Стеклянные изоляторы, закалённое стекло, их устройство, виды, маркировки и ГОСТы

Содержание

Стеклянные изоляторы — электротехнические элементы из закалённого натрий-кальциевого стекла, которые крепят токоведущие провода к опорам воздушных линий и одновременно изолируют их от заземлённых конструкций. Применяются стеклянные изоляторы на ВЛ классов напряжения 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ. Материал получают из шихты на основе кварцевого песка, соды и доломита. Плавление проходит при температуре 1350-1600 °C, после чего тарелку резко охлаждают для создания сжимающих напряжений в поверхностном слое. Срок службы изоляторов из закалённого стекла на практике эксплуатации достигает 40 лет и больше. Типовой ряд по разрушающей электромеханической нагрузке: 70, 120, 160, 210, 300 кН. Маркировка идёт по схеме ПС-N, ПСД-N, ПСВ-N, где число — нагрузка в килоньютонах. Главное отличие стекла от фарфора — самораскалывающаяся юбка: при пробое тарелка лопается и сигнал виден ремонтной бригаде с земли, дополнительная дефектоскопия не требуется.

Зачем нужны стеклянные изоляторы их функции и применение

Изолятор на ВЛ выполняет две независимые задачи: механически удерживает провод весом сотни килограммов на каждом пролёте и одновременно отделяет его потенциал от заземлённой опоры. Стеклянная тарелка работает на сжатие — материал держит до 70-300 кН в зависимости от типа, а керамический цемент со стержнем и шапкой передаёт нагрузку на гирлянду.

Подвесные стеклянные изоляторы собираются в гирлянды разной длины: от 4-6 элементов на ВЛ 35 кВ до 30 и более на линиях 750-1150 кВ. Чем выше класс напряжения, тем длиннее путь тока утечки и тем больше дисков в гирлянде. Длина гирлянды задаётся не только классом напряжения, но и климатическим районом по СНиП, степенью загрязнения атмосферы и расчётной грозовой нагрузкой. Проектировщик сначала считает требуемую длину пути утечки в миллиметрах на киловольт, потом подбирает количество дисков нужного типа. На одной и той же ВЛ 220 кВ в чистом районе может стоять 14 дисков ПС-70Е, а на побережье или рядом с ГРЭС — 18-20 дисков ПСД-70Е с двукрылой формой.

Применение стеклянных изоляторов охватывает:

• ВЛ 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ;
• открытые распределительные устройства подстанций;
• порталы и порталы-выходы кабельных эстакад;
• линии в районах с высоким загрязнением (исполнения ПСД и ПСВ).

Почему энергетики перешли со стекла на стекло, а не остались на фарфоре? Закалённое стекло физически не способно скрыть пробой. Микротрещина в теле тарелки вызывает мгновенное самораскалывание юбки, а металлическая шапка остаётся в гирлянде и продолжает держать провод. Бригада облёта замечает дефект визуально с земли или с вертолёта, а скрытые пробои в фарфоре приходится искать дефектоскопом (операция дорогая и медленная).

Свойства закалённого стекла как материала изолятора

Закалённое натрий-кальциевое стекло варят из шихты — смеси кварцевого песка (SiO₂), кальцинированной соды и доломита. Плавление идёт при 1350-1600 °C. После прессования тарелку быстро и контролируемо охлаждают: поверхность застывает раньше сердцевины, в наружном слое образуются сжимающие напряжения. Эти напряжения и дают изолятору рабочую прочность на удар и изгиб, а при пробое они же вызывают характерное самораскалывание.

Механические параметры серийных изоляторов — разрушающая электромеханическая нагрузка 70, 120, 160, 210 или 300 кН (тип ПС-70, ПС-120 и так далее). Прочность на скручивание у стекла в несколько раз выше, чем у фарфора того же класса. Рабочий температурный диапазон −60…+50 °C, климатическое исполнение УХЛ 1 по ГОСТ 15150 — линия из стеклянных изоляторов одинаково работает в Якутии и в Краснодарском крае.

Электрические параметры регламентирует ГОСТ 6490-2017: уровень индустриальных радиопомех при нормированном напряжении нормируется по ГОСТ 27661 (значение зависит от класса напряжения линии), разрядное напряжение под дождём и в сухом состоянии нормируется отдельно для каждого типоразмера. В предыдущей редакции стандарта (ГОСТ 6490-93) для контрольной проверки приводилось предельное значение ≤86 дБ. Эти параметры проверяют на каждой партии при сертификационных испытаниях, и без них изолятор не может попасть в гирлянду магистральной ВЛ. Химически закалённое стекло устойчиво к атмосферным осадкам, ультрафиолету и промышленным выбросам, не стареет и не деградирует структурно за десятки лет; именно поэтому смотровые стёкла и технические стёкла из схожих составов применяются в котельном и нефтегазовом оборудовании.

