Изоляторы

Изоляторы являются ответственным элементом контактной сети и должны удовлетворять требованиям в отношении электрической и механической прочности. Электрическая прочность изоляторов характеризуется сухоразрядным, мокроразрядным и пробивным напряжением, а механическая—допускаемой, испытательной и раз­рушающей нагрузкой на растяжение и изгиб.

Изоляторы классифицируются:

• по назначению — подвесные, натяжные (секционные), фикса-торные, консольные;

• по материалу изоляционной детали — керамические (фарфо­ровые), стеклянные, полимерные;

• по типу конструкции — тарельчатые, стержневые;

• по геометрии изоляционной детали — гладкостержневые, ребристые;

• специальные — грязестойкие (в особо загрязненных районах) и антивандальные (устойчивые к ударам и нагрузкам).

За многие годы эксплуатации устройств электроснабжения на же­лезнодорожном транспорте накопилось значительное количество ти­пов конструкций высоковольтных изоляторов отечественного и за­рубежного производства, многие из которых сняты с производства. Имеется каталог изоляторов для контактной сети и ВЛ электрифи­цированных железных дорог, который содержит краткое описание и основные технические характеристики серийно выпускаемых за­водами России и находящихся в эксплуатации изоляторов.

В качестве примера на рис. 2.16 показаны конструкции подвес­ных тарельчатых высоковольтных изоляторов, состоящих из шап­ки 1, изготовленной из ковкого чугуна, изолирующей детали (та­релки) 2 из фарфора (стекла или стеклофарфора) и металлического стержня 3, заканчивающегося пестиком (рис. 2.16, а) или серьгой б (рис. 2.16, б). Головка изолирующей детали выполнена в форме об­ратного конуса, что обеспечивает надежное сцепление шапки и стер­жня. Изолирующий элемент соединен с шапкой и стержнем с по­мощью портландцемента 4. Конструкция шапки и стержня с пестиком

Рис. 2.16. Подвесные тарельчатые фарфоровые изоляторы: а — ПФ6-А; б — ПТФ70-3,3/5

обеспечивает нормальное шарнирное сцепление изоляторов при ком­плектовании их в гирлянду. Для предотвращения расцепления шапки одного изолятора с пестиком другого служат замки 5.

Фарфор изолятора в изломе должен быть однородным по струк­туре и не иметь открытой пористости. Поверхность фарфора изо­лятора покрывают ровным слоем гладкой и блестящей глазури. Металлическую арматуру изоляторов оцинковывают.

Грязестойкие изоляторы предназначены для использования в местностях, подверженных всем видам загрязнений, содержащих проводящие компоненты, и в условиях туманов или высокой влаж­ности. Они имеют увеличенную длину пути утечки и конструктив­ные отличия, облегчающие условия обмывки их поверхности.

Стеклянные изоляторы легче фарфоровых и лучше противостоят ударным нагрузкам. К их достоинствам относится и то, что в слу­чае электрического пробоя или разрушающего механического или термического воздействия закаленное стекло не растрескивается, а рассыпается. Это облегчает нахождение не только места повреж­дения на линии, но и поврежденного изолятора в гирлянде, т.е. позволяет отказаться от профилактической дефектировки изоля­торов. Для изготовления изоляторов, кроме фарфора и стекла, ис­пользуют полимерные и другие материалы.

Для изготовления стеклянных изоляторов из щелочного стек­ла применяют состав, принятый для производства обычного окон­ного стекла. Высокая механическая прочность и термостойкость стеклянных изоляторов обеспечиваются специальной термической обработкой — закалкой, которая повышает прочность на разрыв и изгиб. Это позволяет конструировать стеклянные изоляторы с меньшей головкой изолирующей детали. Поэтому при одинако­вых электрических и механических характеристиках стеклянные изоляторы имеют меньшую высоту и массу, чем фарфоровые.

Электрическую прочность изоляторов принято характеризовать следующими величинами: длиной пути утечки L , выдерживаемым напряжением под дождем и в сухом состоянии; 50%-ным разряд­ным импульсным напряжением с формой волны 1,2/50 мкс; про­бивным напряжением при частоте 50 Гц.

