IZOLATORY 

Izolatory są to urządzenia wykonane z materiałów nie przewodzących, służące do podtrzymywania elementów innych urządzeń elektrycznych będących pod napięciem. 

Ze względu na spełniane funkcje rozróżnia się izolatory:

Izolatory liniowe są stosowane w napowietrznych liniach elektroenergetycznych i trakcyjnych do podwieszania przewodów rys 3. Izolatory te pod względem budowy dzieli się na:

  1. Stojące;

  2. Wiszące kołpakowe;

  3. Wiszące pniowe;

  4. Trakcyjne.  

Rys. 3 Izolatory liniowe: a,b,c) niskiego napięcia (stojący dwuszyjkowy N, szpulowy S, szklany NS); d,e,f) wysokiego napięcia (stojący deltowy LDS, stojący pniowy LWP, wiszący pniowy LP) 1 – szyjka, 2 – klosz, 3 – głowa, 4 – rowek głowy, 5 – stopa, 6 – pień, 7 – ucho, 8 – trzon, 9 – okap klosza. 
    
Izolatory stojące są mocowane do słupów w pozycji pionowej na trzonach. Do ich szyjki przytwierdzone są przewody za pomocą specjalnych uchwytów lub drutów. Przewody wywołują działanie sił zginających na izolatory stojące.

Izolatory wiszące są wieszane na stołach w dowolnych położeniach, a do ich końców są przymocowane przewody powodujące działanie sił rozciągających.   

Izolatory kołpakowe składają się z ceramicznego klosza (porcelana lub szkło) oraz kołpaka (na górze) i trzonka (na dole), trwale połączonych z częścią izolacyjną rys. 4.

Rys. 4 Izolator kołpakowy typu PS210-W 1 – część ceramiczna, 2 – kołpak, 3 – trzonek. 

Izolatory pniowe zwane również długopniowymi lub nieprzebijalnymi – są wykonane w taki sposób, aby długość najkrótszej drogi przebicia przez materiał izolacyjny (porcelanę) była równa co najmniej połowie drogi przeskoku w powietrzu rys.5.

Rys. 5 Izolator długopniowy typu LP75/31 1 – część ceramiczna, 2 – kołpak, 3 – łącznik główkowy. 

Izolatory stacyjne są stosowane w napowietrznych lub wnętrzowych stacjach elektroenergetycznych do sztywnego mocowania szyn lub elementów urządzeń (izolatory wsporcze) oraz do przeprowadzania przewodu pod napięciem przez ścianę budynku lub inną osłoną (izolatory przepustowe) rys.6.

Rys.6 Izolatory stacyjne: a,b) wsporcze (wnętrzowy SW, trzonowy); c,d,e,f) przepustowe (napowietrzno – wnętrzowy SPN, wnętrzowy szynowy SPS, transformatorowy PT, kondensatorowy PKT) 1 – klosz, 2 – kołpak, 3 – żebra, 4 – kołnierz, 5 – pień, 6 – sworzeń, 7 – spoiwo, 8 – okap, 9 – szyna, 10 – bandaż uziemiający, 11 – część kondensatorowa z papieru bakelitowanego, 12 – ekran sterujący, 13 – stopa, 14 - trzon   

Izolatory aparatowe przepustowe służą do prowadzenia przewodu przez obudowy aparatów (urządzeń) elektrycznych, takich jak transformatory, kondensatory itp. 

Stosowane są następujące rodzaje takich izolatorów:

  1. przepustowe transformatorowe;

  2. przepustowe kondensatorowe; 

  3. przepustowe przekładnikowe; 

  4. przepustowe wyłącznikowe.   

Parametry charakteryzujące izolatory: 

Napięcie probiercze lub obciążenie probiercze są to wartości napięć lub obciążeń mechanicznych, którymi bada się izolatory podczas prób. Odpowiadające tym wielkością napięcie wytrzymywane i wytrzymałość mechaniczna są znacznie większe – maksymalne wytrzymywalne przez izolatory.   

