Проходной изолятор
Изобретение относится к электротехнике, в частности к проходным изоляторам, предназначенным для ввода электрического тока или напряжения внутрь зданий или корпусов электрических устройств. Проходной изолятор содержит электрический проводник, слой диэлектрика и крепежный узел. Слой диэлектрика выполнен с использованием эластичного диэлектрического материала и расположен между электрическим проводником и крепежным узлом. Крепежный узел содержит, по меньшей мере, один сжимающий слой диэлектрика элемент, причем толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом месте, замеренной при наименьшей эксплуатационной температуре после удаления сжимающего элемента. Изобретение обеспечивает механическую прочность и герметичность при эксплуатации в широком диапазоне рабочих температур. 15 з.п. ф-лы, 9 ил.
Область техники
Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим изоляторам, в частности к проходным изоляторам, предназначенным для ввода электрического тока и/или напряжения внутрь зданий или корпусов электрических устройств и, одновременно, для изоляции токоведущих частей от стенок этих зданий или электрических устройств.
Уровень техники
Из патента RU 2369932 известен проходной изолятор, содержащий электрический проводник, окруженный слоем диэлектрика, выполненным в виде слоистого материала с пропиткой, и установленного (например, путем приклеивания) на этом слое диэлектрика крепежного узла, выполненного, например, в виде втулки (преимущественно, металлической), с помощью которого проходной изолятор механически крепится к несущей конструкции, через которую вводится электрический ток и/или напряжение, например, к стене или стенке. Благодаря тому, что слой диэлектрика выполнен в виде слоистого материала с пропиткой, удается достичь хороших изоляционных и теплопроводных свойств слоя диэлектрика, значительной механической прочности проходного изолятора в целом, что обеспечивает надежность решения задачи, стоящей перед изолятором.
Недостатками указанного изолятора является высокая трудоемкость его изготовления ввиду того, что для изготовления слоя диэлектрика необходимо наматывать плоский изоляционный материал, например бумагу, пропитанный изолирующей и обеспечивающей монолитность слоя диэлектрика пропиткой, например смолой, причем, желательно, в вакуумной среде - для исключения воздушных включений в слое диэлектрика. После такого длительного и весьма прецизионного процесса требуется операция сушки полученного слоя диэлектрика и дальнейшей его токарной обработки для получения необходимых размеров, что приводит к необходимости закупки и размещения на производственном участке соответствующего дорогостоящего - уникального оборудования, а также вводу в производственный процесс действий рабочего персонала по перемещению и размещению изделия.
Вследствие различных коэффициентов теплового расширения материала проводника и слоя диэлектрика целостность границы раздела проводник/диэлектрик нарушается при колебаниях температуры окружающего воздуха или при повышении температуры проводника при больших токах, и герметичность соединения пропадает. Для устранения этого недостатка и сохранения герметичности соединения в RU 2369932 между слоем твердого диэлектрика и проводником применяются втулки с уплотняющим материалом, по сути, - прокладки.
Кроме того, после окончания изготовления проходного изолятора обычно требуется нанесение внешнего слоя, предназначенного для защиты от внешних воздействующих факторов естественного и техногенного характера, таких как грязь, дождь, туман и т.п. Обычно такой внешний слой выполняется с использованием устойчивых к погодным воздействиям материалов, например, с помощью кремнийорганической (силиконовой) резины. Размещение такого слоя может быть несложной операцией, однако ее осуществление также требует дополнительных усилий, что увеличивает трудоемкость процесса и повышает требования к имеющемуся оборудованию.
В случаях, когда прочности проводника достаточно для восприятия механических нагрузок к изолятору, совмещение функций диэлектрического слоя, защитной оболочки и уплотняющих элементов в одной детали, изготовленной из эластичного диэлектрического материала, стойкого к окружающей среде, например силиконовой резины, позволяет существенно упростить технологический процесс изготовления изолятора, снизить его трудоемкость и уменьшить количество необходимого оборудования, обеспечивая при этом высокую устойчивость проходного изолятора к погодным воздействиям и сохраняя хорошую теплопроводность слоя диэлектрика. Такой изолятор состоит из трех деталей: проводника, диэлектрического слоя и фланца для крепления к стенкам, а процесс изготовления изолятора, по сути, сводится к одной или двум операциям - заливки силиконовой резины в пресс-форму с предварительно заложенными в нее проводником и фланцем, или с последующим приклеиванием фланца к отлитому на проводнике диэлектрическому слою.
