Какие бывают электрические изоляторы и для чего они предназначены?

Вступление

Для закрепления проводов воздушных линий электропередач на опорах выпускаются и используются специальные диэлектрические изделия, называемые изоляторы. Про типы изоляторов воздушных линий электропередачи пойдёт речь в этой статье. В статье использованы материалы Компании «БИНАБИ», занимающейся поставкой высоковольтного оборудования, кабельно–проводниковой продукции, арматуры для СИП и ВЛ.

Что из себя представляют электрические изоляторы?

Электрические изоляторы представляют собой диэлектрический элемент электроустановки, конструктивно выполняемый из изоляционного материала и армирующих деталей. Диэлектрик предназначен для электрического отделения, а металлические конструкции позволяют зафиксировать как сам изолятор, так и проводники на нем. В качестве диэлектрического материала используется стекло, полимер или керамика.

Назначение

Электрические изоляторы предназначены для крепления шин, проводов, тралеи и прочих токоведущих элементов к корпусу электроустановки, консолям опор и прочим конструкциям. Помимо этого они изолируют проводники при прохождении через стены, позволяют отделить электроустановки друг от друга и прочие несущие функции.

В зависимости от места установки их подразделяют на внутренней и наружной. Также немаловажное значение играет класс напряжения, на который рассчитан тот или иной изолятор. Из-за чего будет отличаться его конструктивное исполнение и определенные технические характеристики, определяющие возможность их применения в тех или иных электроустановках.

Основные технические характеристики

В соответствии с требованиями нормативных документов, для электрических изоляторов регламентируются такие характеристики:

• Сухоразрядное напряжение — это  такая величина, при которой произойдет электрический разряд в условиях сухого состояния поверхности.
  Перекрытие изолятора
• Мокроразрядное напряжение – определяет такую же величину, как и предыдущий параметр, но при условии попадания дождя на поверхность. При этом рассматривается такой вариант, когда направление струй располагается под углом 45°.

Изолятор под дождем

При таком потоке струй под углом 45°, которые обозначены на рисунке 2 буквой А, обеспечивается максимальное обтекание поверхности Б, и, как следствие, обеспечивается минимальное сопротивление электрическому току – от 9,5 до 10,5 кОм*см. Этот параметр всегда ниже сухоразрядного.

• Напряжение пробоя – представляет собой такую величину, при которой произойдет пробой между двумя полюсами. В зависимости от конструкции, полюса могут быть представлены стержнем и шапкой либо шиной и фланцем.
• Механическая прочность – проверяется нагрузкой на изгиб, разрыв или срез головки. При этом конструкцию жестко закрепляют и прикладывают к ней усилие, плавно повышаемое до такого уровня высочайшего напряжения в материале, которое приводит к разрушению.
• Термическая устойчивость – испытывается посредством попеременного нагревания и резкого охлаждения. Состоит из двух-трех циклов, в зависимости от материала и конструкции. После чего прикладывается электрический потенциал, создающий множественные разряды.

Проверка технических характеристик.

Следует отметить, что испытательные процедуры не являются обязательными для всех изоляторов, выпускаемых на заводе. Электрическим, термическим и механическим воздействиям подвергаются только 0,5% от партии. Обязательной для всех изоляторов  является проверка напряжением перекрытия в течении трех минут, при котором на изоляторе возникают искровые разряды.

У подвесных изоляторов обязательно проверяется механическая характеристика. Для этого в течении минуты к нему прикладывается механическая нагрузка, которую регламентируют заводские или государственные нормы.

Такие испытания обеспечивают нормальную работу электрических изоляторов при номинальных токах и номинальных напряжениях в сети. А также, достаточный уровень надежности. Кроме этого, некоторые модели подвергаются периодической проверке в ходе эксплуатации. По результатам периодических осмотров и испытаний они могут проходить очистку, выбраковку и замену.

Типовая конструкция

Для начала разберем пример типовой конструкции на эскизе штыревого изолятора.

Изолятор в разрезе

Как видите на рисунке 3, в конструкции предусмотрены ребра А и Б. Которые позволяют увеличить электрическую прочность за счет удлинения пути для тока утечки по поверхности. В связи с различными углами уклона ребер обеспечивается возможность защиты от выпадающих осадков. Так ребра А имеют меньший уклон, поэтому они наиболее актуальны для твердых осадков – снега, грязи и т.д. Потому что влага может подлизываться под низ и значительно сокращать величину разрядного напряжения.

