НАЗНАЧЕНИЕ И ТИПЫ ИЗОЛЯТОРОВ

Диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой механической прочностью, по­скольку изоляторы, являясь элементом конструкции, несут значительную нагрузку. Изоляторы линий электропередачи, например, несут нагрузку от натяжения проводов, исчисляе­мую тоннами, а иногда и десятками тонн. Опорные изоля­торы, на которых крепятся шины распределительных уст­ройств, выдерживают громадные нагрузки от электродина­мических сил, возникающих между шинами при коротких замыканиях.

Диэлектрики должны иметь высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надеж­ные конструкции изоляторов. Нарушение электрической прочности изолятора может происходить или при пробое твердого диэлектрика, из которого он изготовлен, или в результате развития разряда в воздухе вдоль внешней поверх­ности изолятора. Пробой твердого диэлектрика означал бы выход изолятора из строя, тогда как разряд по поверхно­сти при условии быстрого отключения напряжения не при­чиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробив­ное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе должно быть (и всегда делается) примерно в 1,5 раза более высо­ким, чем напряжение перекрытия по поверхности, которым и определяется электрическая прочность изолятора.

Диэлектрики должны быть негигроскопичны и не долж­ны изменять своих свойств под действием различных мете­орологических факторов. При неблагоприятных условиях (дождь, увлажненные загрязнения) на поверхностях изоля­торов, устанавливаемых на открытом воздухе (изоляторов наружной установки), могут возникать частичные электри­ческие дуги. Под их действием поверхность может обугли­ваться и на ней могут появляться проводящие следы — треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Поэтому диэлектрики для изоляторов наружной установки должны обладать высокой трекингостойкостыо.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют глазурованный электротехнический фарфор и стекло, получившие широкое распространение, а также не­которые пластмассы.

Электрическая прочность фарфора воднородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 30—40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая проч­ность стекла при тех же условиях — 45 кВ/мм.

Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, прочность фарфоровых образцов диаметром 2—3 см составляет при сжатии 450 МПа, при изгибе — 70 МПа, а при растяжении — всего 30 МПа. По­этому наиболее высокой механической прочностью облада­ют изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие.

Стекло по механической прочности не уступает фарфору и тоже лучше всего работает на сжатие. Стеклянные изо­ляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: на­греваются до температуры примерно 700 ⁰С и затем обду­ваются холодным воздухом. Во время закалки наружные слои стекла твердеют значительно раньше внутренних, по­этому при последующей усадке внутренних слоев в толще стекла образуются растягивающие усилия. Такая предва­рительно напряженная конструкция имеет высокую проч­ность на сжатие. Стеклянные подвесные изоляторы тарельчатого типа для линий электропередачи изготовляют­ся на нагрузки до 530 кН.

Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преиму­ществ перед фарфоровыми: технологический процесс их из­готовления полностью автоматизирован; прозрачность стек­ла позволяет легко обнаружить при внешнем осмотре мел­кие трещины и другие внутренние дефекты; повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изо­лятора, которое легко обнаружить при осмотре линии элек­тропередачи эксплуатационным персоналом.

Полимерные изоляторы наружной установки изготовля­ются из эпоксидных компаундов на основе циклоолифатических смол, из кремнийорганической резины, из полиэфир­ных смол с минеральным наполнителем и добавкой фторо­пласта. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность и достаточную трекипгостойкость. Высокая меха­ническая прочность полимерных изоляторов достигается по­средством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи позво­ляет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов. В закрытых помещениях изоляторы не подвержены вли­янию атмосферных осадков, поэтому для их изготовления в некоторых случаях используется бакелизированная бу­мага. Для уменьшения гигроскопичности такие изоляторы покрываются снаружи водостойкими лаками. Однако наи­большее распространение для внутренней установки полу­чили изоляторы из фарфора и стекла, отличающиеся от изо­ляторов наружной установки более простой формой.