В то же время, в ходе термомеханических испытаний был выявлен существенный недостаток этой конструкции - недостаточная механическая прочность и герметичность проходного изолятора в условиях пониженной температуры окружающей среды даже без приложения механических нагрузок. Этот недостаток обусловлен тем, что при понижении температуры силиконовая резина, из которой выполнен слой диэлектрика, сжимается сильнее, чем металлическая втулка, которая приклеена к слою диэлектрика, из-за различия в десятки раз коэффициентов теплового расширения материалов, из которых изготовлены слой диэлектрика и втулка. Такое неодинаковое сжатие приводит к возникновению отрывающих усилий в клеевом слое между диэлектриком и втулкой и клеевое соединение разрушается. Вследствие разрушения клеевого слоя герметичность и механическая прочность изолятора нарушается, а проводник с расположенным на нем слоем диэлектрика может начать перемещаться относительно втулки, что потенциально может привести к электрическому соединению втулки и электрического проводника под напряжения, а это создает опасность для жизни и здоровья персонала, если втулка закреплена на металлической стенке или имеется другая возможность передачи электрического потенциала на втулке человеку.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение механической прочности и герметичности проходного изолятора при эксплуатации во всем диапазоне рабочих температур, в том числе и при предельно низкой температуре окружающей среды, сохраняя при этом пониженную трудоемкость изготовления такого изолятора, наблюдаемую в случае изготовления слоя диэлектрика из эластичного материала, например силиконовой (кремнийорганической) резины. Другими словами, задача изобретения состоит в обеспечении механической прочности и герметичности проходного изолятора, слой диэлектрика которого выполнен с использованием эластичного материала (силиконовой резины), во всем температурном диапазоне окружающей среды, в которой эксплуатируется указанный проходной изолятор (например, при эксплуатации на открытом воздухе диапазон температур окружающего воздуха составляет от минус 60°C до плюс 50°C). В частности, необходимо обеспечить механическую надежность установки крепежного узла проходного изолятора на слое диэлектрика для всех эксплуатационных температур. Кроме того, необходимо учитывать температуру, при которой изолятор изготавливался, так например, в случае приклеивания фланца к изолятору после нанесения диэлектрического слоя на проводник при температуре на производстве до плюс 30°C разница температуры изготовления и эксплуатации может составить 90°C, а в случае отливки диэлектрического слоя в пресс-форме с заложенными в нее проводником и фланцем при температуре до плюс 170°C разница температуры изготовления и эксплуатации может составлять 230°C. Для наружного диаметра диэлектрического слоя 100 мм, являющегося наиболее типичным для токов до 1 кА, в случае изготовления изолятора при комнатной температуре разница уменьшения диаметров силиконового диэлектрического слоя и внутреннего диаметра алюминиевого фланца при низшей эксплуатационной температуре составляет величину до 2,5 мм, а в случае закладки фланца в пресс-форму - до 6 мм.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение возможности корректировки (выравнивания) распределения электрического поля протекающего по электрическому проводнику изолятора тока. Другой дополнительной задачей является повышение механической прочности проходного изолятора, слой диэлектрика которого выполнен с использованием силиконовой резины. Кроме того, представляется полезным обеспечить повышенную устойчивость проходного изолятора к влажным погодным условиям (в частности, дождям) и загрязнению поверхности.
Задача изобретения решается с помощью проходного изолятора, содержащего электрический проводник, слой диэлектрика и крепежный узел, причем слой диэлектрика выполнен с использованием эластичного диэлектрического материала и расположен между электрическим проводником и крепежным узлом. Крепежный узел преимущественно содержит, по меньшей мере, один сжимающий слой диэлектрика элемент (например, металлический), причем толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента не менее чем на 1%. В некоторых вариантах толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента на величину 2-20%. Предпочтительно, чтобы толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента не менее чем на 4%. В указанных вариантах выполнения проходного изолятора будет обеспечено то, что толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником будет меньше толщины слоя диэлектрика в этом месте при наименьшей эксплуатационной температуре (температуре из диапазона эксплуатационных температур) без сжимающего элемента (в одном из вариантов - после удаления сжимающего элемента).
Эластичный диэлектрический материал в одном из вариантов представляет собой кремнийорганическую (силиконовую) резину, которая может содержать в своем составе от 30% до 60% минерального наполнителя. Кроме того, эластичный диэлектрический материал также может представлять собой этиленпропиленовую резину или полиуретан (или быть выполнен в виде комбинации вышеуказанных материалов).
В одном из вариантов крепежный узел выполнен в виде металлической втулки, причем сжимаемый элемент в таком случае представляет собой опрессовываемую часть втулки, выполненную с возможностью охвата, по меньшей мере, части слоя диэлектрика. Указанная втулка в описываемом варианте также содержит крепежную часть, выполненную с возможностью закрепления на поверхности объекта, в котором устанавливается изолятор.
В другом варианте крепежный узел дополнительно содержит фланец, установленный на сжимаемом элементе и выполненный с возможностью прикрепления к объекту, в котором устанавливается изолятор.