В отличии от них, юбки Б позволяют полностью исключить возможность попадания влаги при дождливой погоде. Это обеспечивает постоянный запас сопротивления, которое и гарантирует величину напряжения пробоя. Помимо этого, юбки Б не боятся намерзания гололеда и могут обеспечивать нормальную работу высоковольтных линий в случае сложной метеорологической ситуации.

Для крепления головки стержня предусмотрена резьба В, которая позволяет закрепить конструкцию на консоли или армирующих крюках. В верхней части находится желоб Г для фиксации провода. Дополнительно провод увязывается проволокой для более надежного крепления воздушных ЛЭП.

Конструкция проходного изолятора

Проходной изолятор имеет немного иную конструкцию, так как его задача не только изолировать токоведущую шину от стены, но и обеспечить нормальное протекание тока внутри самого изолятора. Посмотрите, шина обжимается с обеих сторон алюминиевой крышкой для ее надежного закрепления снаружи. Внутри механическое крепление осуществляется за счет герметика, который помимо этого предотвращает попадание загрязнителей и агрессивных веществ. Также для удобства крепления проводов или шин может устанавливаться дополнительный лепесток на самой крышке, как показано на рисунке 4.

Защитная оболочка из кремнийорганической резины препятствует электрическому пробою по поверхности от шины до фланца. Изоляция от пробоя внутренних элементов выполняется посредством стеклопластиковой трубы, которая помещается внутрь ребристой рубашки. Более детальную информацию о параметрах можно почерпнуть из обозначения модели.

Основные технические характеристики, по которым выбираются изоляторы

Согласно действующим нормативам, подбор электрических изоляторов осуществляется по следующим техническим характеристикам:

• сухоразрядному напряжению – этот параметр определяет, при каком количестве вольт возможно замыкание изолирующего элемента с несущей конструкцией, при условии сухих поверхностей;
• мокроразрядному напряжению – аналогичная по значению характеристика, но в ситуации, когда поверхности увлажнены под воздействием дождя (при угле наклона струй до 45 градусов); в данной ситуации сопротивление электротоку сводится к минимуму – от 9,5 до 10,5 кОм см; данная характеристика всегда уступает сухоразрядной;
• напряжению пробоя – числу вольт, при котором произойдет разряд между полюсами; в зависимости от конструктивного устройства, полюса могут представлять собой стержень и шапку или шину и фланец;
• механической прочности – способности противостоять изгибу, разрыву или срезу головки; данные показатели определяют, закрепив изолятор и приложив соответствующую нагрузку до полного разрушения материала;
• термической устойчивости – способности сохранять свойства при попеременном нагреве и охлаждении до определенных температур, затем подают напряжение множественными разрядами;

Из партии произведенных на заводе изоляторов, испытаниям подвергают только 0,5 % продукции. Все изготовленные элементы проверяют подачей перекрывающего напряжения на три минуты, с образованием искровых разрядов.

Расшифровка

Изделия соответствующим образом маркируют. В обозначении буквы и цифры указывают на характеристики и конструктивные особенности изоляторов. Пример расшифровки изолятора типа НСПКр 120 – 3/0,6 – Б.

Классификация

Надежность работы электрических установок и сетей можно при условии использования изолирующих элементов соответствующей конструкции и характеристик. Предусмотрено несколько принципов, по которым классифицируют изоляторы.

По назначению

В зависимости от назначения выделяют такие виды изоляторов:

• Стационарные – применяют для механического крепления токоведущих стержней или ошиновки в распределительных устройствах. В зависимости от назначения стационарные изоляторы дополнительно подразделяются на опорные и проходные. Так опорные изоляторы выступают в роли основания, на которое крепятся шины в ячейках или несущих конструкциях. Проходные изоляторы позволяют провести токоведущий элемент сквозь стену или перекрытие помещения.
• Аппаратные – имеют схожее назначение со стационарными, но применительно к каким-либо аппаратам. К примеру, аппаратные изоляторы нашли широкое применение в выпрямительных установках, силовых приборах, комплектных подстанциях, установках аппаратов высокого напряжения и прочих агрегатах. Посмотрите на рисунок 5, здесь представлен пример его использования, где он имеет обозначение АИ.
  Пример аппаратных изоляторов
• Линейные – используются для наружной установки под высоковольтные линии или ошиновку открытых распредустройств. Отличительной чертой линейных изоляторов является наличие широких ребер или юбок, предназначенных для увеличения пути поверхностного пробоя в случае выпадения осадков.

