Сравнение конструкций и технологий при производстве ОПН

Сухар А.В., начальник научно-технического отдела ЗАО ФЕНИКС-88, Новосибирск;

Существуют различные виды конструкций ограничителей перенапряжений и технологии их производства. Их применение зависит от различных параметров (класс напряжений, требуемый уровень качества, себестоимость и т.д.), все они являются в той или иной степени компромиссными, универсальных конструкций не существует.

Рассмотрим основные применяемые решения.

1. С точки зрения конструкции ОПН существуют - условно назовем их - «зависимая» и «независимая» конструкции (по способу закрепления варисторов в оболочке). «Зависимая» конструкция выполняется, например, путем нанесения на столбик варисторов оплетки из крупноячеистой стеклопластиковой сетки (зазор между варисторами и оболочкой отсутствует) и последующего нанесения литьевой жидкой резины непосредственно на оплетку и варисторы. «Независимая» конструкция выполняется путем помещения колонки варисторов внутрь цельной стеклопластиковой трубы, на которую нанесен изолирующий слой, при этом между колонкой варисторов и внутренней поверхностью трубы имеется воздушный зазор, а сброс давления происходит через мембранные узлы (устройства выхлопа) во фланцах.

"Независимая" конструкция ОПН

"Зависимая" конструкция ОПН

«Независимый» ОПН выполняется с применением цельной стеклопластиковой трубы, обеспечивающей жёсткость и прочность аппарата при воздействии сил тяжения шлейфа, ветра и гололёда. Столбик варисторов установлен в стеклопластиковой трубе с зазором и подпружинен между фланцами, что не допускает передачи механических воздействий от оболочки к варисторам. Столбик варисторов не должен нести механических нагрузок для исключения механических повреждений из-за невысокой механической прочности самих варисторов (металлокерамика) и для исключения ухудшения контактов между рабочими поверхностями варисторов.

Первый недостаток «зависимой» конструкции заключается в том, что при действии на оболочку ОПН механических сил передается механическое воздействие на варисторы и на стыки варисторов, что крайне нежелательно. Второй серьезный недостаток этой конструкции: ухудшение контакта между рабочими поверхностями варисторов при изгибающих нагрузках, что приводит к уменьшению площади контакта и может привести к выгоранию поверхности варисторов в момент воздействия импульсных токов (например, при высоких ветровых нагрузках во время грозы). Третий недостаток: возможное затекание жидких резин при нанесении изолирующего слоя и снижение площади контакта между варисторами. Четвертый недостаток: «зависимая» конструкция представляет собой монолит из металлокерамических варисторов, фланцев из сплавов цветных металлов, стеклопластика и резины - материалов с разными коэффициентами линейного теплового расширения, что при атмосферных перепадах температур и рабочем нагреве (варисторы могут нагреваться до 170° С) будет работать на разрушение конструкции.

Наиболее оптимальный узел взрывозащиты ОПН - мембранного типа с выхлопом, организованном во фланцах, что в сочетании с прочным корпусом стеклопластиковой трубы не допускает разрыва оболочки на длине изоляционного промежутка ОПН.

Узлы взрывозащиты, работающие путём разрыва внешней изоляционной оболочки (у «зависимой» и «полузависимой» конструкции) угрожают потенциальной опасностью выброса раскалённых частей варисторов при возникновении КЗ. Кроме того, «зависимая» конструкция ослабляет механическую прочность ОПН при воздействии механических сил.

Таким образом, «независимая» конструкция обеспечивает наилучшую механическую прочность ОПН в целом, наилучшее сохранение контакта между варисторами, наилучшую сохранность варисторов от механического разрушения и трения, бо'льшую сохранность конструкции при нагреве. Также «независимая» конструкция ОПН является наиболее взрывозащищенной, практически исключая разрыв изоляционного тела и разброс осколков.

«Зависимая» конструкция ОПН однозначно проигрывает «независимой» по всем параметрам качества. Преимущества данной конструкции: бо'льшая технологичность, уменьшение расхода материалов, т.е. экономичность при производстве.

Возможные области применения «зависимой» конструкции: классы напряжений до 10 кВ, с большими ограничениями – классы 35 и 110 кВ (что подтверждается опытом ведущих производителей, например, SIEMENS AG)

Также можно выделить промежуточную «полузависимую» конструкцию, когда оболочка выполняется из стеклопластиковой трубы с изолирующим слоем, для сброса давления делаются сквозные отверстия или выемки в теле трубы.