В изоляторе, в частности в диэлектрическом элементе изолятора, может быть предусмотрен, по меньшей мере, один слой материала с проводимостью выше, чем проводимость эластичного диэлектрического материала, использованного для изготовления слоя диэлектрика, причем указанный слой проводящего материала расположен по меньшей мере частично вокруг электрического проводника и предпочтительно отделен от проводника и от фланца слоем диэлектрика. Указанный материал с проводимостью выше, чем проводимость эластичного диэлектрического материала, использованного для изготовления слоя диэлектрика, может представлять собой эластичный токопроводящий материал, например композитный материал на основе смеси порошка из проводящего материала и силиконовой резины.
В одном из вариантов выполнения изолятора в нем могут быть предусмотрены два или более стержня, по меньшей мере, частично расположенных в слое диэлектрика около проводника и соединенных между собой с помощью, по меньшей мере, двух соединительных элементов, установленных, по меньшей мере, частично в слое диэлектрика. Соединительные элементы могут представлять собой втулки, которые могут быть установлены на электрическом проводнике. Стержни могут быть выполнены из диэлектрического или токопроводящего материала. Кроме того, слой диэлектрика на поверхности может содержать ребра.
Благодаря изобретению удается достигнуть технический результат, заключающийся в обеспечении механической надежности установки крепежного узла проходного изолятора на слое диэлектрика для всех эксплуатационных температур. Вследствие этого во всем температурном диапазоне окружающей среды, в которой эксплуатируется указанный проходной изолятор, удается обеспечить механическую прочность и герметичность проходного изолятора, слой диэлектрика которого выполнен с использованием эластичного материала (силиконовой резины), в целом. Это означает, что механическая прочность и герметичность проходного изолятора при эксплуатации в условиях пониженной температуры окружающей среды обеспечена одновременно с сохранением пониженной трудоемкости (или даже ее снижением) изготовления такого изолятора, что характерно для изготовления слоя диэлектрика как единого элемента с защитной оболочкой из кремнийорганической (силиконовой) резины.
Также обеспечены дополнительные технические результаты, заключающиеся в обеспечении возможности корректировки (выравнивания) распределения электрического поля протекающего по электрическому проводнику изолятора тока, что повышает электрическую прочность изолятора, дополнительном повышении механической прочности проходного изолятора, слой диэлектрика которого выполнен с использованием силиконовой резины (в частности, в повышении механической прочности самого слоя диэлектрика), и в обеспечении повышенной устойчивости проходного изолятора к влажным погодным условиям (в частности, дождям) и загрязнению поверхности.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан первый вариант проходного изолятора в частичном разрезе, крепежный узел которого состоит из одной детали - фланца, который имеет обжимаемую на диэлектрическом слое часть и не обжимаемую часть для крепления к стенкам электроустановок.
На фиг.2 показан вид с торца первого варианта проходного изолятора.
На фиг.3 показан второй вариант проходного изолятора в частичном разрезе, имеющий крепежный элемент, состоящий из обжимаемой на диэлектрическом слое втулки и приклеенной к ней не обжимаемой части - фланце для крепления к стенкам электроустановок.
На фиг.4 показан третий вариант проходного изолятора в частичном разрезе, имеющий крепежный элемент, состоящий из двух обжимаемых на диэлектрическом слое втулок и приклеенной к ним не обжимаемой части - фланце.
На фиг.5 показан вид с торца второго и третьего вариантов проходного изолятора.
На фиг.6 показан четвертый вариант проходного изолятора в частичном разрезе, имеющего проводящие слои, расположенные внутри диэлектрического слоя.
На фиг.7 показано сечение А-А четвертого варианта проходного изолятора, изображенного на фиг.6.
На фиг.8 показан разрез пятого варианта проходного изолятора, в диэлектрическом слое которого расположены армирующие стержни, повышающие механическую прочность изолятора.
На фиг.9 показано сечение А-А пятого варианта проходного изолятора, изображенного на фиг.8.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен вид первого варианта осуществления проходного изолятора с частичным разрезом, а на фиг.2 показан вид этого изолятора с торца. Проходной изолятор в соответствии с первым вариантом осуществления содержит электрический проводник 1, слой 2 диэлектрика и крепежный узел, состоящий из элементов 3 и 4.
Электрический проводник обычно изготавливается из металла, обладающего достаточной электропроводностью и механической прочность, например из медных, алюминиевых или стальных сплавов. Электрический проводник преимущественно представляет собой продолговатый предмет, например, как показано на фиг.2, круглого сечения. В то же время электрический проводник может иметь и другие сечения, а также обладать или не обладать осью симметрии, проходящей вдоль проводника. На концах электрического проводника могут быть предусмотрены средства для присоединения электрических проводов (в данном патенте не рассматриваются), по которым передается электроэнергия.
