Изоляторы и изолирующие вставки из полимерных материалов

Полимерные изоляторы представляют собой изолирующие эле­менты, которые могут быть установлены в различных узлах и уст­ройствах контактной сети. Широкое применение получили поли­мерные стержневые изоляторы. Разработаны полимерные подвесные изоляторы, а также консольные, фиксаторные и опор­ные изоляторы. Полимерные изолирующие вставки, в отличие от полимерных изоляторов, являются частью какого-либо устройства или узла, например секционного изолятора, где устанавливают различные полимерные изолирующие вставки, в том числе по ко­торым допускается скольжение полоза токоприемника. Полимер­ные изоляторы и изолирующие вставки имеют высокую механи­ческую прочность и дугостойкость, небольшие массу и поперечные размеры, не повреждаются от ударов.

При работе на открытом воздухе загрязненная и увлажненная поверхность полимерной изоляции может разрушаться токами утеч­ки с образованием токопроводящих дорожек — треков, способству­ющих перекрытию изоляции. Этот вид разрушения носит название трекинга. Стойкость материала изолятора или изолирующей встав­ки к процессам трекинга получила название трекингостойкости. Степень трекингостойкости позволяет оценить возможность и эф­фективность использования полимеров в атмосферных условиях, а также в местах повышенного загрязнения.

Трекингостойкость полимерных изоляторов и изолирующих вставок зависит от состава и структуры материала, из которого они изготовлены, удельной длины пути утечки, состава загрязняющего вещества, формы изоляторов.

Опыт эксплуатации полимерных изоляторов и изолирующих вставок в устройствах контактной сети показывает, что при напря­жении 3 кВ длина изоляторов и их форма определяются выдержи­ваемым напряжением под дождем, а при напряжении 25 кВ — трекингостойкостью.

Одной из особенностей полимерных материалов является то, что их механическая прочность в процессе эксплуатации снижается. Анализ результатов испытаний стеклопластиковых стержней на растяжение показывает, что разрушение стержней происходит тог­да, когда их деформация достигает некоего предела. При этом де­формация, обусловленная ползучестью материала (способностью материала деформироваться под нагрузкой во времени), зависит от значения механического напряжения: чем выше это напряжение, тем больше ползучесть стеклопластика, разрушение его при этом происходит быстрее. Расчеты показывают, что предел длительной прочности стеклопластика составляет примерно 50 % предела его кратковременной прочности. Поэтому значение опасного разру­шения для однонаправленных стеклопластиков σ_оп = 0,5 σ_в (где σ_в - предел кратковременной прочности материала стеклопластиковых стержней, МПа).

При правильно выбранной площади сечения стеклопластикового стержня прочность полимерного изолятора или вставки бу­дет зависеть от качества закрепления металлических оконцевате­лей на стержне. Поэтому прочность закрепления оконцевателей у полимерных стержневых изоляторов и вставок, монтируемых в провода контактной сети, должна быть не менее прочности этих проводов.

Электрическая прочность полимерных изоляторов и изолирую­щих вставок зависит от длины их изолирующей части (удельной длины пути утечки) и трекингостойкости (эрозионной стойкости) материала, из которого они изготовлены.

Выдерживаемое испытательное напряжение под дождем поли­мерной изоляции контактной сети переменного тока напряжением 25 кВ должно быть так же, как и другой изоляции, не менее 100 кВ, анкерной изоляции — 125—130 кВ, а контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ — не менее соответственно 40 и 50 кВ.

Как показывают исследования, выдерживаемое напряжение под дождем полимерных изоляторов и вставок зависит от их геометри­ческих размеров, конфигурации и трекингостойкости материала, из которого они или их защитные чехлы (покрытия) изготовлены. Напряжение изоляторов и вставок из трекингостойких материалов при их испытаниях под дождем после нескольких перекрытий ду­гой почти не изменяется. У изоляторов и вставок из нетрекингостойких материалов такое напряжение после каждого перекрытия снижается; например, мокроразрядное напряжение прессованной

брусковой изолирующей вставки из материала АГ-4С после 10 пе­рекрытий может снизиться на 20 %. Поэтому выдерживаемым на­пряжением под дождем для полимерных изоляторов и вставок из нетрекингостойких материалов является значение разрядного на­пряжения после 10 испытаний.

