Глава вторая
КОНСТРУКЦИИ стеклянных изоляторов
2-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
За последние годы стеклянные и стеклокерамические изоляторы получили распространение в энергетическом строительстве, на линиях электропередачи, электрифицированном железнодорожном транспорте и в высоковольтной аппаратуре.
В связи с указанным назначения стеклянных изоляторов и их конструкции весьма разнообразны. Стеклянные линейные изоляторы предназначаются для изоляции проводов на воздушных линиях электропередачи, для изоляции контактной сети на электрифицированном железнодорожном транспорте и на линиях связи.
Стеклянные аппаратные изоляторы применяются в качестве опорных электроизоляционных, конструкций в распределительных устройствах и в аппаратах.
По конструктивному исполнению стеклянные изоляторы разделяются на штыревые, подвесные, опорные, опорно-штыревые и стержневые.
Стеклянные изоляторы, предназначаемые для работы в наружных установках, имеют исполнения: для нормальных атмосферных условий и для районов с загрязненной атмосферой (уносы промышленных предприятий, морские солевые отложения и др.).
Из стеклокристаллических материалов (ситаллов) изготавливаются изоляторы, рассчитанные на высокую механическую прочность, например стержневые изоляторы для электрифицированного железнодорожного транспорта и др.
2-2. КОНСТРУКЦИИ СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Линейные изоляторы
К линейным стеклянным изоляторам относятся штыревые изоляторы низкого и высокого напряжения, а также подвесные тарельчатые и стержневые изоляторы высокого напряжения. Конструкции всех вышеуказанных
Рис. 2-1. Стеклянный штыревой изолятор типа ШСС-10 на 10 кВ.
стеклянных изоляторов принципиально не отличаются от конструкций соответствующих типов фарфоровых изоляторов.
Вместе с тем в конструкциях стеклянных изоляторов учитываются технологические особенности стекольного производства: возможность изготовления изоляторов с более тонкими стенками и резкими переходами, а также возможность обеспечения более точных размеров с меньшими допусками, чем в фарфоровых изоляторах.
На рис. 2-1 представлен штыревой стеклянный изолятор на 10 кВ типа ШСС-10, изготавливаемый из незакаленного малощелочного стекла 13 в. Изолятор ШСС-10 идентичен фарфоровому штыревому изолятору типа ШФ-10-А, имеет те же основные размеры и параметры, но масса его несколько меньше.
Рис. 2-2. Стеклянные штыревые изоляторы. а — тип ТСБ для линий связи; б — тип ШЛНС для воздушных низковольтных линий электропередачи.
Также идентичны конструкции стеклянных и фарфоровых штыревых изоляторов для линий связи и для низковольтных воздушных линий (рис. 2-2).
Рис. 2-3. Стеклянный штыревой четырехэлементный изолятор на 45 кВ.
За рубежом выпускаются многоэлементные стеклянные штыревые изоляторы на напряжения 20, 35, 45 кВ, состоящие из двух, трех и четырех элементов (рис. 2-3).
Склейка стеклянных элементов производится на цементно-песчаной связке. Крепление провода на изоляторе осуществляется путем вязки мягкой проволокой. Посадка изолятора на штырь эластичная с помощью намотки на штырь пеньки или каболки, пропитанных суриком или посредством специальных переходных пластомассовых или металлических втулок. Штыри и крюки применяются те же, что и для фарфоровых изоляторов.
Конструкции стеклянных подвесных изоляторов тарельчатого типа принципиально не отличаются от конструкций фарфоровых подвесных изоляторов и представляют собой стеклянный элемент с закрепленным в нем стальным оцинкованным стержнем и шапкой с шарнирным захватом, служащим для сцепления со стержнем соседнего элемента в гирлянде изоляторов. Шапка и стержень закрепляются на стеклянном элементе посредством цементно-песчаного состава связки. В то же время следует отметить отличительные особенности конструкций стеклянных подвесных изоляторов, состоящие в следующем:
а) благодаря более высоким механическим характеристикам закаленного стекла удается выполнять стеклянные изоляторы с более тонкими стенками, чем фарфоровые;
б) ребра на тарелках подвесных изоляторов тоньше, чем у фарфоровых в связи с возможностями технологии стекольного производства;
в) основные габаритные размеры и масса стеклянных подвесных изоляторов меньше, чем у идентичных фарфоровых изоляторов, в особенности это заметно при сравнении изоляторов на средние и большие механические нагрузки.