Napięcie przeskoku jest to wartość skuteczna napięcia przyłożonego do okuć izolatora w odpowiednich warunkach (na sucho, pod deszczem) przy którym następuje na izolatorze przeskok.   

Wytrzymałość elektromechaniczna odpowiada maksymalnemu obciążeniu mechanicznemu przy równoczesnym przyłożeniu na izolator napięcia probierczego. Wielkość ta jest stosowana do charakteryzowania tylko izolatorów kołpakowych.   

Droga upływu au jest to najkrótsza odległość między okuciami mierzona po powierzchni izolatora rys.7.  

Rys.7 Droga upływu au, przeskoku as i przebicia apb izolatora   1 – okucie – metalowe zakończenie izolatora   

Droga przeskoku as jest to najkrótsza odległość w powietrzu między okuciami izolatora.   

Droga przebicia apb jest to najkrótsza odległość w materiale izolacyjnym między okuciami izolatora.  Tabela 5.Minimalna długość znamionowej drogi upływu (w cm) izolatorów liniowych   

Napięcie znamionowe linii kV

Strefa zabrudzeniowa
I
II
III
IV

15

110

400

30

210

720

45

270

920

60

340

1160

70

460

1560

             

Oznaczenia izolatorów

Oznaczenie izolatorów składa się z części słownej IZOLATOR i wyróżnika literowo-cyfrowego, który charakteryzuje szczegóły konstrukcyjne i wielkości znamionowe. Liczby umieszczone za literami oznaczają wytrzymałość mechaniczną na zginanie w kN (dla izolatorów trakcyjnych – także na rozciąganie), najwyższe dopuszczalne napięcie izolatora w kV, prąd znamionowy w kA (dotyczy tylko przepustowych, stacyjnych i aparatowych) i inne. Jeżeli izolator jest przystosowany do pracy w II lub III strefie zabrudzeniowej to do oznaczeń literowych dodaje się literę Z (dla izolatorów stacyjnych i aparatowych zamiast litery N). Każdy izolator ma ponad to oznaczony typ złącza za pomocą litery (brak litery to złącze gniazdowe, W -widlaste, U-uchowe, R-rurowe).

Tabela 4.

Oznaczenia izolatorów

Podział izolatorów

Oznaczenie literowe grupy      i rodzaju izolatora wg

Grupa
Rodzaj
PN
IEC

1

2

3

4

 

 Liniowe

Niskonapięciowe:

-         stojące

-         szpulowe

-         odciągowe

-         trakcyjne

N

 

S

 

ON

 

T

 

Wysokonapięciowe:

-         stojące deltowe

-         stojące (wsporcze) pniowe

-         wiszące kołpakowe

-         wiszące długopniowe

-         trakcyjne

LSD

 

LWP
R
LK
U
LP
L
LT

 

Wsporcze stacyjne

Wnętrzowe

Napowietrzne

SW
J
SWN
C

Przepustowe

Stacyjne

Aparatowe

Stacyjne wnętrzowe:

-         sworzniowe

-         szynowe

SP

 

SPS

 

Stacyjne napowietrzno-wnętrzowe:

-         sworzniowe

-         szynowe

-         kondensatorowe

SPN

 

SPNS

 

SPNK

 

Aparatowe napowietrzne:

-         transformatorowe

-         transformatorowe typu kondensatorowego

-         do kondensatorów

-         do wyłączników

PT

 

PTK

 

PC

 

PW

 

         

   
Przykłady oznaczeń wg PN:   

IZOLAOTR LWP 8-24 – izolator liniowy stojący (LWP), o wytrzymałości na zginanie 8 kN (8), o największym dopuszczalnym napięciu izolatora 24 kV (24) i normalnej drodze upływu.   

