Стеклянные и фарфоровые изоляторы - преимущества и недостатки

Для проведения сравнительного анализа электротехнических свойств стеклянных и фарфоровых  изоляторов, рассмотрим основные технические и технологические параметры каждого из этих материалов. Твердые силикатные стекла обладают обычно отличными  электроизоляционными свойствами и относятся к числу типичных диэлектриков. По механизму переноса электрического тока в веществе различают проводимость ионную и электронную. Подавляющему большинству силикатных стекол, как диэлектрикам, свойственна ионная проводимость. При анализе электрических свойств твердых стекол необходимо учитывать (кроме объемной) также и поверхностную электропроводность. Поверхностная проводимость имеет преобладающее значение в интервале температур ниже 100 – 120 С, когда на поверхности стекол существуют гидратные пленки. Относительная диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика  снижать напряженность электрического поля по сравнению с вакуумом. Тангенс угла диэлектрических потерь определяет потери энергии в виде тепла при службе диэлектрика  в электромагнитном поле. Чем выше качество диэлектрика, тем меньше тангенс  угла диэлектрических потерь и удельная проводимость при  прочих равных условиях. Из механических свойств стекол различают прочность на разрыв, на сжатие, изгиб и кручение. Удельная прочность стекла в большей степени зависит от  размеров сечения образца (масштабный  фактор) от состояния поверхности  и режима термообработки (отжиг, закалка). Главные из термических свойств стекла – это термическое расширение, теплоемкость, теплопроводность и термостойкость.  Одно из замечательных свойств лучших силикатных стекол является высокая химическая  устойчивость к различным агрессивным средам.

Теперь  несколько слов о керамике (фарфоре). Керамика  это искусство и наука изготовления и использования твердых  изделий, которые состоят в основном из неорганических, неметаллических материалов, это фаянс, фарфор, огнеупоры, строительная керамика и эмали. Материалы, используемые для формирования керамических изделий характеризуются как размером частиц так и распределением их по размерам , что существенно влияет на свойства керамических материалов. В состав традиционных керамических масс входит глина, полевой шпат, и кварц. Глинистая составляющая играет роль хорошей формируемости масс и способствует образованию тонких пор и более или менее вязкой жидкости в процессе обжига.  Полевой шпат действует как плавень при температурах обжига керамики. Кварц при высоких температурах  образует высоковязкую жидкость.

Для изготовления электротехнических изделий применяются стеатитовые, форстеритовые и глиноземистые керамические материалы с низкими диэлектрическими потерями. Фарфоровые изоляторы используются для изоляции креплений проводов на воздушных линиях (ЛЭП) также в распределительных устройствах электростанций и подстанций.

Главным требованием при использовании высоковольтных изоляторов является частота постоянного и переменного тока, которая не должна превышать 100Гц, а напряжение электрического тока должно быть от 1000В и выше, а температурный диапазон работы изолятора – от – 60С до +50С.

Классификация стеклянных и керамических изоляторов производится по типу диэлектрика, используемого в производстве. Каждый класс содержит несколько подклассов:

Стеклянные – штыревые и подвесные

Керамические опорные и проходные, штыревые высоковольтные и низковольтные.

Стеклянные ПС, ПСВ, ПСД используются на воздушных линиях электропередач и распределительных устройствах при частоте тока не более 100гц и напряжении не выше 1000В.

Изоляторы ШС в отличии от предыдущих используются при напряжении –  10кВ и частоте тока 100гц. Эти изоляторы используются в суровых климатических условиях, расположенных на высоте до 1000м над уровнем моря.

При выборе марки штыревых изоляторов для ВЛЭП – 10 кВ надо учитывать совокупность ценовых, эксплуатационных и электротехнических свойств применяемых диэлектриков. Основные данные представлены в таблице:

   СТЕКЛО  ФАРФОР
Диелектрическая проницаемость 7.2 7.0
Удельное объемное сопротивление 1014 Ом/м  1011 Ом/м
Удельное поверхностное сопротивление 1014 Ом  109  Ом
Тангенс угла диэлектрических потерь (при 20С) 0,027 0,02
Теплопроводность 0,92 вт\(м.С) 1,0-1,2вт \(мС)
Теплоемкость 0,84кдж\(кгС) 1,2-1,5кдж\(кгС)
Электрическая прочность     48  кв\мм 25-30 кв\мм
Плотность 2,47 г\см3 2,3-2,5г\см3
Предел прочности при растяжении 823 кгс\см2 ---
Предел прочности при сжатии 9730 кгс\см2 9000кг\см2

На Российском рынке цена на фарфоровые изоляторы марки ШФ ниже, чем на изоляторы из стекла марки ШС.

Однако в эксплуатации стеклянные изоляторы имеют ряд неоспоримых преимуществ, таких как:

  1. Гарантированное отсутствие скрытых дефектов внутри  изоляционного тела, что исключает возможность возникновения токов утечки.
  2. Специальный контроль на величину угла поляризации проходящего света, позволяет гарантировать отсутствие внутренних напряжений и стабильные по всему объему изолятора электроизоляционные свойства, что недостижимо в керамических изоляторах.
  3. Прочность на скручивание стеклянных изоляторов в несколько раз превышает прочность фарфоровых.
  4. Стеклянные изоляторы не подвержены старению, так как в теле изолятора не появляются со временем микротрещины.
  5. Прозрачность стеклянных изоляторов дает возможность легкого визуального контроля его целостности. При выходе из строя изолятора поломку можно быстро идентифицировать, не прибегая к длительным отключениям линий и экономя на техническом обслуживании. В труднодоступных местах ВЛЭП контроль за целостностью стеклянных изоляторов может быть осуществлен с вертолета.
  6. Автоматизированное производство стеклянных изоляторов исключает возможность ошибок в работе персонала.
  7. Меньший вес стеклянных изоляторов и  большее их количество в стандартной упаковке позволяют экономить 20% стоимости транспортировки.

Таким образом, применение стеклянных изоляторов гарантирует снижение расходов при эксплуатации на осмотр и контроль воздушных линий электропередач, поиск пробоев и замену, вышедших из строя изоляторов. Кроме того отсутствие микротрещин в стеклянных изоляторах сводит к нулю возможность скрытых утечек тока на землю, что дает существенное снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях. 

к.т.н    Сафронова В.Ю.