Материалы для изоляторов

Изолятором согласно ГОСТ 27744-88 называют электротехническое устройство, предназначенное для электрической изоляции и механического крепления электроустановок или их отдельных частей, находящимися под разными электрическими потенциалами. Из определения следует, что диэлектрики, из которых изготавливаются изоляторы, должны обладать высокой прочностью, поскольку изоляторы несут значительную механическую нагрузку. Диэлектрики должны иметь и высокую электрическую прочность, позволяющую создавать экономичные и надежные конструкции изоляторов. Пробой тела диэлектрика выводит изолятор из строя, а разряд по поверхности при условии быстрого отключения напряжения не причиняет изолятору никаких повреждений. Поэтому пробивное напряжение твердого диэлектрика в изоляторе должно быть примерно в 1,5 раза выше, чем напряжение перекрытия по поверхности, которое и определяет электрическую прочность изолятора.

Диэлектрик должен быть негигроскопичен и не изменять своих свойств под действием метеорологических факторов. При увлажнении и загрязнении поверхности изоляторов, устанавливаемых на открытом воздухе, могут возникнуть частичные электрические дуги. Под их действием поверхность может обугливаться и на ней появляются проводящие следы – треки, снижающие электрическую прочность изоляторов. Повреждение поверхности твердого диэлектрика вследствие поверхностного пробоя, вызывающего образование проводящих следов, называется трекингом диэлектрика. Поэтому диэлектрики для изоляторов, предназначенных для работы на открытом воздухе, должны иметь высокую трекингостойкость или эрозионную стойкость.

Всем указанным требованиям в наибольшей степени удовлетворяет глазурованный электротехнический фарфор и стекло, а также некоторые полимеры. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине 1,5мм составляет 30-40кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины. Электрическая прочность стекла при тех же условиях составляет 45кВ/мм. Механическая прочность фарфора и стекла зависит от вида нагрузки. Например, предел прочности обожженного фарфора составляет: при сжатии 450МПа. при изгибе 70МПа, а при растяжении 30МПа. Таким образом, наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие.

Стекло по механической прочности не уступает фарфору и также лучше работает на сжатие. Изоляторы из закаленного стекла имеют ряд преимуществ перед фарфоровыми. Технологический процесс их изготовления полностью автоматизирован. Прозрачность стекла позволяет визуально обнаружить внутренние дефекты. Повреждение стекла приводит к разрушению диэлектрической части изолятора, которое легко обнаруживается при осмотре ЛЭП эксплуатационным персоналом. Стекло более технологичный материал по сравнению с фарфором. Поэтому стеклянным изоляторам можно придать более рациональную форму по сравнению с фарфоровыми изоляторами и получить меньшие габариты при сохранении требуемых электрических характеристик.

Еще большими преимуществами по сравнению с изоляторами из стекла и фарфора обладают полимерные изоляторы [26]. Применение полимерных материалов в устройствах контактной сети электрифицированных железных дорог является одним из направлений технического прогресса на железнодорожном транспорте. Полимерные изоляторы имеют следующие преимущества: технологичность, малая масса, компактность, простота монтажа, высокая механическая прочность к ударным воздействиям, большая долговечность, надежность и экономичность. Незаменимыми оказываются полимерные изолирующие материалы и при монтаже контактных подвесок в искусственных сооружениях с ограниченными габаритами.

Полимерная изоляция контактной сети в большинстве случаев изготавливается комбинированной: одни материалы, например, стеклопластиковые стержни воспринимают механические нагрузки, а другие, в виде защитной оболочки, обеспечивают электрическую прочность.

Стеклопластики состоят из стеклянной арматуры (нитей, лент или тканей) и полимерного связующего на основе полиэфирных, эпоксидных, кремнийорганических и других синтетических смол. Полимерные связующие в стеклопластиках выполняют роль клеящей среды, объединяющей стеклянные волокна в монолитное изделие. На электрифицированных железных дорогах в полимерных изоляторах и изолирующих элементах используются стеклопластиковые стержни диаметром 14-55 мм.

Материал защитной оболочки полимерных стержневых изоляторов должен обладать высокой трэкингоэрозионной стойкостью, дугостойкостью, устойчивостью к гидролизу, агрессивным средами ультрафиолетовому облучению. Этим показателям удовлетворяет политэтрафторэтилен (фторопласт-4), кремнийорганические резины (эластомеры) и этиленпропиленовые материалы. В применяемых на электрифицированных железных дорогах полимерных изоляторах защитные оболочки в основном выполняются из кремнийорганической резины зарубежного производства.

Для надежной защиты стеклопластика от проникновения влаги оболочка не должна терять герметичность в течение всего срока службы изолятора. Защитная оболочка должна обладать хорошей адгезией к стержню. Для защиты стеклопластика от проникновения влаги и исключения частичных разрядов в пустотах, образующихся между составными частями изолятора при сборке изоляторов используют различные герметизирующие и клеевые материалы: эпоксидные компаунды кремнийорганические пасты, вазелины, силиконовые компаунды холодного отверждения. Применение полимерных изоляторов на ЛЭП позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов и заменить гирлянду изоляторов одним.

Вероятность безотказной работы полимерных изоляторов должна быть не меньше значения, определяемого из выражения [26]:

(1.1)

Где t – время с начала эксплуатации, годы; 0,0003 – коэффициент, характеризующий годовую повреждаемость. 1/год. Срок службы полимерных изоляторов контактной сети электрифицированных железных дорог должен быть не менее 25 лет.

Независимо от примененного материала изоляторы по своему назначению делятся на линейные и аппаратные [27].