Izolatory ceramiczne dla energetyki

Izolatory ceramiczne a podział izolatorów elektroenergetycznych

Izolatory ceramiczne stanowią jeden z najbardziej popularnych typów izolatorów stosowanych przy przesyle energii elektrycznej. W realizacjach nowych sieci elektroenergetycznych coraz częściej wykorzystuje się również izolatory kompozytowe i hybrydowe. Podział izolatorów z uwagi na materiał, z którego wykonano część izolacyjną przedstawia poniższy rysunek.

Tworzywa z których wykonuje się izolatory ceramiczne

Izolatory ceramiczne, a dokładnie ich część izolacyjną wykonuje się z różnego rodzaju porcelany elektrotechnicznej. Jej właściwości zależą od procentowego udziału poszczególnych składników surowcowych oraz od procesu technologicznego, w którym jest wytwarzana. Wymagane właściwości poszczególnych rodzajów porcelany elektrotechnicznej oraz metody ich badań zostały określone w normie PN-EN 60672.

Do produkcji izolatorów ceramicznych stosuje się następujące rodzaje porcelany elektrotechnicznej:

• porcelana krzemionkowa (kwarcową) – rodzaj C110,
• porcelana wysokoglinowa – rodzaj C120 (kwarc częściowo zostaje zastąpiony przez tlenek glinu),
• porcelana wysokoglinowa – rodzaj C130 (podstawowym składnikiem jest tlenek glinu).

Porcelana krzemionkowa C110 wytwarzana jest z mieszaniny kaolinów, skaleni oraz kwarcu, natomiast w C120 i C130 kwarc zastępuje się tlenkiem glinu przy różnym udziale procentowym. Co ważne, rodzaj porcelany ma bezpośredni wpływ na wytrzymałość mechaniczną osiąganą przez izolatory ceramiczne. Wytrzymałość na zginanie porcelany C120 w stosunku do C110 jest o połowę większa, natomiast C130 – dwa do trzech razy większa. Rodzaj porcelany nie przekłada się natomiast na jej właściwości elektryczne, istotne w technice izolacyjnej [1].

Na podstawie analizy awaryjności izolatorów oraz badań strukturalnych tworzyw, szacuje się, że trwałość izolatorów ceramicznych w zależności od rodzaju użytej porcelany wynosi:

• ok. 10 lat dla typu C110,
• ok. 20 lat dla typu C120,
• ponad 40 lat dla typu C130.

Izolatory ceramiczne – budowa i podział w zależności od ich zastosowania

Izolatory ceramiczne można podzielić na trzy podstawowe grupy:

• liniowe,
• stacyjne,
• aparatowe.

Część ceramiczna izolatora powinna być nienasiąkliwa i mieć prawidłową strukturę, bez wtrąceń i wad. Jej powierzchnia pokryta jest gładkim, błyszczącym szkliwem, które wpływa na wzrost wytrzymałości mechanicznej oraz zapewnia łatwiejsze oczyszczanie się izolatora z zabrudzeń. W Polsce najczęściej spotykanym kolorem szkliwa jest brązowy (wiśniowy).

Okucia wykonuje się z materiałów zapewniających odpowiednią wytrzymałość mechaniczną – z żeliwa (zabezpieczone antykorozyjną powłoką ochronną cynkowaną zanurzeniowo) lub ze stopu aluminium.

Do łączenia okuć z częścią ceramiczną wykorzystuje się spoiwa, do niedawna najczęściej stosowane było topliwe siarkowe TS, które nadal jest wykorzystywane zwłaszcza przy produkcji izolatorów przepustowych oraz wsporczych i liniowych SN. W długopiennych izolatorach liniowych stosuje się natomiast spoiwo metaliczne TM, a w izolatorach wsporczych WN oraz osłonach – cementowe HC.

Podstawowym składnikiem spoiwa TS jest siarka. Podczas montażu spoiwo to stosuje się w postaci płynnej. W spoiwie hydratacyjnym HC wykorzystuje się z kolei cement (zazwyczaj portlandzki). Utwardzenie spoiwa prowadzi do praktycznie nieodwracalnego procesu. Spoiwo metaliczne TM oparte jest natomiast na stopie ołowiu z antymonem (9,5 –13% zawartości) i podobnie, jak przy spoiwie siarkowym wykorzystuje się je w postaci płynnej, z możliwością odwrócenia procesu.

Izolatory kompozytowe i hybrydowe

W izolatorach kompozytowych rdzeń jest głównym elementem konstrukcyjnym i izolacyjnym. Składa się z cylindrycznego pełnego pręta izolacyjnego z włókien szklanych zespolonych żywicą, polimerowej osłony nałożonej na rdzeń wykonanej zwykle z elastometru silikonowego oraz z metalowych zewnętrznych okuć połączonych trwale z rdzeniem izolacyjnym.

Alternatywnym rozwiązaniem technologicznym są izolatory hybrydowe, w których szkłoepoksydowy rdzeń zastąpiony jest rdzeniem z porcelany elektrotechnicznej obudowanym materiałem polimerowym (podobnie jak w izolatorach kompozytowych) [2].

Zasady doboru izolatorów ceramicznych

Izolatory ceramiczne powinny pracować bezawaryjnie w sieciach elektroenergetycznych o określonych parametrach elektrycznych i przy uwzględnieniu obciążeń statycznych oraz dynamicznych, jakie mogą wystąpić [1].

