ограничитель перенапряжений

Формула изобретения

1. Ограничитель перенапряжений, состоящий, по крайней мере, из одного модуля, содержащего корпусную изоляционную трубу из композиционного материала, облицованную трекингозащитной ребристой покрышкой, закрепленные на ее концах стаканообразные металлические электроды с центральным резьбовым отверстием в днище и размещенную в ее полости колонку состыкованных с поджатием варисторных дисков, зашпунтованную с электродами через токопроводную компенсационную шайбу, отличающийся тем, что стаканообразные металлические электроды имеют ступицы, обращенные внутрь стакана и образующие с его стенкой глубокие кольцевые пазы, в которых утоплены перфорированные концы корпусной изоляционной трубы, в стенке и ступице каждого электрода имеются радиальные отверстия, соосные между собой и с отверстиями перфораций на утопленных концах корпусной трубы, в которых размещены и зафиксированы радиальные штифты, скрепляющие электроды с корпусной трубой; между токопроводной компенсационной шайбой и торцом ступицы, по крайней мере, верхнего электрода расположен упругий компенсационный диск из токопроводного упругого эластичного материала, коэффициент термического расширения у которого выше, чем у композиционного материала корпусной трубы; в резьбовом отверстии ступицы верхнего электрода установлена монтажно-поджимная шпилька, предназначенная для создания и регулирования нормированного усилия поджатия варисторных дисков через токопроводную компенсационную шайбу; в ступице электрода, по крайней мере, одно радиальное отверстие выполнено сквозным и имеет резьбу, в этом отверстии установлен стопорный винт, фиксирующий положение монтажно-поджимной шпильки и нормированное усилие поджима варисторных дисков; варисторные диски, компенсационные шайбы и упругий компенсационный диск сцентрированы в цилиндрическую осесимметричную колонку и жестко зафиксированы радиальным натягом сеточного рукава из спирально-перекрестных непрерывных нитей, охватывающих своими петлевыми кромочными образованиями радиальные штифты, скрепляющие электроды с корпусной трубой, а зазор между ее внутренней поверхностью и осесимметричной варисторной колонкой заполнен теплопроводным электроизоляционным компаундом.

2. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что корпусная изоляционная труба модуля ограничителя выполнена из композиционного волокнистого материала, полученного намоткой непрерывного, стекловолокнистого жгута, пропитанного полимерным связующим, под углом +/-(30-60°), образующего на концах петлевые образования для установки в них соединительных штифтов.

3. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что корпусная изоляционная труба выполнена из стеклотекстолита, полученного прямой намоткой пропитанной полимерным связующим стеклоткани, и имеет в стенке систему сквозных однонаправленных прорезов, выполненных под углом к образующеей.

4. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что сеточный рукав выполнен из непрерывных спиральных нитей, образующих ромбические ячейки, скрепленные в точках пересечения спиралей.

5. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что сеточный рукав выполнен из термоусадочных непрерывных нитей, длина которых уменьшается при повышении температуры.

6. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что между нитями сеточного рукава и образующими варисторных дисков и компенсационных шайб проложена, по крайней мере, одна упругая полоса из электроизоляционного материала, например эпоксидного стеклопластика.

7. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что между нитями сеточного рукава и образующими варисторных дисков и компенсационных шайб расположена полимерная обечайка из кремнийорганической резины с косым винтовым разрезом цилиндрической стенки.

8. Ограничитель перенапряжений по п.7, отличающийся тем, что полимерная обечайка имеет пилообразный разрез цилиндрической стенки.

9. Ограничитель перенапряжений по п.4, отличающийся тем, что сеточный рукав выполнен из непрерывных арамидных нитей, пропитанных полимерным связующим, например эпоксидным.

10. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что петельная кайма сеточного рукава выполнена пружинящей из модульных упругих нитей, пропитанных эпоксидным связующим, в форме трапецеидальных петлевых образований.

11. Ограничитель перенапряжений по п.1, отличающийся тем, что токопроводящий упругий компенсационный диск выполнен из металлонаполненной резины, причем металлические включения выполнены либо из проволоки, сформированную в упругую винтовую спираль, выходящую своими витками на торцевые поверхности и образующую систему контактных электропроводных точек.