Так, подвесной фарфоровый изолятор типа ΓΊΦ20-Α на 20 тс (рис. 2-4,а) при конструктивной высоте 194 мм и диаметре тарелки 350 мм имеет массу 12,8 кг, а подвесной стеклянный изолятор типа ПС22-А на 22 тс (рис. 2-4,б) при высоте, равной 190 мм, и диаметре тарелки 320 мм имеет массу 10,8 кг.
Рис. 2-4. Подвесные изоляторы.
а — фарфоровый ПФ20-А; б — стеклянный ПС22-А; в — стеклянный для загрязненных районов ПСГ16-А.
Еще большее отличие в размерах и массах имеет место при сравнении стеклянных и фарфоровых изоляторов для районов с загрязненной атмосферой.
Отличительными особенностями конструкций стеклянных подвесных изоляторов для районов с загрязненной атмосферой являются повышенные удельные длины путей утечек (рис. 2-4,в).
Кроме экономии в массе, значительную эффективность дает применение стеклянных малогабаритных изоляторов в связи с сокращением длины гирлянд. Например, длина гирлянды на 110 кВ из малогабаритных фарфоровых изоляторов типа ПФ6-Б составляет 980 мм, а из стеклянных изоляторов ПС6-А — только 910 мм. При напряжении 220 кВ гирлянды из тех же фарфоровых изоляторов имеют длину 1 820 мм, а из стеклянных изоляторов 1 690 мм. Еще большее сокращение длины гирлянд имеет место на ЛЭП 330 и 500 кВ. При проектировании опытной ЛЭП 750 кВ (Конаковская ГРЭС — Москва) оказалось наиболее целесообразным применение стеклянных подвесных изоляторов на электромеханическую нагрузку 30 тс, разработкой которых занимались ВЭИ, ГИС, СКТБ и ЮУАИЗ. Эти изоляторы (из малощелочного стекла 13в) уже эксплуатируются в течение 6 лет, не показывая признаков повреждения. Львовским политехническим институтом им. М. И. Калинина разработаны, освоены на Львовском заводе и на ЮУАИЗ поставлено серийное производство подвесных стеклянных изоляторов из щелочного стекла (составы № 6 и № 7).
Номенклатура стеклянных изоляторов создавалась идентично номенклатуре фарфоровых и определялась требованиями электроустановок.
До последних лет не было в мировой практике единой шкалы подвесных изоляторов тарельчатого типа, имеющих наибольшее распространение. Только в 1969 г. МЭК разработана рекомендуемая шкала подвесных тарельчатых изоляторов [Л. 29], форма и размеры шапки и головки стержня, а также размеры замка.
Рекомендуемая МЭК шкала подвесных изоляторов по электромеханическим разрушающим нагрузкам и основные размеры изоляторов приведены в табл. 2-1.
Таблица 2-1
В дальнейшем шкала подвесных изоляторов (табл. 2-1), очевидно, расширится по предложению СССР за счет включения изоляторов на 40 и 50 тс (400 000 и 500 000 н), которые уже включены в шкалу ГОСТ 14197-69.
Из выпускаемых отечественной промышленностью подвесных изоляторов соответствуют рекомендуемой МЭК шкале стеклянные изоляторы: ПС6 (U70), ПС12 (U120), ПС16 (U160), ПС22 (U210), ПС30 (U300).
Промышленность Советского Союза, придерживаясь рекомендаций МЭК, постоянно расширяет ассортимент стеклянных подвесных изоляторов.
Рис. 2-5. Стержневые изоляторы из стеклофарфора для электрифицированных железных дорог.
а — фиксаторный типа ИФССФ-3,3; б — опорный типа ИОССФ-3,3.
Как указывалось выше (§ 1-3), поверхностное сопротивление стеклянных изоляторов зависит от влажности и температуры окружающей атмосферы, состояния поверхности и состава стекла. Важнейшей характеристикой изоляторов, работающих в районах с загрязненной атмосферой, является длина пути утечки тока. Благодаря особенностям технологии стекольного производства удается придать стеклянным изоляторам наиболее благоприятные с точки зрения грязестойкости формы.
Действующие и вновь разрабатываемые в Советском Союзе стеклянные изоляторы соответствуют требованиям МЭК по длине пути утечки (табл. 2-1).