IZOLATOR SWZ 6-123/450 – izolator stacyjny wsporczy napowietrzny przeciwzabrudzeniowy (SWZ), o wytrzymałości na zginanie 6 kN (6), o największym dopuszczalnym napięciu izolatora 123 kV (123) i napięciu probierczym udarowym 450 kV (450).   

Przykłady oznaczeń wg IEC:   

U 100 BS – izolator liniowy kołpakowy o wytrzymałości 100 kN, ze złączem gniazdowym i normalną drogą upływu.   C4-125-I – izolator wsporczy napowietrzny ceramiczny lub szklany o wytrzymałości na zginanie 4 kN, o napięciu udarowym wytrzymywanym 125 kV i normalnej drodze upływu.   

Łańcuchy izolatorów   

Łańcuchy izolatorów tworzą połączone izolatory wiszące pniowe lub kołpakowe wraz z osprzętem.   

Rozróżnia się łańcuchy: 

Zależnie od przeznaczenia stosuje się łańcuchy przelotowe lub odciągowe różniące się osprzętem oraz wytrzymałością mechaniczną lub elektryczną. W tabeli 5 podano izolatory obecnie stosowane w I i II strefie zabrudzeniowej tj. w warunkach występujących najczęściej.   

Tabela 5. Podstawowe typy izolatorów liniowych i tworzenie łańcuchów izolatorów w I i II strefie zabrudzeniowej. 

Znamionowe napięcie sieci w kV

Strefa       zabrudzeniowa

Izolatory lub łańcuchy na słupach

przelotowych

mocnych

400

 

220

 

110

 

15

I

II

I

II

I

II

I i II

21 x PS160-D

27 x PS160-D

2 x LP75/31 lub 2 x LP75/17

2 x LP74/31 lub 2 x LPZ75/27

LP75/31 lub LP75/17

LP75/31 lub LPZ75/27

LWP8-24

22 x PS210-W

27 x PS210-W

2 x LP75/31 lub 2 x LP75/17

2 x LP75/31 lub 2 x LPZ75/27

LP75/31 lub LP75/17

LP75/31 lub LPZ75/27

LWP8-24 lub LP60/5U

 

         W liniach 400 kV łańcuchy izolatorów są tworzone z izolatorów kołpakowych szklanych typu PS rys. 4. Mają one dużą wytrzymałość znamionową do 210 kN. Przykład łańcucha izolatorów linii 400 kV pokazano na rys. 8.

Rys. 8 Łańcuch izolatorów linii 400 kV przelotowy, jednorzędowy.

1 – izolator kołpakowy szklany, 2 – uchwyt przelotowy, 3 – pierścień ochronny, 4 – łącznik dwuuchowy skręcpny, 5 – łącznik orczykowy, 6 – łącznik gniazdowy, 7 – łącznik główkowy, 8 – łącznik jednowidlasty, 9 – wieszak śrubowo-kabłąkowy.

         W liniach 220 kV stosuje się łańcuchy izolatorów złożonych z dwóch szeregowo połączonych izolatorów pniowych np. produkcji polskiej typu LP75/31 o wytrzymałości znamionowej 110 kN rys. 5. Przykład łańcucha izolatorów linii 220 kV pokazano na rys. 9.

Rys. 9 Łańcuch izolatorów linii 220 kV odciągowy, dwurzędowy.

          1 – izolator, 2 – uchwyt odciągowy, 3 – pierścień dwuelektrodowy, 4 – rożek trapezowy,

          5 – łącznik dwugłówkowy, 6 – łącznik orczykowy, 7 – łącznik dwuuchowy przedłużający                     

W liniach 110 kV montuje się izolatory pniowe takiego typu jak w liniach 220 kV. Przykłady łańcuchów izolatorów linii 110 kV pokazano na rys. 10.  

 

Rys. 10 Łańcuchy izolatorów linii 110 kV przelotowe, jednorzędowe: 

a) typu ŁP, 

b) typu ŁPV

1 – izolator, 2 – uchwyt przelotowy, 3 – rożek trapezowy, 4 – łącznik do różków, 5 – wieszak, 6 – pierścień dwuelektrodowy, 7 – łącznik dwuuchowy, 8 – łącznik orczykowy, 9 – łącznik jednowidlasty, 10 – łącznik kabłąkowy.