Поскольку перекрытие изоляторов происходит в резуль­тате развития разряда в воздухе вдоль поверхности, на раз­рядные напряжения изоляторов оказывают влияние те же факторы, которые влияют на разрядные напряжения воз­душных промежутков, т. е. давление, температура и абсо­лютная влажность воздуха. Помимо этого на разрядные напряжения изоляторов влияет состояние их поверхности. Условия развития разряда по поверхности изоляторов на­ружной установки существенно изменяются, если на их по­верхностях имеются увлажненные загрязнения или же они смачиваются дождем. Тогда разрядные напряжения значи­тельно уменьшаются. В связи с этим по существующей ме­тодике испытанные изоляторы подвергаются воздействию напряжения в сухих условиях (сухоразрядное напряжение), под дождем (мокроразрядное напряжение) и при увлажненном загрязнении (влагоразрядное напрояжение).

Сухоразрядные напряжения определяются при сухой и чистой поверхности изоляторов и приводятся к нормальным атмосферным условиям. При измерениях мокроразрядных и влагоразрядных напряжений искусственный дождь и ув­лажненные загрязнения создаются по стандартным методи­кам. Это обеспечивает возможность сопоставления резуль­татов, полученных в разное время или в разных лаборато­риях, и объективность оценки изоляторов различной конструкции.

По своему назначению изоляторы делятся на опорные, подвесные и проходные. Опорные изоляторы в свою очередь подразделяются на стержневые и штыревые, а подвесные — на изоляторы тарельчатого типа и стержневые.

Опорно-стержневыеизоляторы применяют в закрытых и открытых распределительных устройствах для крепления на них токоведущих шин или контактных деталей. Изоляторы внутренней установки конструктивно представляют собой фарфоровое тело, армированное крепежными металлически­ми деталями (рис. 4.1).

Арматура одновременно является внутренним экраном, с помощью которого снижается напря­женность поля у края электрода, где она максимальна.

Ребро на теле изолятора играет роль барьера, заставляя разряд развиваться под углом к силовым линиям поля, т. е. по пути с меньшей напряженностью. Внутренний экран и ребро существенно увеличивают разрядное напряжение изолятора.

Изоляторы внутренней установки выпускаются на напря­жения до 35 кВ. Обозначение изоляторов, например, ОФ-35-375 расшифровывается следующим образом: опорный, фарфоровый на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой на изгиб 375 даН.

Опорно-стержневые изоляторы наружной установки от­личаются большим количеством ребер, чем изоляторы вну­тренней установки. Ребра служат для увеличения длины пути утечки с целью повышения разрядных напряжений изоляторов под дождем и в условиях увлажненных загряз­нений. Изоляторы на напряжения 35—110 кВ состоят из сплошного фарфорового стержня, армированного чугунны­ми фланцами (рис. 4.2). Обозначение, например, ОНС-35-2000 расшифровывается следующим образом: опорный, на­ружной установки, стержневой на 35 кВ, с минимальной разрушающей силой 2000 даН.

Опорно-штыревыеизоляторы применяют для наружных установок в тех случаях, когда требуется высокая механическая прочность и опорно-стержневые изоляторы применены быть не могут. Опорно-штыревой изолятор состоит из фарфоровой или стеклянной изолиру­ющей детали, с которой при помощи цемента скрепляется металлическая арматура—штырь с фланцем и колпа­чок (шапка). Изолирующая деталь опорных штыревых изоляторов на напряжения 6—10 кВ выполняется одно­элементной, а на напряжение 35 кВ — двух или трехэлементной (рис. 4.3).

В установках напряжением 110 кВ и выше используются колонки, состоя­щие из нескольких установленных друг на друга опорно-штыревых изо­ляторов на напряжение 35 кВ. В обозначение изоляторов введена буква Ш (штыревой).