12. Ограничитель перенапряжений по п.11, отличающийся тем, что металлические включения выполнены в виде гофрированной ленты, свернутой в кольцо и выступающей вершинами гофр на торцевые поверхности упругой компенсационной шайбы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты изоляции высоковольтного оборудования электрических сетей и станций от атмосферных и кратковременных коммутационных перенапряжений.

Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее колонку варисторов, размещенную между двумя концевыми электродами в изоляционном каркасе, расположенном в наружной полимерной оболочке с ребрами. Изоляционный каркас содержит по меньшей мере три продольных ребра жесткости из стеклопластика, соединенных перемычками, образующими на боковой поверхности каркаса окна, при этом каркас снабжен эластичной оболочкой, выполненной, например, из кремнийорганичской резины [1].

Недостатком известного устройства является его низкая жесткость и прочность при изгибе, что существенно ограничивает допустимую безопасную высоту конструкции опорного ограничителя перенапряжений, а следовательно, длительно допустимые рабочие напряжения таких устройств. Продольно ориентированные стекловолокна в продольных ребрах жесткости изоляционного каркаса под действием ветровой нагрузки или усилий тяжения теряют устойчивость, что приводит к повышению изгибных перемещений каркаса, к расстыковке варисторных дисков и снижению защитных и ресурсных характеристик ограничителя. Повышенные изгибные перемещения каркаса способствуют отслоению кремнийорганической эластичной оболочки от поверхности стеклопластиковых ребер жесткости и образованию внутренних продольных каналов утечки с минимальной длиной пути утечки и разрядных интервалов. В случае взрывного характера разрушения, обусловленного интенсивным притоком газов термического разложения эластичной оболочки и полимерного изоляционного корпуса, вероятность и опасность радиального разлета осколков разрушающихся варисторных дисков очень велики.

Известен также разрядник для защиты от перенапряжения [2], принятый в качестве прототипа, который содержит пакет из нескольких варисторных дисков, установленных друг за другом в осевом направлении между верхним и нижним концевыми электродами и окруженных удлиненным электроизоляционным наружным кожухом из резины или другого полимерного материала, причем концевые электроды соединены друг с другом с помощью стягивающих элементов в виде, по меньшей мере, трех хомутов из неприрывно намотанной пряди изоляционного материала для достижения требуемого контактного давления в пакете варисторных дисков. Устройство имеет осевой стержень, выступающий от нижнего концевого электрода и осуществляющий контакт с прижимной токопроводной шайбой, и содержит также винт для создания предварительного натяжения в пакете варисторных дисков. Между прижимной шайбой и концевым электродом установлена упругая электроизоляционная пластина.

Существенным недостатком данного устройства является то, что при воздействии на него сильных ветровых нагрузок, усилий тяжения и других факторов, вызывающих изгиб конструкции, возникает мощная концентрация контактных напряжений на кромках торцевых поверхностей состыковывания варисторных дисков, которая может явиться причиной их скола или смятия с вытекающими негативными последствиями. С другой стороны, при действии внешней боковой нагрузки варисторная колонка подвержена сильным деформациям поперечного сдвига, способствующего отслоению варисторных дисков от электроизоляционного резинового или полимерного кожуха и образованию каналов утечки и внутренних разрядных промежутков. Изгибная жесткость конструкции модуля разрядника обеспечиваеся механическими свойствами варисторных дисков, что вызывает опасность их разрушения при действии различных природных силовых факторов на устройство в целом. Поэтому предельные продольные размеры модулей разрядника существенно ограничены. При разрушении в экстремальной ситуации хотя бы одного варисторного диска натяжение стягивающих хомутов падает или исчезает вовсе. Тогда возникает опасность сламывания многомодульной конструкции, и опасность разлета осколков разрушенных варисторов и других деталей становится реальной с высокой степенью вероятности.