Na rys. 11 pokazano izolatory typu LWP8-24 i LP60/5U stosowane w liniach 15 kV i 20 kV.

Rys. 11 Izolatory linii 15 – 20 kV: 

a) typu LWP8-24, 

b) typu LP60/5U  

1 – część ceramiczna, 2 – okucie, 3 – trzon, 4 – kołpak.

         W liniach niskiego napięcia do zawieszania przelotowego są stosowane porcelanowe lub szklane izolatory typu N, jedno i dwurowkowe o kilku wielkościach dostosowanych do przekroju przewodów rys. 12, natomiast do zawieszania odciągowego – izolatory szpulowe.

Rys. 12 Izolator porcelanowy niskiego napięcia typu N95.

Dobór izolatorów  

Izolatory muszą spełniać odpowiednie wymagania dotyczące:

Wytrzymałość elektryczna izolacji musi odpowiadać tzw. poziomowi znamionowemu izolacji, tzn. musi spełniać wymagania dotyczące całego zespołu znamionowych napięć probierczych określonych w normie PN-81/E-05001. 

Osadzające się podczas eksploatacji zabrudzenia na izolatorach pogarszają zdolności izolacyjne i są częstą przyczyną przeskoków i zwarć doziemnych. Czynnikami przeciwdziałającymi temu są deszcze spłukujące izolatory oraz w bardziej krytycznych przypadkach specjalne okresowe czyszczenie izolacji. Intensywność pogarszania się własności izolacyjnych na skutek zabrudzeń zależy od intensywności osadzania się pyłów oraz ich rodzaju (bardziej lub mniej przewodzące). Ze względu na warunki zabrudzeniowe izolatory dobiera się na podstawie PN-79/E-06303. Norma ta dzieli tereny na cztery strefy zabrudzeniowe izolatory, charakteryzujące się odpowiednim natężeniem opadu zanieczyszczeń oraz konduktywnością zanieczyszczeń. 

Dla izolatorów liniowych oraz wsporczych o napięciu znamionowym 110 kV i wyższym dopuszcza się dwa sposoby doboru izolacji do warunków zabrudzeniowych: wg charakterystyki zabrudzeniowej oraz wg drogi upływu. 

Charakterystyka zabrudzeniowa izolatora podaje zależność 50% napięcia przeskoku od konduktywności powierzchniowej izolatorów (µS). Przyjmuje się, że odpowiednim strefom zabrudzeniowym odpowiadają następujące konduktywności powierzchniowe izolatorów:   

I strefa – 8 µS

II strefa – 15 µS

III strefa – 30 µS

IV strefa – 50 µS

Odczytywane napięcie z charakterystyki Upz50 dla odpowiedniej w danej strefie konduktywności, musi być o 10% większe od największego dopuszczalnego napięcia sieci Um, czyli Upz50 ? 1,1Um. 

Dla izolatorów liniowych, których charakterystyka zabrudzeniowa nie jest znana oraz dla izolatorów wsporczych, przepustowych i aparatowych dokonuje się doboru na podstawie drogi upływu izolatora.   

Ostatnim warunkiem doboru izolacji jest wytrzymałość mechaniczna.

   

W którym iu oznacza udarowy prąd zwarcia w kA.   

Wypadkowa siła działająca na:

Przy czym: m-współczynnik, F1, F2 – siły dynamiczne działające po jednej i po drugiej stronie izolatora.   

Dla izolatorów przepustowych oblicza się siły osobno z każdej jego strony wg powyższego wzoru. 

W przypadku zginania izolatora siłę Fr należy sprowadzić do górnej podstawy izolatora wg wzoru.

Rys. 13 Sposób sprowadzania siły Fr do górnej podstawy izolatora.