Штыревые линейные изоляторына напряжение 6—10 кВ состоят из фарфоровой или стеклянной изолирующей дета­ли, в которую ввертывается металлический крюк или штырь (рис. 4.4). Крюк служит для закрепления изолятора на опоре. Провод укладывается в бороздки на верхней или боковой поверхности изолятора и крепится посредством проволочной вязки или специальных зажимов. На напря­жение 35 кВ изоляторы выполняются из двух склеенных между собой изолирующих деталей, что увеличивает их электрическую и механическую прочность. Обозначение штыревых линейных изоляторов, например ШФ6, означает:

штыревой фарфоровый на 6 кВ. Буква С в обозначении (ШС) указывает на то, что изолятор стеклянный.

Подвесные изоляторы тарельчатого типа широко приме­няются на воздушных линиях электропередачи 35 кВ и вы­ше. Они состоят из изолирующей детали (стеклянной или фарфоровой), на которой при помощи цемента укрепляется металлическая арматура — шапка и стержень (рис. 4.5).

Требуемый уровень выдерживаемых напряжений дости­гается соединением необходимого количества изоляторов в гирлянду. Это осуществляется путем введения головки стержня в гнездо на шапке другого изолятора и закрепле­ния его замком. Гирлянды благодаря шарнирному соедине­нию изоляторов работают только на растяжение. Однако изоляторы сконструированы так, что внешнее растягиваю­щее усилие создает в изоляционном теле в основном напря­жения сжатия. Тем самым используется высокая прочность фарфора и стекла на сжатие.

У фарфорового изолятора наружная и внутренняя по­верхности головки (средней части изолирующей детали) покрывают фарфоровой крошкой, которая при обжиге спе­кается с фарфором. Это обеспечивает прочное сцепление це­ментной связки с головкой. Для компенсации температур­ных расширений цементной связки применяют эластичные промазки, которыми покрывают все элементы изолятора соприкасающиеся с цементом. В стеклянных изоляторах внутренняя и наружная поверхности головки имеют опорные выступы, что обеспечивает лучшее распределение усилий в изоляторе.

Верхняя часть тарелки подвесного тарельчатого изолятора имеет гладкую поверхность, наклоненную под углом 5—10° к горизон­тали, что обеспечивает стекание воды во время дождя. Нижняя поверхность тарел­ки для увеличения длины пути утечки выполняется ребристой.

Наиболее частой причи­ной выхода из строя та­рельчатых изоляторов явля­ется пробой фарфора (стек­ла) между шапкой и стерж­нем, однако механическая прочность изолятора при этом не нарушается и паде­ния провода на землю не происходит. Это является существенным достоинст­вом тарельчатых изоля­торов.

Обозначение изоляторов тарельчатого типа, напри­мер ПС-16Б, означает: П —гарантированная электромеханическая прочность 160 кН, индекс Б означает вид конструктивного исполнения изо­лятора. Электромеханическая прочность изолятора — это величина разрушающей механической силы при приложе­нии к изолятору напряжения, равного 75—80 % разрядно­го напряжения в сухом состоянии.

Подвесные стержневые изоляторыпредставляют собой стержень из изолирующего материала с выступающими на нем ребрами, армированный с обоих концов металлическими шапками (рис. 4.6).

Эти изоляторы, как правило, выполня­ются из электротехнического фарфора. Однако в последнее время начат выпуск стержневых полимерных изоляторов. Стержневые изоляторы из фарфора не нашли в СССР широкого применения вследствие сравнительно невысокой механической прочности, а также возможности полного разрушения с падением на землю.

Проходные изоляторыприменяются для изоляции токоведущих частей при прохождении их через стены, потолки и другие элементы конструкций распределительных, уст­ройств и аппаратов. Проходной изолятор в самом простом случае состоит из полого фарфорового элемента, внутри которого проходит токоведущий стержень (шина), и фланца, служащего для механического крепления изолятора к кон­струкции, через которую осуществляется ввод напряжения (рис. 4.7). Проходные изоляторы, предназначенные для на­ружной установки, имеют более развитую поверхность той части изолятора, которая располагается вне помещения.

Обозначение проходного изолятора содержит значение номинального тока, например ПНШ-35/3000-2000 означает: проходной, наружной установки, шинный на напряжение 35 кВ и номинальный ток 3 кА с механической прочностью 20 кН.