Длина пути утечки L —это наикратчайшее расстояние (оги­бающая) или сумма наикратчайших расстояний по контурам наруж­ных изолирующих поверхностей между частями изолятора, находящимися под разными потенциалами. При этом расстояние, измерен­ное по поверхности цементного шва или другого токопроводящего соединительного материала, не считается частью длины пути утечки.

Значение выдерживаемого испытательного напряжения под дож­дем зависит от формы изолятора, наличия капельниц (выступов в нижней части ребра изолятора, предохраняющих ее поверхность от смачивания водой), угла наклона оси изолятора к горизонтали.

Загрязнение изоляторов практически не влияет на значение вы­держиваемого испытательного напряжения в сухом состоянии, т.е. если относительная влажность воздуха не превышает 70 %. Увлаж­нение поверхности загрязненных изоляторов (при росе, моросящем дожде, тумане, мокром снеге) приводит к резкому снижению раз­рядного напряжения. Наиболее опасными являются загрязнения, в которых содержится много растворимых в воде солей.

Загрязнение изоляторов опасно не только из-за перекрытий, приводящих к снятию напряжения, а в отдельных случаях и к изло­му стержневых изоляторов, но и тем, что оно способствует элект­ролитическому разъеданию (коррозии) стержня подвесных изо­ляторов на участках постоянного тока.

В эксплуатационных условиях поверхности изоляторов загряз­няются и увлажняются неравномерно. Кроме того, при сложной форме изолятора разряд на отдельных участках может отрываться от поверхности и развиваться по наикратчайшему пути в воздухе. В результате эффективно используется не вся геометрическая дли­на пути утечки L , а только ее часть. Поэтому напряжение пере­крытия изоляторов, загрязненных в реальных условиях эксплуата­ции, пропорционально не геометрической, а эффективной длине пути утечки L. = L /к, где к = 1 ...1,3 — поправочный коэффици­ент, иногда называемый коэффициентом формы изолятора. Коэф­фициент к зависит не только от формы изолятора, но и от условий его загрязнения, т.е. от скорости ветра и интенсивности мокрых осадков, от адгезионных и других свойств загрязняющих веществ.

Для конкретной местности с определенными метеорологичес­кими условиями, свойствами и интенсивностью загрязнения атмос­феры вероятность перекрытия изолятора зависит от l_э=L_эфU_max(здесь U_max — максимальное рабочее напряжение).

Величина l_э получила название удельной длины пути утеч­ки (см/кВ), т.е. длины пути утечки (см) по поверхности изоляции на 1 кВ максимального рабочего напряжения.

В зависимости от характеристики местности и опасности источ­ников загрязнения для работы изоляции установлены семь степе­ней загрязненности атмосферы (СЗА) и нормированы наименьшие допустимые значения l_э.,при которых обеспечивается минималь­ное число отключений под действием рабочего напряжения.

Для воздушных линий с номинальным напряжением 3—35 кВ рекомендуются следующие удельные длины пути утечки l_э, см/кВ, не менее: 1,70; 1,90; 2,25; 2,60; 3,50, 4,00 и 4,7 при степени загряз­ненности атмосферы I, II, III, IV, V, VI и VII соответственно.

Степени загрязненности атмосферы, учитывающие все возмож­ные источники загрязнения: промышленные предприятия, засолен­ные почвы и засоленные водоемы, подробно изложены в Руково­дящих указаниях по выбору и эксплуатации изоляции (РУ) в районах с загрязненной атмосферой, в которых приведена харак­теристика местности по степени загрязненности атмосферы:

I — особо чистые районы, не подверженные естественным и про­мышленным загрязнениям, в почве содержится незначительное количество растворимых ионообразующих примесей (например, лесные или почвы, имеющие травянистый покров, затрудняющий перенос пылевых частиц в воздухе);

II — земледельческие районы, для которых характерно применение в широком масштабе химических веществ (удобрений, гербицидов);

III—IV — определяются по степени опасности загрязнения про­мышленных предприятий, засоленности и характеру покрова со­лончаковых почв, солености близко расположенных водоемов и расстоянию линий электропередачи от источника загрязнения.