Изобретение направлено на усовершенствование конструкции и повышение взрывобезопасности ограничителя перенапряжений. Указанные недостатки известной конструкции устраняются тем, что ограничитель перенапряжений состоит, по крайней мере, из одного модуля, который содержит корпусную изоляционную трубу из композиционного материала, облицованную трекингозащитной ребристой покрышкой, закрепленные на ее концах стаканообразные металлические электроды с центральным резьбовым отверстием в днище и размещенную в ее полости колонку состыкованных с поджатием варисторных дисков, зашпунтованную с электрдами через токопроводную компенсационную шайбу; стаконообразные металлические электроды имеют ступицы, обращенные внутрь стакана, и образуют с его стенкой глубокие кольцевые пазы, в которых утоплены перфорированные концы корпусной изоляционной трубы; в стенке и ступице каждого электрода имеются радиальные отверстия, соосные отверстиям перфораций на утопленных концах корпусной трубы, в которых размещены и зафиксированы радиальные штифты, скрепляющие электроды с корпусной трубой; между токопроводной компенсационной шайбой и торцем ступицы, по крайней мере, верхнего электрода расположен упругий компенсационный диск из токоприводного упругого эластичного маетриала, коэффициент термического расширения у которого выше, чем у композиционного материала корпусной трубы; в резьбовом отверстии ступицы верхнего электрода установлена монтажно-поджимная шпилька, предназначенная для создания и регулирования нормированного усилия поджатия варисторных дисков через токоприводную компенсационную шайбу; в стпице электрода, по крайней мере, одно радиальное отверстие выполнено сквозным и имеет резьбу, в этом отверстии установлен стопорный винт, фиксирующий положение монтажно-поджимной шпильки и нормированное усилие поджима варисторных дисков; варисторные диски, компенсационные шайбы и упругий компенсационный диск сцентрированы в цилиндрическую осесимметричную колонку и жестко зафиксированы радиальным натягом сеточного рукава из спирально-перекрестных неприрывных нитей, охватывающих своими петлевыми кромочными образованиями радиальные штифты, скрепляющие электроды с корпусной трубой, причем сетчатый рукав предпочтительно расположен внутри корпусной трубы, а зазор между ее внутренней поверхностью и осесимметиричной варисторной колонкой заполнен теплопроводным электроизоляционным полимерным компаундом.

Корпусная изоляционная труба модуля органичителя перенапряжений может быть выполнена из композиционного волокнистого материала, полученного намоткой неприрывного, напрмер, стекловрлокнистого жгута, пропитанного полимерным свзязующим, под углом +/-(30°-60°), предпочтительно под углом +/-45°, образующего на концах петлевую кайму для установки в ее петли соединительных штифтов. Корпусная изоляционная труба может быть выполнена из стелотекстолита, полученного прямой намоткой пропитанной полимерным связующим стеклоткани, и иметь в стенке систему однонаправленных прорезов, выполненных под углом 45°-60° к образующей. Сеточный рукав может быть выполнен из непрерывных спиральных нитей, образующих ромбические ячейки по типу сети Чебышева. Сеточный рукав может быть выполнен из термоусадочных непрерывных нитей, длина которых уменьшается при повышении температуры. Между нитями сеточного рукава и образующими варисторных дисков, а также компенсационных шайб проложена, по крайней мере, одна упругая полоса из электроизоляционного материала, например из эпоксидного стеклопластика. Между нитями сеточного рукава и образующими варисторных дисков и компенсационных шайб расположена полимерная обечайка, например из кремнийорганической резины с продольным или с косым винтовым, или с пилообразным разрезом цилиндрической стенки. Сеточный рукав может быть выполнен из непрерывных, например, арамидных нитей, пропитанных полимерным, например, эпоксидным связующим. Причем петлевая кайма сеточного рукава может быть выполнена пружинящей из высокомодульных упругих нитей, пропитанных эпоксидным связующим, в форме трапецеидальных петлевых образований. Токопроводящий упругий компенсационный диск выполнен из металлонаполненной резины, причем металлические включения выполнены либо из проволоки, либо из ленты, сформированных в упругую винтовую спираль, выходящую своими витками на торцевые поверхности металлорезинового диска, или в виде гофрированной ленты, свернутой в кольцо и выступающей вершинами гофр на торцевые поверхности компенсационного диска, образующими систему контактных электроприводных точек.