2. С точки зрения технологий нанесения изолирующей оболочки. Существует несколько технологий:

по типам резин – жидкие, вязкие и твердые (LSR, XLR и HCR);
по способам нанесения – заливка в пресс-формы (жидкие), инжектирование в пресс-формы и винтовая навивка (вязкие), прямое прессование и последовательное наклеивание готовых элементов (твердые). Также есть комбинированные способы нанесения (например, последовательное наклеивание элементов или навивка поверх первичного изолирующего слоя, нанесенного методом инжектирования или заливки в пресс-формы).

Наивысшую плотность имеют твердые резины, что обеспечивает изделиям из них лучшую механическую прочность, лучшие диэлектрические характеристики и трекинго-эрозионную стойкость, а также и более высокую стойкость к диффузионному проникновению влаги и газов. По мере уменьшения плотности резины (вязкие и особенно жидкие) все характеристики значительно снижаются, а риски увеличиваются. Для жидких резин может быть характерна необратимая деформация ребер изолирующей оболочки, например, заминание при транспортировке.

Наиболее уязвимым местом любого типа конструкции с точки зрения возможного проникновения влаги в стеклопластиковую трубу или сетку и последующее увеличение токов утечки и вероятности пробоя ОПН по стеклопластику является место стыка металлического фланца ОПН и резиновой изолирующей оболочки. Для качества защиты данного узла решающее значение имеет не способ нанесения или вид резины, а конструкция узла, отработанность технологии и контроль качества всех применяемых материалов и работ. «Зависимая» конструкция ОПН ввиду наличия крупноячеистой стеклопластиковой сетки имеет множественные границы раздела материалов (резина-сталь, резина-стеклопластик, резина-варисторы и т.д.), исключает постадийный контроль и является потенциально более опасной для проникновения влаги, особенно учитывая разность коэффициентов линейного теплового расширения 4 видов материалов.

Повысить качество получаемой изоляции при нанесении жидких резин можно ваккууммированием пресс-формы и системы приготовления резины, но, насколько нам известно, в России такая технология пока не используется ввиду удорожания и усложнения технологии (имеет планы по внедрению такой технологии в 1-й половине 2012 г. ЗАО «ФЕНИКС-88»)

Кроме вышеперечисленного, технология заливки жидких резин имеет ограничения по толщине изготавливаемых деталей, наклону ребер оболочки (только углы, близкие к 90°, что далеко от оптимальных значений для удаления внешних загрязнений и влаги с изделий и не соответствует требованиям ГОСТ 9920-89 «Электроустановки переменного тока на напряжение от 3 до 750 кВ. Длина пути утечки внешней изоляции»)

Основными преимуществами «жидких» резин являются: возможность одномоментного обрезинивания изделий большей длины и диаметра (чем, например, при прямом прессовании), возможность нанесения более тонкого слоя резины, скорость процесса, то есть преимущества относятся опять же к группе технологических и экономических.

Ни одна из технологий обрезинивания сама по себе не может давать гарантии качества полученной изоляции. Есть сведения о выходах из строя в течение коротких сроков эксплуатации (1 месяц ÷ 1 год) родственных для ОПН по типу изоляционной оболочки групп изделий (опорных полимерных изоляторов, подвесных линейных изоляторов), оболочка которых была изготовлена на самом современном оборудовании модным методом нанесения жидких резин по банальной причине проникновения влаги в конструкцию.

Вывод: наиболее надежной по всей совокупности факторов качества является конструкция ОПН с «независимым» расположением колонки варисторов внутри цельной жесткой стеклопластиковой трубы с изолирующей оболочкой из твердых или вязких резин, нанесенных методами прямого прессования или же комбинированным способом (последовательное наклеивание элементов поверх предварительно нанесенного изолирующего слоя). В такой конструкции граница раздела одна – между изолирующим резиновым слоем и несущей стеклопластиковой трубой, при соблюдении технологии обрезинивания (химических и температурных режимов, режимов полимеризации и т.д.) получается оболочка с прочным механическим и влагонепроницаемым соединением.

Дополнительным подтверждением надежности изоляционной конструкции «цельная стеклопластиковая труба – оболочка из твердой (или вязкой) резины» является применение таких конструкций в качестве покрышек для различного оборудования, работающего с элегазом, агрессивными средами, под давлением и т.д.