V—VII — определяются по степени опасности от предприятий промышленности, от сильнодействующих загрязнений, смога, хи­мических предприятий и других условий.

В контактной сети переменного тока рабочее напряжение может достигать 29 кВ. Следовательно, длина пути утечки у изоляции кон­тактной сети переменного тока для участков с различной степенью загрязненности атмосферы должна быть не менее L_у = U_max l_э.

Степень загрязненности атмосферы

I II III IV V VI VII

l_э, см/кВ 1,7 1,9 2,25 2,6 3,5 4,0 4,7

L_y, см 49,3 55,1 65,2 75,4 101,5 116,0 136,3

Минимальная длина пути утечки для районов с СЗА составляет для изоляторов на контактной сети переменного тока 800 — 1500 мм (для гладкостержневых изоляторов 750—1200, на участках постоянно­го тока не менее 500 мм, на скоростных участках движения поездов (161—200 км/ч) не менее 600 мм).

На контактной сети и ВЛ эксплуатируются тарельчатые, стер­жневые и полимерные изоляторы. Условные обозначения тарель­чатых изоляторов следующие. Первая буква указывает назначение изолятора: П — подвесной, Ф — фиксаторный; вторая обозначает материал изоляционной детали: Ф — фарфор, С — стекло; третья указывает конфигурацию изоляционной детали: В — с вытянутым ребром; Д — двукрылая, С — сферическая, А — антивандальная; цифра указывает класс изолятора в кН; буква после цифры обо­значает модификацию изолятора. Например, ПС70-Е — подвесной, стеклянный, 70 кН, модификация Е (рис. 2.17, а).

Условные обозначения стержневых фарфоровых изоляторов: первая буква указывает назначение: П — подвесной, Н — натяж­ной, Ф — фиксаторный, К — консольный; вторая обозначает кон­структивное исполнение: С — стержневой; третья обозначает ма­териал изоляционной части: Ф — фарфор; первая цифра обозначает класс изолятора в кН; вторая указывает номинальное напряжение в кН; третья показывает длину пути утечки в м. На­пример, НСФ70-25/0,95 — натяжной, стержневой, фарфоровый, 70 кН, 25 кВ, 0,95 м, (рис. 2.17, б).

Условные обозначения полимерных стержневых изоляторов: первая буква обозначает назначение изолятора: Н— натяжной, Ф — фиксаторный, К — консольный; вторая указывает конструк­тивное исполнение: С — стержневой; третья указывает материал и конфигурацию защитной оболочки: К— гладкая из кремнийорганической резины, Кр — ребристая из кремнийорганической ре­зины, Фт — гладкая из фторопласта; первая цифра — класс изоля­ции в кН; вторая — номинальное напряжение в контактной сети в кВ; третья — длина пути утечки в м. Например, НСКр 120-3/0,6 — натяжной, стержневой, ребристый из кремнийорганической резины, 120 кН, ЗкВ, 0,6 м (рис. 2.17, в).

На контактной сети электрифицированных железных дорогах эксплуатируются специальные фиксаторные тарельчатые изоляторы

Рис. 2.17. Подвесной стеклянный тарельчатый изолятор ПС70-Е (а);

натяжные стержневые фарфоровый НСФ70-25/0,95 (б) и полимерный

НСКр120-3/0,6 (в) изоляторы

типа ФТФЗ,3/3 (рис. 2.18, а), ФТФ-40, ФФ40-А (рис. 2.18, б), арми­рованные шапкой, имеющей патрубок с резьбой 1" для соединения с фиксатором контактной сети, и стержнем, оканчивающимся серь­гой, а также подвесные изоляторы СФ-70А и ПТФ70, армирован­ные обычной шапкой и стержнем с серьгой для удобного соедине­ния с арматурой контактной сети.