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

- существенно повышается надежность, прочность, жесткость и взрывобезопасность каждого единичного модуля и универсально-сборной конструкции ограничителя перенапряжений в целом;

- существенно упрощается конструкция модулей универсально-сборного ограничителя перенапряжений и их соединений в сборной конструкции;

- повышается технологичность составляющих деталей модулей и их соединительных узлов, существенно упрощается сборка модулей и многомодульного ограничителя перенапряжений;

- повышается ресурс безаварийной эксплуатации в экстремальных условиях за счет существенного уменьшения изгибных перемещений корпусной изоляционной трубы и варисторной колонки и за счет предотвращения углового размыкания торцевых стыков смежных варисторных дисков благодаря упруго-эластической возможности их поперечного сдвига, снижающей вероятность к тому же и скола хрупких кромок варисторов;

- создается возможность многократного использования модулей и соединительных элементов универсально-сборных ограничителей перенапряжений после их выхода из строя в экстремальных условиях и восстановления их функционирования путем шунтования вышедшего из строя модуля либо путем его замены на кондиционный модуль;

- полностью исключается срыв и разлет металлических электродов, варисторных дисков или их осколков и других элементов конструкции в случае возгорания электрической дуги в варисторной колонке в экстремальных эксплуатационных условиях благодаря амортизационно-демпфирующему поведению сеточного рукава и корпусной изоляционной трубы, стенка которой при резком возрастании внутреннего давления ведет себя подобно растягиваемой винтовой пружине, образуя винтовые спиральные расслоения стенки, обеспечивающие аварийный безопасной сброс внутреннего давления и поглощение энергии сжатого газа.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показано устройство универсально-сборной конструкции ограничителя перенапряжений и ее единичного модуля в разрезе; на фиг.2 проиллюстрирована схема центрирования варисторных дисков и осесимметричного расположения варисторной колонки в корпусе модуля ограничителя перенапряжений с помощью сеточного рукава при осевом поджатии варисторных дисков в колонке.

На фиг.3 показана пружинящая петлевая кайма сеточного рукава, образованная трапецеидальными петельными образованьями непрерывных витков высокомодульных нитей. На фиг.4 и фиг.5 приведены варианты упругого токопроводного компенсационного диска, выполненного из металлонаполненной резины, в котором металлические включения выполнены соответственно в виде винтовой проволочной спирали и в виде гофрированной ленты, свернутой в кольцо. На фиг.6 проиллюстрирован вариант осесимметричного центрирования варисторных дисков с помощью направляющей базовой полосы из упругого электроизоляционного материала, ориентирующей варисторные диски при их поджатии и радиальном выравнивании относительно прямолинейной образующей варисторной колонки, принятой в качестве конструкторской и технологической базы.

На фиг.7, фиг.8, фиг.9 приведены соответственно варианты осесимметричного центрирования и формирования варисторной колонки модуля ограничителя перенапряжений с помощью упругой обечайки из электроизоляционного материала с продольным прямолинейным разрезом, спирально-винтовым и пилообразным, используемых в качестве конструктивно-технологических базирующих элементов.

Позиции на чертежах: 1 - модуль универсально-сборного многомодульного ограничителя перенапряжений; 2 - опорный базовый фланц; 3 - соединительная муфта из электроизоляционного трекингостойкого материала; 4 - тороидальный экран; 5 - клемма; 6 - гайка; 7 - корпусная изоляционная труба; 8 - трекингозащитная ребристая покрышка; 9 - металлические стаканообразные электроды; 10 - радиальные штифты; 11 - варисторные диски; 12 - монтажно-поджимная шпилька; 13 - токопроводная компенсационная шайба; 14 - стопорный винт; 15 – фрикционный вкладыш; 16 - упругий компенсационный диск; 17 - сеточный рукав; 18 - заформованная токопроводная проволочная винтовая спираль; 19 - заформованное токопроводное металлическое кольцо из гофрированной ленты; 20 - упругая изоляционная направляющая полоса; 21 - центрующая обечайка из изоляционного материала с продольной прорезью; 22 - центрующая обечайка со спирально-винтовой прорезью; 23 - центрующая обечайка с пилообразной прорезью.