Слой 2 диэлектрика преимущественно выполнен с использованием силиконовой резины, которая может содержать в своем составе от 30% до 60% минерального наполнителя. Кроме того, эластичный диэлектрический материал также может представлять собой этиленпропиленовую резину или полиуретан (или быть выполнен в виде комбинации вышеуказанных материалов). Слой 2 диэлектрика расположен между электрическим проводником 1 и крепежным узлом. В показанном на фиг.1 и 2 варианте осуществления изобретения слой 2 диэлектрика прилегает к электрическому проводнику 1 и крепежному узлу, что обеспечивает наименьшую трудоемкость изготовления такого проходного изолятора, однако в некоторых случаях между электрическим проводником и слоем диэлектрика и/или крепежным узлом и слоем диэлектрика могут быть предусмотрены вспомогательные элементы, выполненные из других материалов. В описываемом варианте осуществления слой 2 диэлектрика получают путем размещения электрического проводника 1 в форме и заполнением этой формы силиконовой резиной в вязком состоянии с последующим отверждением (вулканизацией) этой резины (с приданием упругих свойств в необходимой степени). Показанный на фиг.1 и 2 слой 2 диэлектрика имеет осесимметричную (трубчатую) форму, хотя могут быть предусмотрены и другие сечения, в том числе без симметрии. Форма для изготовления может содержать кольцеобразные углубления, в результате чего изготавливаемый слой 2 диэлектрика может иметь выступы в виде ребер 5, как это показано на фиг.1. Указанные ребра предназначены для повышения длины утечки тока, что выполняет полезную роль во влажных или загрязненных условиях благодаря снижению вероятности электрического перекрытия по поверхности проходного изолятора.
Крепежный узел на фиг.1 выполнен в виде втулки, предпочтительно металлической, и состоящей из опрессовываемой части 3 и крепежной части 4. Крепежная часть 4 втулки на фиг.1 и 2 представляет собой плоский фланец, установленный перпендикулярно оси изолятора и имеющий крепежные отверстия 6, в которых могут быть размещены болты, винты, заклепки или другие крепежные изделия. Однако, в зависимости от конфигурации объекта, в котором устанавливается проходной изолятор, а также от способа установки в нем, крепежная часть может иметь не плоскую поверхность и располагаться под углом к оси проходного изолятора.
Опрессовываемая часть 3 на фиг.1 представляет собой сжимающий элемент, предназначенный для сжатия слоя 2 диэлектрика, выполненного с использованием силиконовой резины. Поскольку силиконовая (кремнийорганическая) резина является упругим и сжимаемым материалом, то сжимающий элемент, входящий в состав крепежного узла и выполненный в этом варианте в виде опрессовываемой части 3 втулки, может сжимать слой 2 диэлектрика. В показанном на фиг.1 варианте крепежный узел установлен примерно посередине проходного изолятора, однако он может быть установлен и со смещением вдоль продольной оси изолятора к одному из концов. Длина показанной на фиг.1 опрессовываемой части 3 (сжимаемого элемента) вдоль проходного изолятора (например, вдоль его оси) может составлять незначительную часть, которой будет достаточно для надежного удержания крепежного узла на слое диэлектрика, например, от 20 до 150% от поперечного размера слоя диэлектрика и электрического проводника в том сечении, где устанавливается узел крепления. При определении длины сжимаемого элемента крепежного узла также может учитываться толщина объекта, в котором будет устанавливаться проходной изолятор, например стены, поскольку длину сжимаемого элемента с точки зрения безопасности и механической надежности имеет смысл делать не меньше толщины такого объекта для того, чтобы объект, через который проходит изолятор, имел контакт преимущественно с крепежным узлом, а не другими элементами проходного изолятора.
С целью обеспечения механической надежности установки крепежного узла на слое диэлектрика для всех эксплуатационных температур необходимо, чтобы толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником (в сжатом виде) была меньше толщины слоя диэлектрика в этом месте при наименьшей температуре диапазона эксплуатационных температур без сжимающего элемента (в свободном состоянии). В результате этого, даже при наименьшей температуре сжимающий элемент будет надежно охватывать (сжимать) слой диэлектрика, что исключит возможность смещения слоя диэлектрика и/или электрического проводника относительно крепежного узла и/или объекта, в котором установлен изолятор.
В том случае, когда сжимающий элемент и электрический проводник непосредственно контактируют со слоем диэлектрика, толщина этого слоя между сжимающим элементом и электрическим проводником в сжатом виде может быть определена также по внутреннему размеру сжимающего элемента в эксплуатационном виде и внешнему размеру электрического проводника. Если между сжимающим элементом и слоем диэлектрика и/или электрическим проводником и слоем диэлектрика имеются какие-либо дополнительные элементы, толщина слоя диэлектрика может определяться с учетом размеров этих дополнительных элементов.