По материалу исполнения

В зависимости от применяемого диэлектрика выделяют такие виды изоляторов:

• С фарфоровым корпусом – отличаются высокой механической прочностью на сжатие, но боятся динамических воздействий. Для предотвращения появления проводящих каналов, из-за оседания пыли и грязи на поверхности, керамический материал покрывается глазурью.
• Полимерные изоляторы – подразделяются на модели, которые имеют упругую деформацию и монолитные. Отличаются куда большим удельным сопротивлением материала, чем фарфоровые. Но мягкая поверхность в большей мере подвержена загрязнению, чем покрытый глазурью фарфор. Помимо этого из-за воздействия ультрафиолета полимер разрушается и утрачивает свойства, поэтому их применяют для внутренней установки.
• Стеклянные электрические изоляторы – отличаются не такой высокой прочностью, подвержены сколам при динамических воздействиях. Но в отличии от других материалов не подвержены воздействию агрессивных реагентов. Обладают меньшим весом и более просты в обслуживании, чем фарфоровые.

По способу крепления на опоре

В зависимости от способа крепления бывают:

Классификация по способу крепления

• Штыревого типа (а) – крепятся посредством металлической арматуры и выступают в роли опоры воздушных ЛЭП, откуда и возникло название опорно-штыревые изоляторы.
• Подвесные (б) – выполняются тарельчатыми изоляторами, которые собираются в гирлянды, в зависимости от класса напряжения присоединенных к ним электрических аппаратов.
• Стержневые (в) – имеют форму сплошного стержня, который устанавливается в качестве опорного или подвешивается за элементы арматуры в качестве натяжного. Опорно-стержневые изоляторы устанавливается в распредустройствах для изоляции шин. На их краях посредством чугунных крыльев крепятся токоведущие части.

Типы изоляторов по материалам

Для изготовления этих изделий используют довольно банальные, но от этого не менее функциональные и надёжные диэлектрические материалы: стекло, фарфор и полимеры. Последние из-за ряда особенностей композитного материала не используются на воздушных линиях электропередачи свыше 220 кВ.

Итак по материалу изоляторы ВЛ могут быть:

• Стеклянными;
• Фарфоровыми;
• Полимерными.

Изоляторы из стекла

Читайте также:  Электрическая цепь. Как и чем прозвонить основные элементы электрической схемы?

Сразу отметим, что изоляторы из стекла стоят дороже аналогичных изделий из фарфора, но имеют перед ними ряд преимуществ.

Так как стеклянные изоляторы прозрачны и на них легко визуально обнаружить повреждения, в том числе внутренние, изолирующих тарелок. Это позволяет не проводить частых испытаний напряжением и упрощает обслуживание ЛЭП.

Фарфоровые изоляторы

Традиционные изоляторы не меняющиеся уже много лет. Имея все необходимые характеристики: диэлектрика, абсолютная прочность на изгиб, не горючесть, водонепроницаемость, «равнодушие» к ультрафиолету, они имеют преимущество по цене.

К недостаткам относим повышенную хрупкость, которая усиливает требования по безопасной упаковке и транспортировке.

Полимерные изоляторы

Изоляторы из композитов пока не используются в линиях электропередачи свыше 220 кВ. Это связано со всеми недостатками присущими полимерам.

Они изгибаются при продольных нагрузках;

• Боятся ультрафиолета;
• Стареют со временем;
• От температуры теряют механическую прочность;
• Скрытые дефекты полимерных изоляторов трудно обнаружить.

Типы изоляторов по назначению

Кроме деления изоляторов по материалу изготовления, есть типы изоляторов по назначению. Это изоляторы:

• Штыревые;
• Подвесные;
• Опорные;
• Проходные;
• Стержневые.

Изоляторы штыревые (ИШ)

С помощью штыревых изоляторов неизолированные провода АС и изолированные провода СИП-3 крепят к траверсам опор.

Подвесные изоляторы (ПС, ПСД, ПСВ)

Данные изоляторы подвешивают на опоры ВЛЭП для крепления методом подвеса проводов и кабелей. Чаще изготавливают из закалённого стекла.

Изоляторы опорные (ИО, ИОР, СА, ОНШП)

Данные изоляторы используют в распределительных установках и другом электрооборудовании для закрепления токопроводящих элементов. Работают на участках от 6 до 35 кВ.

Проходные изоляторы (ИП, ИПУ)

При необходимости провести провод или шину через стену, например, на вводе в подстанцию, используют проходные изоляторы.