Ограничитель перенапряжений (фиг.1) представляет собой универсально-сборную конструкцию, состоящую из состыкованных соосно автономных модулей 1, нижний из которых установлен и закреплен в стакане опорного базового фланца 2, соединенных друг с другом соединительными муфтами 3.

На верхнем металлическом стаканообразном электроде, по крайней мере, верхнего модуля установлен и закреплен тороидальный экран 4, а присоединительная клемма 5 закреплена на верхнем электроде с помощью гайки 6.

Автономный модуль ограничителя перенапряжений в разрезе показан на фиг.1 и состоит из корпусной изоляционной трубы 7 из композиционного материала, например из стеклопластика, облицованной трекингозащитной ребристой покрышкой 8, на концах которой установлены верхний и нижний металлические стаканообразные электроды 9, одинаковые по своей конструкции. Между стенкой и ступицей каждого электрода 9 имеется глубокий кольцевой паз; в пазах утоплены концы корпусной трубы 7. Электроды 9 соединены с корпусной трубой 7 системой радиальных штифтов 10, установленных в отверстиях электродов и трубы на герметике или на клее, например, эпоксидном. В полости корпусной трубы 7 размещена коаксиально колонка варисторных дисков 11, состыкованных торцевыми поверхностями и поджатых друг к другу монтажно-поджимной шпилькой 12, через токопроводную компенсационную шайбу 13.

Нормированное усилие поджатия варисторов шпилькой 12 фиксируется стопрным винтом 14 через фрикционнй вкладыш 15. Между верхним электродом 9 и токопроводной компенсационной шайбой 13 размещен упругий компенсационный диск 16 из токопроводного упругого эластичного материала, коэффициент термического расширения которого выше, чем у материала корпусной трубы. Колонка варисторных дисков 11 собрана в сеточном рукаве 17 (фиг.2), петлевые образования верхней и нижней каймы которого зафиксированны на штифтах 10, скрепляющих электроды 9 с корпусной трубой 7.

Для повышения пружинящих свойств сеточного рукава, обеспечивающего радиальное обжатие и центрирование варисторной колонки, петлевая кайма сеточного рукава может быть сформирована трапецеидальными петлевыми образованьями (фиг.3).

Упругий компенсационный диск 16 выполнен из токопроводного материала, например из металлорезины, то есть резины, наполеннной токопроводным металлическим наполнителем, в частности, в виде неприрывной проволочной винтообразной спирали 18, выступающей дугами своих витков на торцевые поверхности токопроводного компенсационного диска (фиг.4), либо в виде гофрированной ленты, свернутой в кольцо 19, заформованной в резиновый диск 16 и выступающей вершинами своих гофр на торцевые поверхности диска (фиг.5). Для упрощения и повышения точности сборки и центрирования варисторной колонки в корпусной трубе модуля может быть использован вариант конструкции с упругой направляющей полосой 20, например, из стеклопластика, формирующей прямолинейную образующую варисторной колонки, параллельную ее оси (фиг.6), либо вариант центрующей обечайки с продольной прорезью 21 (фиг.7) либо со спирально-винтовой прорезью 22 (фиг.8), либо с пилообразной прорезью (фиг.9).

Корпусная изоляционная труба 7 может быть выполнена из эпоксидного стеклопластика методом спирально-перекрестной намотки неприрывного стекловолокнистого жгута или нити, пропитаннных эпоксидным связующим под углами к образующей в диапазоне +/-(30°-60°). при этом желательно, чтобы спиральные витки нитей на концах трубы были уложены петлевыми дугами, образующими радиальные отверстия для штифтового соединения корпусной трубы с металлическими электродами.

Корпусная труба может быть изготовлена из стеклотекстолита методом прямой намотки стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. В этом случае радиальные отверстия под штифтовое соединение выполняются посредством механической обработки, а пружинящие и амортизационно-демпфирующие свойства корпусной трубы обеспечиваются системой однонаправленных спирально-винтовых прорезей в стеклотекстолитовой стенке под углами 30-60°, предпочтительно под углом 45°.