В показанном на фиг.1 и 2 варианте осуществления электрический проводник, слой диэлектрика и опрессовываемая часть 3 крепежного элемента имеют форму цилиндра, соответственно, для определения толщины слоя диэлектрика можно пользоваться таким размерами, как диаметры соответствующих элементов. Кроме того, толщину слоя диэлектрика в таком варианте возможно определить путем одного непосредственного измерения этой толщины. Однако если какой-либо из этих составных компонентов проходного изолятора (или все компоненты) имеет не круговое сечение, а, например, эллиптическое, квадратное, прямоугольное или даже не осесимметричное, то толщина слоя диэлектрика может определяться в каждой точке периметра слоя диэлектрика вокруг электрического проводника. Необходимое сжатие также может определяться в относительных величинах и/или быть неодинаковым для разных участков слоя диэлектрика.
Определение необходимой величины сжатия слоя диэлектрика с помощью сжимающего элемента может быть осуществлено следующим образом. Исходя из разницы температуры изготовления изолятора и наиболее низкой ожидаемой температуры внешней среды, в которой будет эксплуатироваться проходной изолятор, и с учетом коэффициентов теплового расширения (сжатия) силиконовой резины, из которой будет изготовлен слой диэлектрика, определяют максимальное ожидаемое сжатие слоя диэлектрика проектируемой толщины по отношению к условиям изготовления. Сжатие слоя диэлектрика может быть определено как в абсолютных величинах, так и в относительных (с последующим пересчетом в абсолютные величины для заданной толщины слоя диэлектрика). То есть величина ожидаемого температурного сжатия слоя диэлектрика может быть определена по следующей формуле:
Δd=d·α·(T0-Tmin),
где Δd - величина сжатия слоя диэлектрика,
d - толщина слоя диэлектрика до опрессовки сжимаемого элемента при температуре, при которой происходит опрессовка,
α - коэффициент линейного теплового расширения материала слоя диэлектрика,
Т0 - температура, при которой происходит опрессовка сжимаемого элемента и слоя диэлектрика,
Tmin - минимальная эксплуатационная температура.
Кроме температурных деформаций при расчете величины необходимого сжатия слоя диэлектрика, обеспечивающего работоспособность изолятора при низких температурах, необходимо учитывать такое свойство эластичных материалов, как способность не полностью восстанавливать первоначальный размер после освобождения от сжатия при низких температурах. Это свойство характеризуется коэффициентом морозостойкости по эластическому восстановлению после сжатия - Км, вычисляемым экспериментально в соответствии с ГОСТ 13808-79 «Резина. Метод определения морозостойкости по эластическому восстановлению после сжатия» по формуле
KM=(dt-dсж)/(d-dсж),
где dсж - толщина слоя диэлектрика в сжатом сжимающим элементом состоянии,
dt - толщина слоя диэлектрика после снятия сжимающей нагрузки при наименьшей эксплуатационной температуре.
Коэффициент морозостойкости по эластическому восстановлению после сжатия - комплексная величина, учитывающая не только температурную деформацию материала, но и его эластические свойства - способность восстанавливаться после сжатия.
Соответственно, для достижения технического результата необходимо, чтобы толщина сжатого слоя диэлектрика была меньше величины
dсж=(Kм·d-dt)/(Kм+1).
Определение необходимой величины сжатия слоя диэлектрика должно производиться с учетом температурного сжатия электрического проводника и крепежного элемента, однако в том случае, когда они выполнены металлическими, то их влиянием можно пренебречь ввиду значительной разницы коэффициентов теплового расширения (на порядок и более).
Величина сжатия слоя диэлектрика с помощью сжимающего элемента должна быть увеличена по сравнению с полученным расчетным и экспериментальным путем значением для того, чтобы даже в том случае, когда температура окружающей среды, в которой эксплуатируется проходной изолятор, достигнет минимального значения, крепежный элемент надежно удерживался на слое диэлектрика и был способен воспринимать механические нагрузки. Это дополнительное сжатие может соответствовать обычному сжатию сжимаемого элемента, применяемому для обеспечения механической прочности изолятора при приложении механических нагрузок при нормальной температуре без учета температурного сжатия слоя диэлектрика. То есть получаемая величина сжатия может соответствовать сумме величин сжатия, применяемых для 1) обеспечения механической прочности изолятора при приложении механических нагрузок при нормальной температуре и 2) для компенсации температурного сжатия слоя диэлектрика и его неполного эластического восстановления при низкой температуре. В соответствии с этим, полученная величина сжатия слоя диэлектрика может быть увеличена на 10-100% или же толщина слоя диэлектрика в сжатом виде может быть дополнительно уменьшена на величину сжатия, применяемую для обеспечения удержания крепежного элемента на слое диэлектрика без учета температурного сжатия слоя диэлектрика и его неполного эластического восстановления при низкой температуре, которая может достигать 10-100% от величины сжатия для компенсации температурного сжатия слоя диэлектрика.
