Изоляторы ИС (изоляторы стеклянные) представляют собой класс линейных подвесных изоляторов, основным конструктивным материалом диэлектрика которых является закаленное стекло. Они являются ключевым элементом воздушных линий электропередачи (ВЛ) и открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций, выполняя функции изоляции и механического крепления токоведущих частей. Их разработка и массовое внедрение стали ответом на потребности развивающейся энергетики в надежных, долговечных и обслуживаемых изоляционных конструкциях.
Основой изолятора ИС является элемент из закаленного натриево-кальциевого силикатного стекла. Технологический процесс закалки заключается в быстром и равномерном охлаждении нагретой до температуры пластичности стеклянной заготовки. В результате в поверхностных слоях материала создаются остаточные напряжения сжатия, а во внутренних – растяжения. Это придает стеклу механическую прочность, в 5-6 раз превышающую прочность незакаленного стекла, и важнейшее эксплуатационное свойство – «самопроизвольное разрушение» при сквозном пробое или значительном повреждении. Дефектный элемент разрушается полностью, что позволяет легко обнаружить его при визуальном осмотре с земли, в том числе с применением оптических приборов. Это кардинальное отличие от фарфоровых изоляторов, где внутренние дефекты (трещины, сколы) могут быть не видны, но критически снижают электрическую и механическую прочность.
Типовой изолятор ИС состоит из следующих основных элементов:
Изоляторы соединяются в гирлянды с помощью стандартной увязочной арматуры (серьги, ушки, скобы).
Изоляторы ИС классифицируются по нескольким ключевым параметрам, которые отражены в их условном обозначении.
Согласно ГОСТ 30672-2013 (Изоляторы стеклянные подвесные для воздушных линий электропередачи на номинальное напряжение свыше 1000 В. Общие технические условия), типовая маркировка имеет вид: ИС Х-А-Б В Г Д, где:
Х – конструктивное исполнение:
Пример маркировки: ИС 120-УХЛ1-400. Это стеклянный подвесной изолятор с разрушающим усилием 120 кН, климатического исполнения УХЛ для категории размещения 1, с длиной пути утечки 400 мм.
При выборе изоляторов ИС для конкретного объекта проектировщики руководствуются комплексом параметров, приведенных в технической документации и стандартах.
| Наименование параметра | Единица измерения | Типовые значения / Диапазон | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Номинальное разрушающее электромеханическое (механическое) усилие | кН (тс) | 70 (7), 100 (10), 120 (12), 160 (16), 210 (21), 300 (30) | Ключевой параметр для механического расчета. Указывает минимальное усилие, при котором происходит разрушение. Рабочее (допустимое) усилие принимается с коэффициентом запаса (обычно 2.5-3.0). |
| Длина пути утечки | мм | от 280 до 550 и более | Определяет уровень грозоупорности и загрязненности. Выбирается в зависимости от уровня атмосферного загрязнения (по картам или данным измерений). |
| Высота изолятора | мм | ~140 — 200 | Влияет на габариты гирлянды и конструкцию опоры. |
| Диаметр стеклянного элемента | мм | ~255 — 320 | |
| Масса | кг | ~5.0 — 11.0 | Зависит от типа и механической прочности. |
| Электрическая прочность при импульсах 1,2/50 мкс (сухое состояние) | кВ | Не менее 120 — 170 (в зависимости от типа) | Характеризует стойкость к грозовым перенапряжениям. |
| Минимальное разрядное напряжение промышленной частоты в условиях дождя | кВ | Не менее 45 — 60 | Важный параметр для работы в условиях увлажнения. |
Преимущества:
Недостатки:
Изоляторы ИС применяются для изоляции и подвески проводов и грозозащитных тросов на ВЛ напряжением от 35 кВ и выше. Они используются в любых климатических условиях, включая районы с холодным климатом, повышенным загрязнением (при выборе соответствующего КПУ) и сейсмической активностью. На ОРУ подстанций они применяются в гирляндах жесткой ошиновки.
Монтаж гирлянд из изоляторов ИС производится в соответствии с ПУЭ и проектной документацией. Ключевые моменты:
Эксплуатация изоляторов ИС регламентируется нормативными документами (ПТЭЭП, СО 153-34.20.501-2003). Основной метод контроля – периодический визуальный осмотр с земли или с применением оптических приборов (биноклей, телеобъективов). Цель осмотра – выявление разрушенных («выстреливших») стеклянных элементов. Наличие в гирлянде одного или нескольких разрушенных изоляторов является недопустимым, так как снижает механическую и электрическую прочность гирлянды. Такая гирлянда подлежит замене в плановом порядке.
