Материал и конструкция линейных изоляторов

Материал, используемый для изготовления изоляторов, должен обладать высокой электрической и механической прочностью. Практически применяются два материала: электротехнический фарфор и закаленное стекло. Электротехнический фарфор обладает высокими изоляционными свойствами, механическая же прочность фарфора зависит от вида деформации: фарфор допускает высокие нагрузки на сжатие, но недостаточно прочен при изгибающих и растягивающих нагрузках. За счет улучшения технологии изготовления фарфоровой массы (понижения щелочности, увеличения количества кварца, повышения дисперсности материалов) удается изготовлять высокопрочные фарфоровые изоляторы, обладающие повышенной электрической и механической прочностью.

Электротехническое стекло также обладает высокими изоляционными свойствами и в настоящее время успешно конкурирует с фарфором в качестве материала для изоляторов. Стекло, как и фарфор, обладает высокой прочностью на сжатие. Путем закалки можно существенно повысить также прочность стекла на изгиб и растяжение При закалке изолятор нагревается до температуры 650-780 °С (соответственно для щелочного и малощелочного стекла) и затем охлаждается в струе холодного воздуха. Верхние слои изолятора затвердевают быстрее, чем внутренние слои, которые, остывая, стремятся сократиться в объеме. В результате во внутренних слоях возникают растягивающие, а в наружных слоях – сжимающие упругие напряжения. Внешнюю нагрузку воспринимают наружные слои, в которых под действием растягивающей нагрузки происходит ослабление сжимающих напряжений, а под действием сжимающих нагрузок – усиление напряжений. В результате прочность стекла на растяжение и изгиб резко повышается, а прочность на сжатие, достаточно высокая, незначительно понижается.

В конструктивном отношении линейные изоляторы подразделяются на штыревые и подвесные. Штыревые изоляторы обычно применяются на линиях до 10 кВ и в более редких случаях – на линиях 20 – 35 кв. Подвесные изоляторы обычно применяются на линиях 35 кв и выше и иногда на линиях более низкого напряжения.

Конструкция штыревого изолятора на напряжение 6 – 10 кВ показана на рис. 5.2. Изолятор навертывается в вертикальном положении на штырь или крюк, обмотанные паклей. Пакля пропитывается суриком, который, засыхая, придает креплению необходимую жесткость. Провод крепится в верхней или боковой борозде изолятора с помощью проволочной вязки.

Рис 5.2 – Линейный штыревой изолятор на напряжение 10 кВ.

Штыревые изоляторы выполняются с резко выступающими ребрами, обращенными книзу. Впадины между ребрами защищены от дождя, что повышает мокроразрядное напряжение изолятора.

Подвесные тарельчатые изоляторы. Типовая конструкция тарельчатых изоляторов с конусной головкой показана на рис. 5.3. Головка изолирующего тела («тарелки») изолятора армирована снаружи металлической шапкой. Изнутри в головку введен и закреплен стальной стержень, называемый пестиком. Для армирования шапки и пестика используется портландцемент высокого качества, имеющий температурный коэффициент расширения (ТКР), близкий к ТКР фарфора. Внутренняя и внешняя поверхности изоляционного корпуса глазурованы. С такой поверхностью цемент не схватывается, и возможны малые перемещения цементной массы в корпусе, предотвращающие опасные термомеханические напряжения в изоляторе при колебаниях температуры.

Рис. 5.3 – Линейный тарельчатый фарфоровый изолятор типа ПФЕ-4,5.

В рабочем состоянии к шапке и пестику изолятора приложена только растягивающая нагрузка. Под действием этой нагрузки шапка и пестик с прилегающей к ним цементной массой создают в нижних сечениях конусной головки изолятора сжимающие усилия. Так как фарфор воспринимает высокие нагрузки на сжатие, то тем самым обеспечиваются и высокие допустимые нагрузки на подвесные изоляторы данного типа.

Цементная масса после приложения нагрузки не должна заклиниваться в головке, что было бы опасно с точки зрения термомеханических напряжений. Для предотвращения такого заклинивания угол конусности головки должен быть достаточно велик для того, чтобы силы давления клина, преодолевая силы трения, возвращали стержень с цементной массой в исходное положение.

В последние годы широкое распространение находят изоляторы типа ПС из закаленного стекла (рис. 5.4). Изоляторы выпускаются малогабаритными, с меньшей конусностью головки, а следовательно, и с меньшим диаметром шапки, что улучшает Их электрические характеристики.

Рис. 5.4 – Линейный тарельчатый стеклянный изолятор типа ПС-4,5.

При малой конусности на изоляционный корпус воздействуют изгибающие усилия, допустимые благодаря высокой прочности закаленного стекла на разрыв. Производство стеклянных изоляторов может быть полностью механизировано и даже частично автоматизировано. Исходное сырье – дешево. Поэтому стеклянные изоляторы дешевле фарфоровых.

Тарельчатая конструкция подвесных изоляторов удлиняет путь поверхностного разряда, что ведет и к повышению сухо- и особенно мокроразрядного напряжения. При вертикальном положении изолятора верхняя поверхность тарелки смачивается дождем, а нижняя остается сухой. Напряжение, приложенное под дождем, в основном падает на нижнюю сухую часть изолятора. Поэтому нижняя поверхность тарелки выполняется ребристой, а верхняя – гладкой.

В районах повышенного загрязнения атмосферы применяются изоляторы с увеличенной длиной пути утечки, защищенной от прямого увлажнения, либо с резко улучшенной способностью к самоочистке.

Цифра в названии изолятора указывает его испытательную одночасовую электромеханическую нагрузку в тоннах.

Одиночные подвесные изоляторы применяются только на линиях до 10 кв включительно. На более высоких напряжениях подвесные изоляторы соединяются в гирлянды. На линиях передачи, особенно линиях СВН, изоляторы несут высокие механические нагрузки – от собственного веса провода и давления ветра на провод, покрытого гололедом, что ведет к изгибу гирлянды (в частности, при пляске проводов) и вращению пестика в теле изолятора. Под действием механических нагрузок в изоляторах невысокого качества могут возникать растрескивание изоляционного материала и пробой под шапкой. Такой изолятор, не держащий напряжения, называется нулевым. Когда в гирлянде появляется несколько нулевых изоляторов, то длина пути утечки существенно снижается и становится возможным перекрытие гирлянды под рабочим напряжением, особенно в периоды моросящих дождей.

На перекрытой гирлянде дуга короткого замыкания проходит через тело нулевых изоляторов и может вызвать полное разрушение изолирующего материала, в результате чего изолятор теряет свои механические свойства, гирлянда обрывается и провод падает на землю. Подобные аварии не возникают (во всяком случае часто) при высоких электромеханических свойствах изоляторов и их систематических профилактических испытаниях. Для изоляторов, предназначаемых для линий СВН, целесообразно в типовых испытаниях проверять способность нулевого изолятора сохранять механическую прочность после протекания тока короткого замыкания.