Величины сжатия зависят от размеров и формы слоя диэлектрика, а также свойств резины, используемой для изготовления слоя диэлектрика, в связи с чем невозможно дать абсолютные или относительные величины сжатия или размеры сжатых элементов без конкретных характеристик проходного изолятора и условий эксплуатации. Рекомендации по их определению приведены выше. В одном из вариантов изготовления диэлектрического слоя из силиконовой резины, содержащей около 50% минерального наполнителя, обычно используемой для изготовления защитных оболочек высоковольтных изоляторов, и опрессовки сжимающего элемента изолятора при нормальной температуре, относительная величина линейного сжатия, обеспечивающая компенсацию температурных деформаций и эластических свойств при наименьшей эксплуатационной температуре минус 60°C, составляет около 3%. Для обеспечения механической прочности изолятора необходимо сжать слой диэлектрика еще на 1-3%. Таким образом, суммарное сжатие слоя диэлектрика из силиконовой резины может составить 4-6% и более. Необходимо учитывать, что сжатие слоя диэлектрика может осуществляться не по всей окружности вокруг электрического проводника и слоя диэлектрика, а лишь в некоторых местах.
Следует принимать во внимание, что сжатие слоя диэлектрика предпочтительно осуществляется с использованием противоположных относительно электрического проводника участков слоя диэлектрика. Соответственно, суммарное сжатие, обеспечиваемое крепежным узлом, в частности сжимающим элементом, должно быть определено с учетом того, что слой диэлектрика сжимается как с одной стороны от электрического проводника, так и с другой стороны от электрического проводника, т.е. полученная в соответствии с приведенными ранее рекомендациями величина сжатия слоя диэлектрика с одной стороны от электрического проводника предпочтительно должна быть удвоена для определения величины, на которую сжимает сжимающий элемент.
Если же в ходе расчетов определяется толщина слоя диэлектрика, которую необходимо обеспечить, то поперечный внутренний размер сжимающего элемента крепежного узла может быть определен как удвоенная полученная толщина слоя диэлектрика с одной стороны от электрического проводника плюс поперечный размер электрического проводника. В том случае, если толщины слоев с разных сторон от электрического проводника не совпадают, то может использоваться их сумма, а не удвоенное значение одной из них. Кроме того, при определении поперечного внутреннего размера сжимающего элемента крепежного узла может учитываться тепловое сжатие электрического проводника, происходящее при понижении температуры эксплуатации; в то же время оно может отбрасываться ввиду малости по сравнению с изменением толщины слоя диэлектрика.
При определении толщины слоя диэлектрика при минимальной температуре эксплуатации экспериментальным способом в случае использования в качестве экспериментального образца проходного изолятора без крепежного узла возможно определить максимальный поперечный внутренний размер (например, диаметр для круглой формы) сжимающего элемента путем непосредственного измерения диаметра диэлектрического слоя при минимальной температуре эксплуатации с последующей корректировкой его величины для учета неполного эластичного восстановления слоя диэлектрика и для обеспечения механической прочности. Уменьшение поперечного внутреннего размера сжимающего элемента по сравнению с максимальным поперечным внутренним размером для обеспечения механической прочности изолятора при крайней низкой температуре эксплуатации может быть определено исходя из экспериментальных данных в процентном отношении к замеренному поперечному размеру слоя диэлектрика. Если сжимающий элемент крепежного узла не прилегает непосредственно к слою диэлектрика, а, например, отделен каким-либо дополнительным элементом (например, прокладкой), толщина и сжимаемость этого дополнительного элемента должны учитываться при определении поперечного внутреннего размера сжимающего элемента.
Расчеты и эксперименты показывают, что для достижения необходимой степени сжатия, обеспечивающей эксплуатацию проходного изолятора в заданном диапазоне температур в соответствии с вышеприведенным описанием, относительное линейное сжатие слоя диэлектрика, то есть отношение разности толщины слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником и толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента к одной из этих толщин, должно быть не менее чем 1%. Указанное относительное линейное сжатие слоя диэлектрика может быть определено, например, как относительная разность толщин слоя диэлектрика, измеренных до установки сжимающего элемента (или до его сжатия) и после установки сжимающего элемента и сжатия с его помощью слоя диэлектрика.
