Изоляторы ИС

Изоляторы ИС: конструкция, классификация, применение и эксплуатация в электроэнергетике

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.

Материал и технология изготовления

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.

Конструкция подвесного стеклянного изолятора

Типовой изолятор ИС состоит из следующих основных элементов:

• Стеклянный элемент (тело изолятора). Имеет форму тарелки или колпака с гладкой или рифленой поверхностью для увеличения длины пути утечки (КПУ). В верхней части расположена головка с углублением для установки металлической шапки.
• Металлическая арматура. Включает шапку (колпак) и стержень (штырь), изготавливаемые из ковкого чугуна или стали с антикоррозионным покрытием (чаще всего горячее цинкование). Шапка запрессовывается или зачеканивается в головку стеклянного элемента.
• Цементная связка. Для фиксации металлического стержня в канале стеклянного элемента используется высокопрочный расширяющийся цемент (чаще всего портландцемент), который обеспечивает плотное прилегание и компенсирует разницу в температурных коэффициентах расширения материалов.

Изоляторы соединяются в гирлянды с помощью стандартной увязочной арматуры (серьги, ушки, скобы).

Классификация и маркировка

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:

• ИС – изолятор стеклянный подвесной.

Х – конструктивное исполнение:

• П – с повышенной механической прочностью (редкое обозначение, обычно прочность указывается цифрой).
• Отсутствует – стандартное исполнение.
• А – номинальное механическое разрушающее усилие (в кН или тс). Примеры: 70, 100, 120, 160, 210, 300.
• Б – обозначение климатического исполнения (У, ХЛ, УХЛ) и категории размещения (1, 2, 3) по ГОСТ 15150.
• В – длина пути утечки в мм (например, 330, 400, 525).
• Г – конструктивное исполнение по материалу арматуры и покрытию:
  • Отсутствует – арматура из ковкого чугуна с цинковым покрытием.
  • «А» – арматура из углеродистой стали с цинковым покрытием.
• Д – обозначение документа (ТУ, ГОСТ).

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.

Основные технические характеристики и параметры выбора

При выборе изоляторов ИС для конкретного объекта проектировщики руководствуются комплексом параметров, приведенных в технической документации и стандартах.

Таблица 1. Основные технические характеристики изоляторов ИС

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 и недостатки изоляторов ИС

Преимущества:

• Высокая механическая и электрическая прочность. Закаленное стекло обладает высокой прочностью на сжатие.
• Самопроизвольное разрушение при повреждении. Главное эксплуатационное преимущество, обеспечивающее простоту и надежность визуального контроля целостности.
• Стабильность диэлектрических характеристик. Стекло не имеет капиллярной пористости, не впитывает влагу, не подвержено поверхностной эрозии, как фарфор.
• Длительный срок службы. Оценивается в 40-50 лет и более при правильной эксплуатации.
• Не требует периодических измерений распределения напряжения по гирлянде. В отличие от некоторых полимерных изоляторов, где требуется контроль состояния герметизации.
• Хорошая стойкость к тепловым ударам и перепадам температур.

Недостатки:

• Большая масса. По сравнению с полимерными изоляторами аналогичного класса, масса гирлянды ИС существенно выше, что увеличивает нагрузку на опоры и фундаменты.
• Хрупкость при точечных ударных нагрузках. Транспортировка и монтаж требуют осторожности. Повреждение при падении или ударе.
• Вандалоопасность. Стеклянные изоляторы могут быть разбиты при стрельбе из пневматического или огнестрельного оружия.
• Сложность ремонта в гирлянде. Замена разрушенного элемента требует подъема электромонтера или опускания гирлянды, что трудозатратнее, чем замена полимерного изолятора в некоторых конструкциях.

Области применения и особенности монтажа

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:

• Перед монтажом обязателен визуальный осмотр каждого изолятора на отсутствие сколов, трещин и повреждений арматуры.
• Запрещается поднимать изоляторы за стеклянный элемент, только за арматуру.
• Исключаются удары изоляторов друг о друга или о конструкции опор.
• Сборка гирлянд производится на земле или на траве с использованием мягких подкладок.
• Контролируется правильность соединения элементов арматуры (серьги, шплинты).

Эксплуатация, диагностика и обслуживание

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:

• Измерение распределения напряжения по гирлянде (для выявления «обезоруженных» изоляторов с нулевым падением напряжения).
• Визуальный контроль состояния цинкового покрытия арматуры на предмет коррозии.
• Контроль затяжки замков и шплинтов.

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).

Сравнение с фарфоровыми (ИФ) и полимерными (ПИ) изоляторами

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

1. Почему разрушенный стеклянный изолятор называют «выстрелившим»?

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.

2. Каков допустимый процент разрушенных изоляторов в гирлянде?

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.

3. Можно ли смешивать в одной гирлянде стеклянные и фарфоровые изоляторы?

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.

4. Что означает цифра в маркировке, например, ИС 120?

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.

5. Как правильно хранить и транспортировать изоляторы ИС?

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.

6. В чем основное отличие изоляторов ИС от ИСП?

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.

7. Как выбирается длина пути утечки (КПУ) для изоляторов ИС?

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.