Внутренние полости между варисторными дисками, центрующими обечайками и корпусной изоляционной трубой заполнены теплопроводным изоляционным компаундом, в частности кремнийорганической композицией.

Упругий токопроводной металлорезиновый компенсационный диск обеспечивает шунтирование верхнего электрода модуля через компенсационную шайбу с варисторной колонкой и существенно увеличивает теплоотвод и рассеивание генерируемого варисторами тепла через металлические, в частности алюминиевые, электроды модулей ограничителя перенапряжений. При интенсивном выделении тепла резиновая основа упругого компенсационного диска, имеющая более высокий коэффициент термического расширения, чем композиционный материал корпусной трубы, увеличивается в объеме и компенсирует термоупругое увеличение размеров корпусной трубы, сохраняя и даже увеличивая гидростатическое поджатие варисторных дисков в колонке модуля, и благодаря гидростатическому эффекту объемного сжатия предотвращает расклинивание торцевых состыкованных поверхностей смежных варисторных дисков под действием внешних изгибающих нагрузок.

Сборно-модульная конструкция ограничителя перенапряжений позволяет существенно уменьшить длину корпусной изоляционной трубы каждого модуля и, таким образом, снизить изгибные ее деформации под действием внешних ветровых нагрузок, усилий тяжения, обледенения и др. и существенно увеличить жесткость сборной многомодульной конструкции по сравнению с традиционными вариантами ограничителей пенепаряжений благодаря наличию жестких стыковочных узлов, скрепляемых металлическими электродами модулей по типу ствола бамбукового дерева. При этом наличие эластичного резино-металлического компенсационного диска способствует при искривлении или овализации корпусной трубы модуля созданию условий, при которых торцы смежных варисторных дисков не расклиниваются, а сдвигаются друг по другу в направлении изгиба, не теряя электрического контакта и не нарушая теплообменных процессов между ними.

В экстремальных условиях при мощных грозовых или коммутационных перегрузках, приводящих к внутренним дуговым разрядам и взрывному характеру притока дуговых газов термической деструпции материалов в том или ином модуле сборного многомодульного ограничителя перенапряжений, металлические электроды этого модуля подобно плунжеру или поршню телескопически перемещаются вдоль оси, нагружая в продольном направлении стеклопластиковую стенку корпусной трубы модуля, которая благодаря спирально-винтовой конформации стеклонитей в структуре стенки или благодаря спиральным прорезям в стеклотекстолитовой стенке деформируются при продольном растяжении подобно винтовой пружине, образуя сквозные винтовые спиральные трещины или щели в стеклопластиковой стенке, через которые горячие газы вырываются наружу, сбрасывая внутреннее давление внутри корпусной трубы, при этом ведет себя подобно классической амортизационно-демпфирующей системе, работающей в авторегулируемом режиме, поглощая и рассеивая упругую энергию сжатого газа и энергию упругой деформации элементов конструкции модуля.

Наличие сеточного рукава, центрирующей обечайки и пружиноподобной растрескавшейся разгерметизированной стеклопластиковой корпусной трубы, прочно и надежно скрепленной штифтами с концевыми электродами модуля, многоступенчато и надежно исключает возможность возникновения взрывного характера разрушения модуля с разлетом твердых поражающих осколков и деталей, а также упругой ударной волны.

Поскольку в экстремальных условиях практически возможно разрушение только одного модуля сборного многомодульного ограничителя перенапряжений, то появляется возможность быстрого восстановления поврежденного, то есть вышедшего из строя ограничителя перенапряжений без его демонтирования и замены. Достаточно удалить сгоревший модуль ограничителя, а на его место установить новый кондиционный модуль, или вместо сгоревшего модуля установить промежуточную муфту и зашунтировать электроды двух соседних модулей в образовавшемся разъеме электрической цепи, либо просто стянуть и скрепить электроды двух соседних модулей, ликвидировав образовавшуюся зону разъема.

Источники информации

1. RU, патент №2172035. Устройство для защиты от перенапряжений.

2. RU, патент №2145743. Разрядник для защиты от перенапряжений.