Ограничения у материала тоже конкретные: хрупкость к точечному удару (камень или пуля раскалывают тарелку, поэтому в зоне риска ставят антивандальное исполнение ПСА) и чувствительность к резкому термоудару при производственных дефектах закалки.

Виды стеклянных изоляторов

На ВЛ применяют две конструкции — тарельчатые и штыревые.

Тарельчатый изолятор собирается из стеклянной детали, металлической шапки сверху, металлического стержня снизу и слоя цементной связки между ними. Шапка и стержень имеют шарнирный узел сцепки, который позволяет соединять диски в гирлянду любой длины. Юбки на нижней стороне тарелки увеличивают длину пути тока утечки при увлажнённом загрязнённом слое — для районов с засолением и пылью используют двукрылые исполнения ПСД с удлинённым путём.

Штыревые стеклянные изоляторы крепятся непосредственно на штырь траверсы и применяются на ВЛ до 35 кВ — там, где не требуется длинная гирлянда. Конструкция компактнее, но возможности по наращиванию длины пути утечки ограничены геометрией одного элемента.

Макрофото тарельчатого изолятора ПС-70Е — стеклянные юбки и металлическая арматура

Сравнение тарельчатых и штыревых:

• класс напряжения: тарельчатые — 35-1150 кВ, штыревые — до 35 кВ;
• сборка: тарельчатые в гирлянду, штыревые поодиночке;
• ремонтопригодность: у гирлянды можно заменить отдельный диск, штыревой меняется целиком;
• масса в системе: гирлянда из 30 дисков ПС-70 весит порядка 100 кг, штыревой — 4-6 кг;
• основное применение: тарельчатые — магистральные ВЛ, штыревые — распределительные сети 6-35 кВ.

Юбки и пути тока утечки рассчитываются под конкретный климатический район по СНиП, поэтому на одной и той же линии могут стоять разные исполнения в зависимости от участка трассы.

Схема устройства тарельчатого стеклянного изолятора — шапка, юбка, стержень-пестик, цементная связка

Расшифровка обозначений маркировок ПС, ПСД, ПСВ

Обозначение типа изолятора по ГОСТ 6490-2017 строится по жёсткой формуле. Первая буква — конструкция, вторая — материал, цифра — нормированная электромеханическая разрушающая нагрузка в килоньютонах, последняя буква — модификация исполнения.

Типовой ряд по нагрузке: ПС-70, ПС-120, ПС-160, ПС-210, ПС-300. Разница между соседними ступенями диктуется реальными нагрузками от провода, гололёда и ветрового напора на пролёте.

Пример полной расшифровки: ПСД-70Е — подвесной стеклянный двукрылый изолятор с разрушающей нагрузкой 70 кН, единого исполнения. Такой диск ставят на ВЛ в районах с высокой запылённостью, где обычная тарелка ПС-70 быстро накапливает поверхностный загрязнённый слой и теряет разрядное напряжение под дождём.

Что лучше выбрать, стекло, фарфор или полимер

Сравнительная инфографика: стеклянные изоляторы против фарфоровых и полимерных — срок службы, масса, видимость дефекта

Три материала линейных изоляторов делят рынок по разным критериям. Сравним их по параметрам, которые реально влияют на проектное решение.

Стекло доминирует на магистральных ВЛ высокого класса напряжений именно из-за самодиагностики при пробое — на тысячекилометровой трассе экономия на дефектоскопии перекрывает все остальные различия. Фарфор остаётся в станционной аппаратуре и на устаревших линиях, где замена сразу всей гирлянды нецелесообразна. Полимерные изоляторы выигрывают там, где критична масса (длинные гирлянды 500-1150 кВ, монтаж в горах, временные ВЛ) или где высока вероятность вандализма — стержень из стеклопластика и силиконовые рёбра камень не разбивает.

Нормативная база, ГОСТы и стандарты

Базовый норматив на подвесные тарельчатые изоляторы — ГОСТ 6490-2017 «Изоляторы линейные подвесные тарельчатые. Общие технические условия». Действующая редакция введена с 1 сентября 2018 года и заменила ГОСТ 6490-93. Документ регламентирует типоразмеры, методы испытаний (механика, разрядное напряжение в сухом состоянии и под дождём, термоциклирование, уровень индустриальных радиопомех по ГОСТ 27661), маркировку и упаковку.

Климатическое исполнение задаёт ГОСТ 15150 — для стеклянных изоляторов общего назначения принимают УХЛ 1 с рабочим диапазоном −60…+50 °C. Сертификационные испытания идут также по международным методикам: МЭК 60383 — общие методы, МЭК 60797 — тест остаточной прочности с проверкой выдержки 70 % разрушающей нагрузки на изоляторе с искусственными трещинами.

Отраслевые ТУ закрывают то, что выходит за рамки общего ГОСТа — например, ТУ 3493-004-99267582-2009 регламентирует конкретные типоразмеры одного из российских производителей. Согласно ГОСТ 6490-2017 норматив касается изделий для напряжений свыше 1000 В, для сетей до 1 кВ применяют другие категории изоляторов и отдельные стандарты.