Предназначение изоляторов СИП и основные разновидности

Изоляторы для СИП используются с целью изоляции проводов на линиях 6-20 кВ от металлических конструкций, которые монтированы на опорах. Во время создания ВЛ с использованием СИП зачастую используются следующие изоляторы:

• Штыревые варианты из фарфора или же стекла – ШФ или ШС. Данные изделия монтируются на растягивающих и натяжных подвесках воздушных линий со средним напряжением. Данные изоляторы могут эксплуатироваться на местности с высокой влажностью и большим количеством пыли.
• Модели изоляторов ЛК. В производстве используется полимер. К основным преимуществам относится легкость и прочность.
• Современные модели ШФ-20Г1 (УО). Изоляторы оснащены монтажными втулками для СИП без роликов для раскатки.
• Стеклянные модели ПС 70Е. Конструкция изоляторов предусматривает особые замки крепления для более прочной фиксации и безопасной эксплуатации. Эти изоляторы могут создавать гирлянды разнообразной длины.

Для СИП лучше всего использовать изоляторы из полимерных материалов типа ЛК 70. Данные изделия могут монтироваться на всей территории России. С одной стороны они оснащены окольцевателем по типу «серьга», а с другой стороны – «гнездо». Они достаточно просты в установке и надежны в эксплуатации.

Обслуживание и эксплуатация изоляторов

Изоляторы подбирают по конструкции и характеристикам, с учетом условий эксплуатации. В процессе применения, эти элементы воздушных линий или электроустановок осматривают вместе с остальным оборудованием.

Периодичность осмотров устанавливают, в зависимости от особенностей элементов. Проверку проводят не реже одного раза в полгода, если речь идет о наружных линиях электропередач. Изолирующие элементы в установках можно проверять реже, в регламентные сроки освидетельствования агрегатов.

Если линия электропередач проходит через места сильных загрязнений или ответственные участки (промышленные районы, жилые массивы и пр.), периодичность осмотров сокращают до 1 раза в квартал.

В ходе осмотра необходимо убедиться в целостности изоляторов, надежности крепления, очистить детали от пыли и загрязнений. Дефектные элементы заменяют на целые. Ревизию проводят при отключении подачи электроэнергии.

Электрические изоляторы – незаменимые элементы линий электропередач и электрооборудования. Но для их надежной эксплуатации требуется правильный подбор и соблюдение действующих норм при проверке и обслуживании.

Проводник против изолятора

Считается, что проводник хорошо проводит электричество и тепло, тогда как изолятор считается плохим проводником тепла и электричества. Проводник, который лучше всего проводит тепло и электричество, имеет больше свободных носителей, таких как электроны, в то время как изолятор, который лучше всего не проводит электричество, не содержит много свободных носителей электронов, потому что электроны прочно связаны внутри атомов. Проводником обычно являются материалы, которые позволяют легко перемещаться электронам от одного атома к другому; с другой стороны, изолятор — это материал, который не допускает беспрепятственного потока электронов от одного атома к другому.

Атомы, присутствующие в проводнике, не могут сильно цепляться за свои электроны; напротив, атомы, которые присутствуют в изоляторе, сильно сцеплены друг с другом и не могут хорошо передавать электрическую энергию. Материалы, которые считаются хорошими проводниками электричества, обычно имеют высокую проводимость; С другой стороны, хорошие изоляционные материалы обычно имеют низкую проводимость. Электрическое поле присутствует на поверхности проводника, но остается нулевым внутри проводника; с другой стороны, на изоляторе отсутствует электрическое поле. В проводнике магнитное поле обычно накапливает энергию; напротив, магнитное поле в изоляторе не накапливает энергию.

Потенциал проводника во всех точках остается прежним; с другой стороны, потенциал изолятора во всех точках остается нулевым. Ковалентная связь между атомами проводника слабая; с другой стороны, ковалентная связь прочная между атомами изолятора. Электропроводность проводника очень высокая; наоборот, изолятор имеет очень низкую проводимость.

Проводник имеет очень низкое сопротивление; с другой стороны, сопротивление изолятора высокое; поэтому он не допускает движения электрических зарядов. В проводнике присутствует положительный температурный коэффициент сопротивления; Напротив, в изоляторе присутствует отрицательный температурный коэффициент сопротивления. Удельное сопротивление проводника варьируется от высокого до низкого в зависимости от наличия электричества, в то время как удельное сопротивление изолятора всегда высокое.

Зона проводимости проводника заполнена электронами; с другой стороны, зона проводимости изолятора остается пустой. Валентная связь проводника остается пустой, в то время как валентная связь изолятора заполнена электронами. В настоящее время в проводниках нет запрещенных промежутков; С другой стороны, в изоляторе присутствует запрещенный промежуток.

Различными примерами проводника являются алюминий, железо, серебро, медь и т. Д., А некоторыми примерами изолятора являются бумага, резина, дерево и т. Д. Проводник широко используется для изготовления электрических проводов и проводников; С другой стороны, изолятор используется в электрических кабелях в качестве изоляции, для поддержки электрооборудования и т. д.