На участках постоянного тока применяют также изоляторы ПФ70-Ж, ПФ70А (рис. 2.18, в), имеющие утолщенную часть стерж­ня (диаметр стержня 24 мм в зоне изолирующей детали).

На участках переменного тока, а в последнее время и на участках постоянного тока, широко применяют стержневые фарфоровые изоля­торы (рис. 2.18, г, д), представляющие собой сплошной фарфоровый

Рис. 2.18. Фиксаторные тарельчатые фарфоровые изоляторы с серьгой ФТФ-3,3/3 (а); ФФ40-А (б); подвесной тарельчатый фарфоровый изоля­тор ПФ70 (в); фиксаторный стержневой фарфоровый изолятор ФСФ70-25/0,95 (г); фиксаторный стержневой фарфоровый изолятор ФСФ70-3,0/0,5 (д); 1 — стержень-серьга; 2 — колпак; 3 — стержень переменного сечения цилиндрический стержень с кольцевыми винтообразными реб­рами, армированный по концам двумя шапками из ковкого чу­гуна. Ребра предназначены главным образом для увеличения длины пути утечки.

Стержневые изоляторы имеют ряд преимуществ по сравнению с тарельчатыми. Они электрически непробиваемы, вследствие чего сокращаются расходы на контроль в эксплуатации; изго­товление их механизировано; расход металла и фарфора мень­ше, чем на тарельчатые на то же напряжение. Однако стержне­вые изоляторы менее надежны в механическом отношении: при перекрытии изолятора и ударах может произойти их разруше­ние. Механическая разрушающая нагрузка при растяжении этих изоляторов не менее 70—100 кН.

Фиксаторный стержневой изолятор ФСФ70-25/0,95 (ФСФ-27,5/3,5) для соединения с фиксатором в одной из шапок имеет патрубок с резьбой 1". Механическая разрушающая нагрузка изолятора при растяжении не менее 70 кН.

Консольный стержневой изолятор КСФ70-27,5/0,95 (ИКСУ-27,5) (рис. 2.19, а) устанавливают у пяты консоли, в тягу консоли и в подкос изолированной консоли, чем достигается изоляция консо­ли от опоры. Изолятор работает на изгиб и сжатие и поэтому вы­полнен более массивным.

Коэффициент запаса механической прочности изоляторов, т.е. отношение разрушающей нагрузки (гарантированной электроме­ханической) к нормативной, действующей на изоляторы в соответ­ствующем режиме, должен быть не менее: в нормальном режиме

Рис. 2.19. Консольный стержневой фарфоровый изолятор для участков контактной сети переменного тока КСФ70-25/0,95 (а) и постоянного

тока КСФ70-3,0/0,45 (б)

при средней эксплуатационной на­грузке — 5,0; при наибольшей ра­бочей нагрузке — 2,7. Следователь­но изоляторы ПФ6 в нормальном режиме могут быть нагружены до 12 кН, изоляторы ПТФ70 — до 14, изоляторы ПС120Б до 24, а при наи­большей рабочей нагрузке соответ­ственно 22, 26, 44 кН.

В совмещенных анкеровках кон­тактного провода и несущего троса применяют изоляторы ПС120-Б (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Подвесной стеклянный тарельчатый изолятор ПС120-Б

Для районов с повышенным уровнем загрязнения выпускают стеклянные тарелочные грязеустойчивые изоляторы ПСД70-Е (рис. 2.21, а) и ПСВ120-Б (рис. 2.21, б). Находятся в эксплуатации фарфоровые изоляторы ПФГ-5А (рис. 2.21, в), ПФГ-6А (рис. 2.21, г). Эти изоляторы отличаются формой изолирующего элемента (та­релки), обеспечивающей увеличение пути тока утечки по поверх­ности изолятора.

