочную систему, образующую электростатический экран, отличающийся тем, что формообразующий каркас выполнен из полимерного материала, армированного системой параллельных токопроводных, предпочтительно алюминиевых проволочных жил, образующих многожильную электростатическую систему экрана, сонаправленную образующим линиям кольцевого экрана и экранодержателей, причем кольцевой экран и экранодержатели стержневого формообразующего каркаса отформованы в виде единой, монолитной полимерной конструкции, армированной непрерывной многожильной системой экрана токопроводных проволок.
2. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что профили поперечных сечений элементов формообразующего каркаса выполнены прямоугольными.
3. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что по крайней мере, кольцевой экран формообразующего каркаса выполнен круглым, предпочтительно полым с круглым сердечником из диэлектрического полимерного материала.
4. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что электростатический кольцевой экран имеет поперечное сечение серповидной формы, образованной двумя симметричными кривыми второго порядка, например гиперболами.
5. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что конструкции с несколькими варисторными колонками, размещенными в корпусе параллельно друг другу, имеют кольцевой экран формообразующего каркаса многогранной конфигурации с числом граней, равным числу размещенных в корпусе варисторных колонок.