Дополнительные методы диагностики, применяемые реже:
Обслуживание заключается в своевременной замене гирлянд с разрушенными элементами и чистке от сильных загрязнений в особо загрязненных районах (может выполняться вручную, струей воды или с помощью специальной техники).
| Критерий | Стеклянные (ИС) | Фарфоровые (ИФ) | Полимерные (ПИ, ПС) |
|---|---|---|---|
| Материал диэлектрика | Закаленное стекло | Электротехнический фарфор | Полимерные композиции (силикон, ЭПДМ, полиэтилен) |
| Контроль состояния | Отличный (саморазрушение) | Плохой (скрытые дефекты) | Сложный (требует спецдиагностики, старение герметика) |
| Масса | Высокая | Наибольшая | Низкая |
| Гидрофобность | Отсутствует | Отсутствует | Есть (особенно у силикона) |
| Стойкость к вандализму | Низкая | Средняя | Высокая |
| Стойкость к ударным нагрузкам | Низкая | Средняя | Высокая |
| Эксплуатационные затраты | Низкие (легкий контроль) | Высокие (сложный контроль, риск скрытых отказов) | Средние (зависит от модели и условий) |
Термин «выстрелил» возник из-за характерного звука, сопровождающего процесс самопроизвольного разрушения закаленного стеклянного элемента при электрическом пробое или серьезном механическом повреждении. Энергия, запасенная в напряженных слоях стекла, мгновенно высвобождается, и изолятор рассыпается на мелкие осколки с громким хлопком, похожим на выстрел. При этом головка с арматурой часто остается висеть на шапке.
Согласно действующим нормам эксплуатации, наличие даже одного разрушенного изолятора в гирлянде ВЛ является недопустимым. Такая гирлянда считается дефектной и должна быть заменена в кратчайшие технически возможные сроки. Эксплуатация с разрушенными элементами снижает механический запас прочности и может привести к перераспределению электрического поля и развитию дугового разряда.
Смешанный монтаж изоляторов из разных материалов (стекло, фарфор, полимер) в одной гирлянде не рекомендуется и, как правило, запрещен проектом. Это связано с разными диэлектрическими и механическими характеристиками, распределением емкостей и напряжений, а также разной реакцией на температурные изменения и увлажнение. Такая гирлянда будет работать в нерасчетном режиме, что снижает надежность.
Цифра 120 в маркировке ИС 120 обозначает номинальное электромеханическое (или механическое) разрушающее усилие, выраженное в килоньютонах (кН). Иногда в устаревшей документации можно встретить обозначение в тоннах-силах (тс). ИС 120 соответствует разрушающему усилию 120 кН или приблизительно 12 тс. Это минимальное усилие, которое должен выдержать изолятор при испытаниях.
Изоляторы должны храниться в оригинальной таре (деревянные или пластиковые ящики) в закрытых помещениях или под навесом. При хранении на открытом воздухе необходимо защитить их от прямого воздействия осадков и солнечного излучения. Транспортировка должна осуществляться в таре, предотвращающей перемещение и удары изоляторов друг о друга. Запрещается сбрасывать ящики с изоляторами, кантовать их. При разгрузке необходимо использовать мягкие стропы.
ИСП – это подвесные изоляторы с повышенной механической прочностью. Буква «П» в маркировке указывает на это. Конструктивно они могут иметь усиленную арматуру или несколько измененную форму стеклянного элемента для выдерживания более высоких нагрузок (например, для анкерных гирлянд на ВЛ высоких классов напряжения или в тяжелых климатических условиях). В современной маркировке прочность чаще указывается просто цифрой (160, 210, 300 кН), что само по себе подразумевает «повышенную» прочность относительно стандартных серий.
Длина пути утечки выбирается исходя из удельной эффективной длины пути утечки (УЭЛПУ), требуемой для данной ВЛ в конкретном районе. УЭЛПУ (в мм/кВ) нормируется ПУЭ в зависимости от степени загрязненности атмосферы (рекомендации IEC/TS 60815). Район делится на 4-5 классов загрязненности (от слабого до очень сильного). УЭЛПУ умножается на наибольшее рабочее напряжение линии (например, для ВЛ 110 кВ – 126 кВ). Получается минимальная требуемая общая длина пути утечки гирлянды. Далее, зная КПУ одного изолятора, рассчитывается необходимое количество элементов в гирлянде. Для тяжелых условий могут применяться изоляторы с увеличенным КПУ (например, 400, 525 мм) или тарельчатые изоляторы с дополнительными ребрами.