В настоящее время в СССР применяются следующие специальные стеклянные изоляторы с повышенной длиной пути утечки: штыревой изолятор типа ШЖБ-10с с lу=330 мм и подвесной ПСГ 16-А с гарантированной электромеханической нагрузкой 16 тс и lу=480 мм. Следует отметить, что подвесные стеклянные изоляторы в нормальном исполнении для районов с незагрязненной атмосферой имеют удельные длины пути утечки lу/D>1, что выше, чем у однотипных фарфоровых изоляторов (см. гл. 3).
Для электрификации железнодорожного транспорта применяется как постоянный ток при напряжении 3,3 кВ, так и переменный ток промышленной частоты 50 гц при 27,5 кВ. Ранее изоляторы для электрических железных дорог изготовлялись из фарфора, однако разработка и применение стеклокерамики дало возможность значительно повысить механическую прочность изоляторов.
Впервые в Советском Союзе освоены стержневые изоляторы из стеклофарфора для электрифицированного железнодорожного транспорта: фиксаторные (рис. 2-5,а), опорные (рис. 2-5,б).
Характеристики стержневых изоляторов для электрифицированного железнодорожного транспорта приведены в табл. 2-2. ВЭИ им. В. И. Ленина и ГИС разработан стержневой линейный стеклянный изолятор (рис. 2-6,а), представляющий собой сплошной стержень длиной 605 мм и диаметром тела 40 мм с 14 ребрами высотой 10 мм .
Таблица 2-2
Примечание. Условные обозначения изоляторов: И—изолятор, Ф-—фиксаторный, О—опорный, С —стержневой, СФ—стеклофарфоровый. цифры 3,3—величина номинального напряжения.
Рис. 2-6. Поддерживающая двухцепная гирлянда из стержневых ребристых стеклянных изоляторов типа РСС на 110 кВ. а — стеклянный изолятор типа РСС; б —общий вид гирлянды.
Рис. 2-7. Опорные стеклянные изоляторы.
а — для внутренних установок на 10 ко; б — для наружных установок на 10 ко.
Изолятор имеет на концах гладкие с обратным конусом части, служащие для закрепления посредством армировочного состава металлических шапок со стандартными гнездами. Эти изоляторы могут применяться в гирляндах с одной или несколькими цепями.
На рис. 2-6,б представлена двухцепная гирлянда из стержневых стеклянных изоляторов тина РСС для ЛЭП на 110 кВ на деревянных опорах и находящаяся в опытной эксплуатации.
Аппаратные изоляторы
К аппаратным изоляторам относятся опорные и опорно-штыревые стеклянные изоляторы.
По конструкции опорные изоляторы для внутренней установки и опорно-штыревые изоляторы для наружной установки практически не отличаются от тех же типов фарфоровых изоляторов (рис. 2-7, а, б). Освоение производства опорных изоляторов из стекла дает возможность избежать процесса армирования изоляторов посредством цементнопесчаных связок и применить заделку металлической арматуры (ниппелей) при формовке стеклодеталей изоляторов (рис. 2-8). Так как ниппели выполняются из металла, имеющего больший температурный коэффициент расширения, чем стекло, то зазор, образующийся между ниппелями и телом изолятора, оказывается достаточным для расширения стекла и ниппеля в эксплуатации под воздействием температурных колебаний.
Рис. 2-8. Опорный стеклянный изолятор с внутренней заделкой арматуры.
1— диэлектрик; 2 — чугунные ниппели.
Применение опорных изоляторов с внутренней заделкой арматуры может дать значительный эффект в аппаратостроении по сравнению с обычными стеклянными опорными изоляторами по следующим причинам:
- значительное сокращение высоты изолятора;
- сокращение веса арматуры;
- исключение возможности внутреннего перекрытия изолятора.
Благодаря конструктивным особенностям опорно-штыревые изоляторы могут быть разработаны на значительные механические нагрузки. Это объясняется тем, что диэлектрик в этих изоляторах работает в основном на сжатие или срез, а не на изгиб, как в опорных изоляторах. Основная же нагрузка на изгиб приходится на штырь, достаточная прочность которого может быть достигнута сравнительно просто.
К недостаткам этих изоляторов относятся: значительная масса (из-за массы арматуры) и наличие армированных на цементной связке деталей.