Кварцевые изоляторы как отдельная ниша

Кварцевый изолятор КУ-1 из плавленого кварца для электровакуумной аппаратуры СВЧ

Понятие «кварцевый изолятор» нередко смешивают с «изолятором из закалённого стекла», хотя речь идёт о разных материалах и разных задачах. Для ЛЭП используют закалённое натрий-кальциевое стекло с рабочей температурой до примерно 200 °C; при 600–700 °C такой состав начинает «плыть», а диэлектрические потери в нём растут с частотой. Для электровакуумной техники, где деталь работает рядом с горячим катодом или внутри СВЧ-резонатора, нужен другой материал — плавленый кварц SiO₂.

Кварцевые изоляторы делают из оптических марок плавленого кварцевого стекла КУ-1 и КВ по ГОСТ 15130-86. Рабочая температура таких изделий — до 1200 °C, диэлектрические потери на СВЧ малы, термический коэффициент линейного расширения близок к нулю, что делает деталь устойчивой к резким перепадам температуры. Применяют кварцевые изоляторы в генераторных и СВЧ-лампах, плазменных установках, ускорителях заряженных частиц, электровакуумных приборах из кварцевого стекла.

Сравнение двух материалов по ключевым параметрам:

• предельная рабочая температура: закалённое стекло до ~200 °C, плавленый кварц до 1200 °C;
• диэлектрические потери на СВЧ: у натрий-кальциевого стекла высокие, у плавленого кварца низкие;
• ТКЛР: у натрий-кальциевого ~9·10⁻⁶ K⁻¹, у плавленого кварца ~5,5·10⁻⁷ K⁻¹;
• область: ЛЭП и распределительные устройства против электровакуумной и СВЧ-аппаратуры.

В нашей практике кварцевые изоляторы из КУ-1 и КВ для электровакуумных приборов мы поставляем под чертёж заказчика. Это смежная компетенция в материаловедении, которая почти не пересекается с производством линейных изоляторов для воздушных линий — там работает другой материал, другие нормативы и другие производители.

Частые вопросы

Какой срок службы стеклянного изолятора?

Срок службы изоляторов из закалённого стекла на ВЛ по практике эксплуатации составляет 40 лет и больше. Стекло не стареет структурно, поэтому реальный ресурс ограничен механическими повреждениями и вандализмом, а не деградацией материала.

Чем стеклянные изоляторы отличаются от фарфоровых?

Главное отличие — поведение при пробое: стеклянная тарелка раскалывается и дефект виден с земли, фарфоровая держит микротрещину незаметно и требует дефектоскопии. Срок службы у стекла 40+ лет против 25-30 у фарфора, прочность на скручивание выше в несколько раз, масса диска ПС-70 — около 3-4 кг против 4-5 у фарфора.

Что означает маркировка ПС-70?

Маркировка ПС-70 расшифровывается так: П — подвесной, С — стеклянный, 70 — нормированная электромеханическая разрушающая нагрузка в килоньютонах. Это базовый типоразмер для гирлянд ВЛ 35-110 кВ. Типовой ряд продолжается значениями 120, 160, 210 и 300 кН.

Почему стеклянная юбка раскалывается при пробое?

В поверхностном слое тарелки за счёт быстрого охлаждения после пресс-формы создаются сжимающие напряжения. Любая трещина от пробоя или удара мгновенно расходится по этим напряжениям и вызывает раскалывание юбки, а металлическая шапка со стержнем и цементной связкой остаётся в гирлянде и продолжает держать провод.

На каких классах напряжения применяют стеклянные изоляторы?

Подвесные стеклянные изоляторы используют на ВЛ 35, 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, а также в открытых распределительных устройствах подстанций. Штыревые стеклянные изоляторы применяют на распределительных линиях до 35 кВ.

Чем стеклянный изолятор для ЛЭП отличается от кварцевого изолятора?

Стеклянный изолятор для ЛЭП сделан из закалённого натрий-кальциевого стекла и работает до ~200 °C на воздушных линиях 35-1150 кВ. Кварцевый изолятор сделан из плавленого кварца SiO₂ марок КУ-1 или КВ по ГОСТ 15130-86, держит до 1200 °C и применяется в электровакуумных приборах, генераторных и СВЧ-лампах, плазменных установках.

Если в проекте нужны кварцевые изоляторы из КУ-1 или КВ для электровакуумной аппаратуры — пишите Кварц-Пром, подберём марку и изделие из кварцевого стекла под чертёж.

Об авторе

Редакция Кварц-Пром — материал подготовлен техническими специалистами компании. Опыт работы с кварцевым стеклом и оптическими материалами с 2004 года; смежные компетенции — оптика, техническая керамика, лабораторное оборудование.