Современные защитные аппараты типа ОПН (ограничители перенапряжения) состоят из колонки высоконелинейных варисторов, заключенных в полимерную изоляционную оболочку. Основой оболочки является стеклопластиковая труба (с ребристым покрытием из трекингостойкого кремнийорганического каучука), воспринимающая все механические нагрузки конструкции ОПН при растяжении, сжатии и изгибе.

Стеклопластик: сверлить или не сверлить?

Стеклопластиковая труба изготавливается методом намотки на соответствующую металлическую оправку пропитанного связующим стеклонаполнителя в виде ткани или жгута. Длина стеклопластиковой трубы, изготовленной на базе стеклоткани, ограничивается шириной последнего – не более 1,0 м. Это, в свою очередь, определяет количество отдельных модулей ОПН выше 110 кВ и препятствует изготовлению таких аппаратов в одноэлементном исполнении. Кроме того, при производстве стеклоткани используется крученая стеклонить. Качественная пропитка крученой стеклонити связующим является сложной и трудоемкой операцией, которая препятствует получению качественной стеклопластиковой трубы с высокими электрическими и физико-механическими характеристиками.

Для выхода газов в случае повреждения (внутреннее замыкание) варисторов в процессе эксплуатации и снижения механических напряжений внутри стеклопластиковой покрышки ОПН при естественных термических циклах нагрев‑охлаждение на теле стеклопластиковой трубы вырезаются специальные отверстия (перфорация). Эти отверстия заполняются силиконовой резиной при формовании внешнего ребристого защитного покрытия.

Количество указанных отверстий и их размеры определяют степень взрывобезопасности конструкции ОПН в целом. Одновременно снижается механическая напряженность внутри стеклопластиковой покрышки аппарата при естественных термических циклах нагрев‑охлаждение.

Проведенные исследования показали, что перфорация трубы сверлением приводит к нарушению структуры (монолитности) стеклопластика по периметру отверстия. Адгезионная прочность силиконовой резины к стеклопластику в зоне отверстий минимальна или вовсе отсутствует. Электрическая прочность указанной зоны не более 12 кВ при толщине около 5 мм, а после суточного увлажнения равна нулю. Кроме того, увеличение размеров и частоты перфорации приводит к полной потере механической прочности конструкции ОПН в целом.



Используем метод намотки стекложгута

При другой технологии изготовления стеклопластиковой трубы пропитанный связующим стекложгут наматывается на соответствующую металлическую оправку под углом 45° к ее продольным ребрам. Указанные ребра имеют в поперечном сечении форму ромба. Они соединены друг с другом в промежутках между ребрами силами адгезионного взаимодействия и образуют жесткий перфорированный каркас.

Для усиления зоны крепления стеклопластиковой трубы с металлическими фланцами ОПН на ее концах производят дополнительную намотку (методом рядовой намотки) стекложгута, также пропитанного связующим. Указанная дополнительная намотка на поверхности стеклопластиковой трубы образует сплошное уплотнение необходимой ширины и толщины. Предложенная технология изготовления стеклопластиковых труб с перфорацией, осуществляемой не сверлением, а формованием в процессе намотки пропитанного связующим стекложгута на соответствующей оправке, позволяет изготовить высокопрочную стеклопластиковую трубу практически неограниченной длины с высокими электрическими и физико-механическими характеристиками.

Защитная ребристая покрышка из кремнийорганического каучука изготавливается методом бесшовного формования необходимой длины на поверхности металлической оправки специальной конструкции. При изготовлении сплошной покрышки ОПН 110 кВ и выше две и более покрышки склеиваются между собой специальным клеем-герметиком. Этим же герметиком осуществляется склеивание указанных покрышек на поверхности стеклопластикового корпуса только в зоне указанного выше формованного утолщения.

Во внутреннюю полость конструкции ОПН поочередно устанавливается колонка варисторов и контактная пружина. Через специальные технологические отверстия на верхнем и нижнем металлических наконечниках осуществляется заполнение внутренней полости ОПН эластичным компаундом на основе низкомолекулярного (жидкого) кремнийорганического каучука, наполненного инертным порошком. При этом одновременно заполняется также пространство между внешней частью стеклопластикового корпуса и ребристой покрышки. Происходит совулканизация двух типов каучуков (низкомолекулярного типа СКТН и высокомолекулярного типа СКТВ), армированных стеклопластиком с перфорацией.

Указанный компаунд имеет минимум расширения при изменении (повышении) температуры окружающей среды, происходит сближение термоупругих свойств изоляции, металлодеталей и нелинейных варисторов. При этом также увеличивается и теплопроводность изоляции. Это способствует улучшению условий охлаждения нелинейных варисторов и тем самым увеличению эксплуатационной надежности ОПН в целом.



Надежность и взрывобезопасность

В результате проведенных исследований покрышек ОПН двух различных типов можно сделать следующие выводы:

1. Изготовление необходимых по соображениям взрывобезопасности и снижения внутренних механических напряжений в покрышке перфорационных отверстий методом сверления на теле стеклопластиковой трубы наряду со снижением механической прочности при изгибе конструкции приводит к ухудшению электрических свойств и снижению адгезии силиконовой резины к стеклопластику. Создание перфорационных отверстий при намотке труб из жгута не требует сверления и не нарушает структуру стеклопластика в области отверстий.

2. Технология двухсторонней заливки внутренней полости ОПН жидким компаундом на основе низкомолекулярного кремнийорганического каучука обеспечивает высокую адгезионную прочность между внешней ребристой оболочкой, стеклопластиком, варисторами и указанным жидким каучуком соответственно, повышается электрическая прочность границы между кремнийорганическим каучуком и перфорационных отверстий при естественных термических циклах, при сохранении высоких характеристик взрывобезопасности.

3. Наполнение инертными порошками приводит к снижению объемного температурного расширения заливочной композиции на основе жидкого кремнийорганического каучука, и тем самым сближению термоупругих свойств изоляционных материалов, металлодеталей конструкции и варисторов. Кроме того, наполнение инертными порошками также приводит к существенному увеличению теплопроводности изоляционного слоя ОПН и тем самым улучшению условий охлаждения варисторов в процессе эксплуатации.

4. Технология изготовления стеклопластиковых труб с перфорацией, полученных методом намотки пропитанного связующим стекложгута на соответствующей оправке и формования на них защитного ребристого покрытия указанным выше способом не ограничивает длины корпуса, что позволяет изготовить ОПН выше 110 кВ в одноэлементном исполнении без технологических ограничений по высоте. Такая конструкция обеспечивает минимальную металлоемкость и вес ОПН, существенно повышает надежность работы защитных аппаратов при увлажнении загрязненной их поверхности.

5. Стеклопластиковая труба с перфорацией, полученная методом жгутовой намотки, выдерживает (больше чем в два раза) нормативные механические испытательные нагрузки.