Для секционных разъединителей В Л 6, 10 кВ и других эле­ментов и узлов контактной сети используют различные опорные и штыревые изоляторы. В секционных разъединителях посто­янного тока изоляторы КО-400, ОНШ-10-2000 устанавливают последовательно по два в колонке, применяют также изоляторы СТ-35, ИОССФ 3,3, ОНВП-35/1000 и др. Секционные разъеди­нители переменного тока выполняют с опорными изоляторами ОНС-35-500. Провода линий электропередачи закрепляют на штыревых изоляторах ШС10-А, ШФ10-А, ШФ20-Г, ШФ10-Г и ШФ20-А. В обозначениях опорных и штыревых изоляторов пер­вые цифры после букв обозначают напряжение линии. Низко­вольтные провода дистанционного управления, телеуправления, волноводные и осветительные подвешивают на изоляторах ТФ-20. Расстояния от заземленных частей до первого изолиру­ющего элемента или ребра изолятора, находящегося со стороны напряжения, должно быть не менее 150 мм на постоянном токе и 300 мм на переменном токе.

Рис. 2.21. Изоляторы для районов с повышенным уровнем

загрязнения: а — ПСД70-Е; б — ПСВ120-Б;

в — ПФГ-5А; г — ПФГ-6А

К недостаткам тарельчатых изоляторов относится подвержен­ность электрической коррозии их стержней на участках постоян­ного тока, которая уменьшает их нормативный срок службы (20— 50 лет) в 2—4 раза. Электрокоррозия стержней изоляторов происходит под действием токов утечки по их загрязненной и ув­лажненной поверхности. Интенсивность электрокоррозии находит­ся в прямой зависимости от количества электричества, прошедше­го по поверхности электрода-анода (в данном случае — стержня изолятора), и времени его действия.

Для предотвращения электрокоррозии стержней изоляторов ре­комендуется более частая очистка поверхности от загрязнений, при­менение грязестойких изоляторов с большей длиной пути утечки. Эффективным способом защиты является установка на изоляторыдренажных втулок, состоящих из двух полувтулок (чугунное литье), прикрепляемых к стержню электропроводным полимер­ным клеем. Ток утечки в этом случае будет стекать на поверх­ность фарфора не со стержня, а со втулки.

В районах с повышенным уровнем загрязнения дренажные втул­ки устанавливают на вновь монтируемых подвесных изоляторах, а также на изоляторах, снятых с контактной сети из-за коррозии, но у которых диаметр шейки корродированного стержня больше наи­меньшего допустимого (12 мм).

Для продления срока службы изоляторов по коррозии их стер­жней в районах с повышенным уровнем загрязнения устанавлива­ют изоляторы со стержнями, имеющими утолщения до 28 мм на выходе из цементной заделки (на длине 20 мм). Кроме того, на изоляторы наносят гидрофобные (влагоотталкивающие) вязкие изолирующие покрытия (смазки, пасты). Жирообразная масса, во-первых, обволакивает частицы загрязнений, изолирует их друг от друга и препятствует образованию плотных пленок, проводящих электрический ток во влажных условиях. Во-вторых, на покрытой смазкой поверхности вода не образует сплошной водяной пленки, а собирается в капли, в результате чего утечка тока ограничена и никаких частичных разрядов не возникает.

Наиболее эффективными гидрофобными покрытиями являют­ся кремнийорганический вазелин КВ-3/10 и паста КПД. Они пред­ставляют собой высоковязкую однородную массу от светло-серо­го до серо-голубого цвета, химически инертны, взрывобезопасны, нетоксичны и могут быть использованы при температурах от -60 до +200 °С. На поверхность изолятора их наносят слоем 0,7—1 мм непосредственно перед сезоном с наиболее неблагоприятными ме­теорологическими условиями. В большинстве случаев вазелин и паста сохраняют свои защитные свойства не менее одного года. При необходимости удаление остатков покрытия с поверхности изоля­торов выполняют без применения каких-либо растворителей об­тиркой салфетками.

Покрытие изоляторов гидрофобными пастами (КВ-3, КПД, КПИ и ГПИ-1) и смазочными материалами (турбинное или транс­форматорное масло) особенно рекомендуется в зонах цементных и химических загрязнений.