В том случае, когда необходимо определить величину относительного линейного сжатия слоя диэлектрика уже изготовленного проходного изолятора, это может быть сделано путем определения толщины сжатого слоя диэлектрика (непосредственно, если это возможно, или с использованием, например, данных о внешних размерах сжимающего элемента, а также данных о разнице между внешними и внутренними размерами сжимающего элемента), снятия сжимающего элемента и определения толщины слоя диэлектрика в свободном состоянии. При использовании последней величины необходимо учитывать способность материала диэлектрика восстанавливать свои начальные размеры после сжатия, а также имеющиеся данные о той температуре, при которой эксплуатировался проходной изолятор. Кроме того, при определении величины относительного линейного сжатия необходимо учитывать температуры, при которых происходили определения указанных толщин слоя диэлектрика. В настоящей заявке по умолчанию считается, что определение толщин осуществляется при нормальной температуре, например при температуре в жилых производственных помещениях, рассчитанных на присутствие людей. В качестве такой температуры может приниматься температура из диапазона от +15 до +25°C.
В том случае, если определение толщины слоя диэлектрика в свободном состоянии осуществляется, например, при наименьшей эксплуатационной температуре, то относительное линейной сжатие может иметь и величину менее 1%, поскольку при этой температуре для обеспечения технического результата настоящего изобретения достаточно, чтобы толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником была меньше толщины слоя диэлектрика в этом месте без сжимающего элемента (или после удаления сжимающего элемента), поскольку именно при таком условии сжимающий элемент обеспечивает сжатие слоя диэлектрика во всем диапазоне эксплуатационных температур. Однако наименьшая эксплуатационная температура является величиной неопределенной ввиду того, что один и тот же изолятор может использоваться в разных условиях и при разных температурах, согласно чему меняется и диапазон эксплуатационных температур.
При измерении толщин при нормальной температуре толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником преимущественно меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента на величину 2-20%. Кроме того, в некоторых вариантах выполнения предпочтительно, чтобы относительное линейное сжатие слоя диэлектрика составляло не менее 4-6%.
Сжимающий элемент может быть выполнен в различной форме. Как уже описывалось по отношению к фиг.1, он может быть выполнен в виде опрессовываемой части 3 втулки - в этом случае втулка должна быть выполнена из материала, который поддается обработке давлением, например, из металла. В то же время втулка может состоять из двух или более частей (например, в виде секторов), соединяемых между собой резьбовым или другим соединением с обеспечением сжатия слоя диэлектрика, например, когда соединяемые части втулки охватывают, по меньшей мере, часть слоя диэлектрика вокруг оси проходного изолятора предпочтительно вместе с расположенным под слоем диэлектрика электрическим проводником. В этом случае втулка необязательно выполнена из материала, поддающегося обработке давлением.
Кроме того, сжимающий элемент может быть выполнен в виде стяжки, в таком случае втулка с крепежной частью (фланцем) может крепиться поверх сжимающего элемента. Такая установка втулки возможна и в тех случаях, когда сжимающий элемент, на который крепится втулка, выполнен в виде опрессовываемой детали или соединяемой из нескольких частей с охватом, по меньшей мере, части слоя диэлектрика вокруг оси проходного изолятора предпочтительно вместе с расположенным под слоем диэлектрика электрическим проводником. Так, на фиг.3-5 показаны варианты выполнения проходного изолятора, в которых используются сжимающие элементы в виде опрессовываемых колец 7, на которые крепятся втулки, состоящие из соединительной части 8 и крепежной части 4 (фланца). Крепление втулок может осуществляться приклеиванием, посадкой в натяг или другими способами. На фиг.1-9 одинаковые функциональные элементы обозначены одинаковыми цифрами и повторное описание ранее описанного элемента не приводится.
Показанные на фиг.3 и 4 проходные изоляторы различаются длиной ввиду того, что предназначены для восприятия различных механических нагрузок и/или для крепления в объектах разной толщины. Вследствие того, что объект, для установки в котором предназначен изолятор на фиг.4, имеет большую толщину, чем объект, для установки в котором предназначен изолятор на фиг.3, средняя часть изолятора на фиг.4 и соединительная часть 8 втулки имеют большую длину. Кроме того, удлиненная соединительная часть втулки может быть применена для увеличения прочности изолятора на изгиб. Соответственно, для повышения механической надежности конструкции проходного изолятора введен дополнительный сжимающий элемент в виде опрессовываемого кольца 9, к которому прикреплена соединительная часть 8 втулки, также как и к опрессовываемому кольцу 7. Крепление втулки к опрессовываемому кольцу может быть выполнено различными способами, известными из уровня техники, например, с помощью приклеивания. На фиг.5 показан вид с торца проходного изолятора, который будет одинаков для изоляторов на фиг.3 и 4.
Следует отметить, что закрепление проходного изолятора в объекте может быть выполнено с использованием одного или нескольких сжимающих элементов, таких как опрессовываемое кольцо или других, однако с точки зрения надежности конструкции предпочтительно использование втулки с фланцем.