Выдерживаемое напряжение под дождем U_мр полимерных изо­ляторов и вставок линейно зависит от длины изолирующей части L_и : U_мр = к_мр L_и , где к_мр - коэффициент разрядного напряжения для соответствующего материала, кВ/см.

По данным испытаний, при выборе длины изолирующей части полимерных изоляторов и вставок по выдерживаемому напряже­нию под дождем можно принимать следующие значения к для различных полимерных материалов:

фторопласт и циклоалифатическая эпоксидная смола (толщи­на слоя покрытия не менее 1,0 мм) — 1,75 кВ/см;

прессованный стеклопластик АГ-4С, покрытый кремнийорганическим вазелином, — 0,85 кВ/см.

Опыт эксплуатации различных полимерных изоляторов и изоли­рующих вставок показал, что длина изолирующей части у полимер­ных изоляторов и вставок на напряжение 3 кВ должно быть не менее:

у прессованных брусковых вставок из материала АГ-4С — 70/0,85 = 82,3 см (= 80 см);

у стержневых изоляторов и вставок с фторопластовыми защит­ными трубками или покрытых циклоалифатической эпоксидной смолой — 70/1,75 = 40 см.

В отличие от полимерной изоляции на 3 кВ, у которой основ­ным показателем является выдерживаемое напряжение под дождем, полимерная изоляция на 25 кВ характеризуется в основном трекингостойкостью, а также удельной длиной пути утечки, причем чем больше удельная длина пути утечки, тем ниже может быть трекингостойкость полимерного материала изолятора или вставки.

Исследования и имеющийся длительный опыт эксплуатации показывают, что при номинальном напряжении в контактной сети 25 кВ необходимая электрическая прочность у полимерных изоля­торов и вставок будет обеспечиваться, если трекингостойкость по­лимерного материала будет не ниже, чем у фторопласта (его тре­кингостойкость можно принять за эталон), а удельная длина пути утечки у полимерного изолятора или вставки будет не менее 2,6 см/кВ для мест небольшого загрязнения атмосферы и 3,5—4,0 см/кВ для мест повышенного загрязнения атмосферы (промышленные районы, химические заводы, морское побережье, солончаки и т.п.).

Таким образом, изолирующая часть у полимерных изоляторов и изолирующих вставок на номинальное напряжение 25 кВ (макси­мальное рабочее 29 кВ) при фторопластовых защитных чехлах или чехлах из других полимерных материалов (но с трекингостойкостью близкой фторопласту) должна быть не менее:

для мест небольшого загрязнения атмосферы 29 • 2,6 = 75,4 см;

для мест с повышенным загрязнением атмосферы 29 • 3,5 = 101,5 см (= 100 см);

наибольшее значение 29 • 4,0 =116 см.

Изолирующая часть у изоляторов с фторопластовым защитным чехлом по мокроразрядному напряжению должна быть не менее 120/1,75 = 74,3 см.

Полимерные гладкостержневые изоляторы с фторопластовой защитой трубкой приведены на рис. 2.22, а, а полимерные изо-

Рис. 2.22. Полимерные натяжные изоляторы: а — НСФт120/1,2 с фто­ропластовой защитной трубкой; б — НСКр 120/0,95 с ребристым защит­ным чехлом из кремнийорганической резины; 1 — оконцеватель; 2 — защитная трубка; 3 — полимерный стержень

ляторы с ребристым защитным чехлом, в том числе из кремнийорганической резины, на рис. 2.22, б. В контактной сети на напряжение 25 и 3 кВ устанавливают комбинированные полимерные стержневые изо­ляторы, состоящие из несущих стеклопластиковых стержней и защит­ных трекингостойких чехлов. Защитный чехол изолятора может быть выполнен из гладкой трубки или в виде прессованных полимерных втулок с ребрами (для уменьшения длины изолятора).

В качестве несущих элементов полимерных изоляторов исполь­зуют стеклопластиковые стержни диаметром 20—60 мм в зависи­мости от нагрузок, воспринимаемых изолятором, и его назначения (подвесной, натяжной, фиксаторный, консольный, опорный). Для соединения с арматурой контактной сети на стержни устанавлива­ют металлические оконцеватели.

Конструктивное выполнение и основные размеры полимерных подвесных, натяжных, фиксаторных, консольных и опорных изо­ляторов показаны на рис. 2.23.

