Ограничители перенапряжений в полимерной оболочке на разные классы напряжения сегодня применяются достаточно широко и выпускаются рядом производителей. Наиболее широко распространена конструкция полимерного ОПН, механическая жесткость которой основана на использовании стеклопластиковой трубы, внутри которой располагается колонка варисторов.

Стержневая конструкция обеспечит надежность

Требования обеспечения взрывобезопасности аппаратов вынуждают разработчиков выполнять стенку внутренней стеклопластиковой трубы перфорированной, для сброса дугового газа при проведении теста внутреннего короткого замыкания. Поскольку внешняя ребристая оболочка из трекингостойкого кремнийорганического каучука не обладает значительной механической прочностью, то она не является существенным препятствием для выхода дугового газа, легко разрываясь под действием незначительного внутреннего давления.

В то же время для степени перфорации несущей трубы аппарата должны быть выполнены вполне определенные требования. Размеры и частота перфорационных отверстий не должны быть слишком малы. В противном случае недостаточно быстрый выход дугового газа приведет к эскалации давления и взрыву. В то же время увеличение размера и плотности перфорационных отверстий приводит к ухудшению прочностных характеристик аппарата.

В предложенной стержневой конструкции ОПН (см. рисунок) обеспечивается достаточная жесткость. Одновременно с этим боковая поверхность такого аппарата главным образом образована относительно мало- прочным эластичным полимером (кремнийорганическим каучуком), что обеспечивает эффективный отвод дугового газа и высокую степень взрывобезопасности.

Механическое напряжение минимально
Целесообразно сравнить некоторые свойства традиционной конструкции, основанной на стеклопластиковой трубе, и стержневой стеклопластиковой конструкции.

Одним из таких свойств, имеющих весьма существенное значение для полимерных аппаратов, является появление внутренних механических напряжений и деформаций при повышении температуры аппарата. Нагрев аппарата может быть связан как с нагревом варисторов при возрастании тока утечки, так и с внешними атмосферными условиями, а также с комбинацией указанных факторов. В рамках данной работы рассмотрена плоская двухмерная задача термоупругости, позволяющая анализировать механические напряжения и деформации в удаленном от торцов сечении аппарата.

Для представленных конфигураций были рассчитаны механические напряжения и деформации, возникающие при равномерном нагреве до 500 оС. Сравнение полей интенсивностей механических напряжений показывает, что в конструкции на основе трубы максимальная интенсивность механических напряжений примерно в 4 раза выше, чем в стержневой конструкции. При этом точка максимума интенсивности напряжений расположена вблизи отверстия перфорации. Это может явиться причиной отслоения СКТВ от стеклопластика при термических циклах нагрев‑охлаждение.

Радиальное температурное расширение исследуемых конструкций можно оценить с помощью кривых распределения радиальных перемещений вдоль периметра сечений аппаратов. Результаты опытов показали, что температурные перемещения в боковой поверхности при нагревании на 50  оС не превосходят 0,6 мм. При этом несколько меньшие значения перемещений в конструкции с трубой обусловлены ограничивающим расширение присутствием самой трубы, материал которой имеет более низкий, чем СКТВ, коэффициент температурного расширения.



Цельная – не значит прочная

Одним из аргументов в пользу конструкции на основе трубы является представление о том, что сплошная конструкция более прочна, чем наборная (стержневая).

Для проверки прочности стержневой конструкции были проведены механические испытания путем приложения к концу аппарата поперечной нагрузки, нормированной величины при жестком закреплении основания аппарата. В частности, для макетов аппаратов длиной 505 мм (ОПН-35 кВ) и 1100 мм (ОПН-110 кВ) величина нормируемого усилия составляет 110 кГ.

По результатам механических испытаний стержневой конструкции можно заключить, что максимальное поперечное смещение в первом случае составило 4 мм, а во втором – 12 мм. Деформации исчезают после снятия нагрузки в течение нескольких десятков секунд.



Безопасно и экономно

В результате проведенных исследований ОПН в полимерном корпусе двух различных конструкций можно сделать такие выводы:
– перфорация стеклопластиковой трубы не обеспечивает взрывобезопасности ОПН в процессе эксплуатации;
– увеличение размеров и частоты перфорации на теле стеклопластиковой трубы приводит к потере механической прочности конструкции ОПН;
– отслоение СКТВ от стеклопластика в перфорированных отверстиях при термических циклах нагрев‑охлаждение приводит к существенному снижению электрической прочности покрышки ОПН и ее пробою.

Применение стержней в конструкции ОПН приводит к следующему:
а) отказу от дорогостоящей стеклопластиковой трубы;
б) увеличению теплопроводности изоляционного слоя на основе СКТН более чем в 4 раза (и тем самым улучшению условий охлаждения варисторов в процессе эксплуатации ОПН);
в) снижению объемного температурного расширения более чем в 3 раза (и тем самым сближению термоупругих свойств изоляционных материалов и ОЦВ);
г) уменьшению количества полимера типа СКТН за счет применения в составе композиции дешевого инертного наполнителя.

Следует отметить, что температурные деформации в аппарате стержневой конструкции распределены более равномерно. При этом уровень поперечных температурных напряжений в стержневом аппарате более чем на порядок ниже, чем в конструкции на основе стеклопластиковой трубы.

Стержневая конструкция аппарата обеспечивает лучшие условия взрывобезопасности вследствие того, что боковая поверхность ОПН ограничена малопрочной эластичной полимерной стенкой, относительно легко разрывающейся при возникновении внутреннего давления дугового газа. В результате этого обеспечивается эффективный сброс давления и удаление дуги из корпуса ОПН наружу.

В момент взрыва (за время короткого замыкания), вследствие воздействия высокой температуры дуги (более 10000 оК), происходит распад материалов. В стержневом варианте продуктом распада полимера типа СКТН является газ. Этот газ не поддерживает процесс горения. После отключения высокого напряжения время горения снижается до минимума. Во втором варианте продуктом распада стеклопластиковой трубы является углеродистая масса. После отключения высокого напряжения углеродистая масса поддерживает процесс горения с тяжелыми последствиями.

Кроме всего вышеперечисленного, стержневая конструкция выдерживает нормативные механические испытательные нагрузки.