На фиг.6 и 7 показан проходной изолятор, содержащий токопроводящие слои 10, расположенные в слое диэлектрика 2 вокруг электрического проводника 1 (в то же время слои 10 могут не полностью охватывать проводник 1, например, в случае сечения проводника не цилиндрической формы). Указанные слои 10 предназначены для корректировки (выравнивания) распределения электрического поля, создаваемого протекающим по электрическому проводнику 1 изолятора током. Как показано на фиг.6, слои 10 могут иметь неодинаковую длину вдоль изолятора, например длина более дальнего слоя 10 меньше длины слоя 10, расположенного ближе к электрическому проводнику (соответственно, глубже относительно поверхности слоя 3 диэлектрика).
Слои 10 могут быть выполнены с использованием материала, обладающего проводимостью выше, чем проводимость силиконовой резины, использованной для изготовления слоя диэлектрика.
В предпочтительном варианте слои 10 изготавливаются с помощью силиконовой резины, проводимость которой выше, чем проводимость силиконовой резины, использованной для изготовления слоя диэлектрика. Такая силиконовая резина может быть получена введением соответствующих токопроводящих добавок, известных из уровня техники. Процесс изготовления проходного изолятора в таком случае может совпадать с описанным выше за исключением того, что слои 10 могут быть образованы путем нанесения силиконовой резины с повышенной проводимостью кистью, валиком, краскопультом или же путем помещения заготовки проходного изолятора в форму с диаметром, чуть большим, чем у имеющегося слоя диэлектрика и заполнением пустого пространства силиконовой резиной с повышенной электрической проводимостью.
На фиг.8 и 9 показан проходной изолятор, содержащий в своем составе для повышения механической прочности слоя 2 диэлектрика два или более армирующих стержня 12, по меньшей мере, частично расположенных в слое 2 диэлектрика около проводника 1 и соединенных между собой с помощью, по меньшей мере, двух соединительных элементов 11, установленных, по меньшей мере, частично в слое диэлектрика 2. Соединительные элементы 11 могут представлять собой втулки, которые могут быть установлены, как это показано на фиг.8 и 9, на электрическом проводнике 1. Стержни могут быть выполнены из диэлектрического или токопроводящего материала.
1. Проходной изолятор, содержащий электрический проводник, слой диэлектрика и крепежный узел, причем слой диэлектрика выполнен с использованием эластичного диэлектрического материала и расположен между электрическим проводником и крепежным узлом, причем крепежный узел содержит, по меньшей мере, один сжимающий слой диэлектрика элемент, причем толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента не менее чем на 1%.
2. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента на величину 2-20%.
3. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя диэлектрика между сжимающим элементом и электрическим проводником меньше толщины слоя диэлектрика в этом же месте без сжимающего элемента не менее чем на 4%.
4. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что эластичный диэлектрический материал представляет собой кремнийорганическую (силиконовую) резину.
5. Изолятор по п.4, отличающийся тем, что кремнийорганическая резина содержит в своем составе от 30% до 60% минерального наполнителя.
6. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что эластичный диэлектрический материал представляет собой этиленпропиленовую резину.
7. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что эластичный диэлектрический материал представляет собой полиуретан.
8. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что крепежный узел выполнен в виде металлической втулки, причем сжимаемый элемент представляет собой опрессовываемую часть втулки, выполненную с возможностью охвата, по меньшей мере, части слоя диэлектрика, причем втулка также содержит крепежную часть, выполненную с возможностью закрепления на поверхности объекта, в котором устанавливается изолятор.
9. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что крепежный узел содержит фланец, установленный на сжимаемом элементе и выполненный с возможностью прикрепления к объекту, в котором устанавливается изолятор.
10. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один слой материала с проводимостью выше, чем проводимость эластичного диэлектрического материала, использованного для изготовления слоя диэлектрика, расположенный в слое диэлектрика, по меньшей мере, частично, вокруг электрического проводника и без электрического контакта с проводником и крепежным узлом.
11. Изолятор по п.10, отличающийся тем, что материал с проводимостью выше, чем проводимость эластичного диэлектрического материала, использованного для изготовления слоя диэлектрика, представляет собой металл.
12. Изолятор по п.10, отличающийся тем, что материал с проводимостью выше, чем проводимость эластичного диэлектрического материала, использованного для изготовления слоя диэлектрика, представляет собой эластичный токопроводящий материал.
13. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что содержит два или более стержня, по меньшей мере, частично расположенных в слое диэлектрика около проводника и соединенных между собой с помощью, по меньшей мере, двух соединительных элементов, установленных, по меньшей мере, частично в слое диэлектрика.
14. Изолятор по п.13, отличающийся тем, что стержни выполнены из диэлектрического материала.
15. Изолятор по п.13, отличающийся тем, что стержни выполнены из токопроводящего материала.
16. Изолятор по п.1, отличающийся тем, что слой диэлектрика на поверхности содержит ребра.