Рис. 2.23. Полимерные изоляторы с ребристым защитным чехлом из крем-

нийорганической резины: а, б — подвесные ПСКр120/1,5; в — натяжной

НСКр 120/1,5; г — фиксаторный ФСКр70/0,9; д — консольный КСКр70/0,9;

е — опорный ОСКр70/0,9

Изолирующие вставки из полимерных материалов в зависимости от назначения могут быть прессованными брусковыми (рис. 2.24, а, б, в, г), стержневыми и вставками-скользунами. Секционные изоляторы на на-

Рис. 2.24. Полимерные вставки и изоляторы: а — изолирующая вставка для несущего троса и контактного провода; б — изолирующий элемент вставки; в — изолирующая вставка в сборе для узла анкеровки несуще­го троса и контактного провода; г — изолирующий элемент фиксатора; д — стержневой изолятор типа ИСП-25 для фиксирующих тросов; е — тоже для несущего троса и для совместного узла анкеровки кон­тактного провода и несущего троса; 1 — изолирующий элемент из пресс-материала АГ-4С; 2 — соединительная скоба; 3 — планка соедини­тельная; 4 — стеклопластиковый сержень, покрытый фторопластовой защитной трубкой; 5 — оконцеватель; 6 — скоба анкеровочная

пряжение 3 кВ ранее комплектовали прессованными брусковыми изо­лирующими вставками прямоугольного поперечного сечения (толщина 20 мм, высота 60 мм) из стеклопластика АГ-4С. Мокроразрядное напря­жение вставок с изолирующей частью длиной 800 мм составляет 40 кВ, а при покрытии их кремнийорганическим вазелином КВ-3 или пастой КПД — 70 кВ. Однако вставки из стеклопластика АГ-4С имеют низ­кую трекингостойкость.

Наиболее рациональные изолирующие вставки для секционных изо­ляторов на напряжение 3 и 25 кВ приведены на рис. 2.25. В качестве несущих стержней вставок в этих изоляторах используют стекло-пластиковые стержни диаметром 14—22 мм. Для соединения с дру­гими элементами секционного изолятора на стержни устанавлива­ют оконцеватели.

Рис. 2.25. Полимерная изолирующая вставка с фторопластовой защитной

трубкой (а); изолирующий элемент ССФт-50-25/(1,3-1,8) для секционных

изоляторов контактной сети (б)

В секционных изоляторах на напряжение 3 кВ, эксплуатируе­мых в условиях чистой и загрязненной атмосферы, могут быть при­менены стеклопластиковые вставки с фторопластовой защитной трубкой или покрытые слоем циклоалифатической смолы; длина изолирующей части вставок не менее 600 мм. В секционных изоляторах на напряжение 25 кВ длину изолирующей части вставок принима­ют не менее 1000 мм, а в местах с повышенным загрязнением атмосфе­ры — 1200 мм. Изолирующие скользуны в отличие от стержневых изо­лирующих вставок позволяют полозам токоприемников проходить (скользить) по защитному чехлу вставки; их длина не менее 1300 мм. Поэтому материал защитных чехлов изолирующих скользунов дол­жен быть не только трекингостойким и дугостойким, но и ударопроч­ным и износостойким.

Защитные чехлы изолирующих скользунов должны быть сплош­ными, изготовленными из износостойкого и трекингостойкого по­лимерного материала. Ранее применялись защитные чехлы из вту­лок (ЦНИИ-12), однако из-за их загрязнения резко снижалась надежность в работе. Такие изолирующие вставки в плановом по­рядке заменяют.

Контрольные вопросы

1. Какие марки контактных и многопроволочных проводов применяют на электрифицированных железных дорогах перемен­ного и постоянного тока?

2. Какие технические характеристики имеют контактные провода?

3. В зависимости от каких параметров выбирают марки кон­тактных проводов для конкретных условий эксплуатации?

4. Какие существуют способы стыкования контактных и мно­гопроволочных проводов?

5. Каким требованиям должны отвечать соединения проводов контактной сети?

6. Какие электрические и механические характеристики имеют изоляторы контактной сети?

7. Из каких материалов изготавливают изоляторы контактной сети?

8. Какие особенности имеют полимерные, фарфоровые и стек­лянные изоляторы?

9. Какие типы изоляторов применяют при электрификации, ре­конструкции и обновлении контактной сети и их основные техни­ческие характеристики?

10. Что такое «длина пути тока утечки» изолятора?

11. Какие зоны СЗА имеются на железных дорогах?