Dobór ze względu na środowiskowe warunki pracy

Izolatory ceramiczne w sieciach elektroenergetycznych narażone są na działanie zewnętrznych warunków atmosferycznych, które mogą wpływać na pracę urządzeń. Zgodnie z wymaganiami, izolatory ceramiczne powinny zapewniać niezawodność działania przy temperaturze powietrza w zakresie od –40 do +40°C (izolatory napowietrzne) oraz od –20 do +40°C (izolatory wnętrzowe).

Istotna jest również wysokość na jakiej mogą być instalowane izolatory, która jest określana względem poziomu morza i nie powinna przekraczać 1000 m n.p.m., w przeciwnym przypadku konieczne jest wydłużenie drogi przeskoku w oparciu o współczynnik korekcyjny [1].

Napowietrzne izolatory ceramiczne dobiera się z uwagi na warunki otoczenia. Kluczowe jest tu uwzględnienie intensywności zanieczyszczenia powietrza. Zasady doboru do warunków zabrudzeniowych znajdują się w normie PN-E 06303:1998. Wyróżnia się dwa sposoby doboru:

• na podstawie charakterystyki zabrudzeniowej,
• na podstawie drogi upływu, przy uwzględnieniu strefy właściwej zabrudzeniowej.

Zgodnie ze wspomnianą normą, izolatory o znanych charakterystykach zabrudzeniowych należy dobierać według tych charakterystyk. Podstawą jest tu wartość 50-procentowego napięcia przeskoku zabrudzeniowego. Norma określa cztery strefy (w Polsce najczęściej występują II i III), z których każda ma przypisaną określoną wartość konduktywności warstwy sztucznych zanieczyszczeń [3]:

• strefa I – zabrudzenia bardzo lekkie,
• strefa II – zabrudzenia lekkie,
• strefa III – zabrudzenia średnie,
• strefa IV – zabrudzenia ciężkie.

W przypadku braku charakterystyk izolatory ceramiczne należy dobierać na podstawie długości drogi upływu w odniesieniu do najwyższego napięcia międzyprzewodowego (dopuszczalne napięcie urządzenia).

Specyfikacja techniczna IEC/TS 60815 wykorzystywana jest przy doborze izolatorów na rynek międzynarodowy. W dokumencie uwzględnionych zostało pięć stref zabrudzeniowych, które mają oznaczenia literowe od a do e. IEC/TS 60815-2 określa pojęcie wyjściowej jednostkowej drogi upływu – RUSCD, którą należy odnosić do wartości skutecznej najwyższego dopuszczalnego napięcia fazowego, jakie może pojawić się na urządzeniu.

Dobór ze względu na parametry sieciowe i obciążenia mechaniczne

Przy ustalaniu właściwości izolatorów ceramicznych z elektrycznego punktu widzenia należy wziąć pod uwagę:

• znamionowe napięcie sieciowe oraz najwyższe dopuszczalne napięcie sieci,
• znamionowy poziom izolacji,
• długość izolacyjną,
• strefę zabrudzeniową,
• drogę upływu i przeskoku,
• napięcie probiercze w deszczu i na sucho,
• napięcie przeskoku w deszczu i na sucho.

Istotne parametry mechaniczne na które należy również zwrócić uwagę to:

• znamionowa wytrzymałość mechaniczna (rozciąganie, skręcanie, zginanie),
• obciążenie probiercze,
• długość przęseł w liniach oraz naciąg przewodów, a także ewentualna praca w łańcuchu izolatorów,
• rodzaj występujących szyn w stacjach, stosowane odstępy między torami prądowymi różnych faz oraz narażenia mechaniczne przy czynnościach łączeniowych.

Na etapie projektu linii lub stacji należy uwzględnić możliwe obciążenia statyczne pochodzące od czynników atmosferycznych, czyli parcie wiatru na przewód, szadź i oblodzenia. Warto również zwrócić uwagę na możliwość wystąpienia dodatkowych obciążeń zmiennych – normy uwzględniają odpowiednie współczynniki korekcyjne.

Literatura
1. J. Bielecki, J. Wańkowicz: „Izolatory ceramiczne do sieci średnich napięć i 110 kV. Zalecane właściwości – Warszawa, grudzień 2013.
2. J. Bielecki, J. Wańkowicz: „Izolatory kompozytowe do linii średnich napięć i 110 kV. Zalecane właściwości i badania oraz wytyczne doboru” – Warszawa, kwiecień 2012.
3. Z. Pohl, „Napowietrzna izolacja wysokonapięciowa w elektroenergetyce” – Oficyna Wydawcza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2003.
4. B. Florkowska, R. Włodek, M. Florkowski, M. Kuniewski, „Wysokie napięcie w elektroenergetyce” – Wydawnictwo AGH – Kraków 2020.
5. PN-E 06303:1998 „Narażenie zabrudzeniowe izolacji napowietrznej i dobór izolatorów do warunków zabrudzeniowych”.
6. PN-EN 60383-1:2005, „Izolatory do linii napowietrznych o znamionowym napięciu powyżej 1 kV. Część 1: Ceramiczne i szklane izolatory do sieci prądu przemiennego, Definicje, metody badań i kryteria oceny wyników”.
7. PN-EN 60672-3:2002, „Materiały izolacyjne ceramiczne i szklane – Część 3: Wymagania dla poszczególnych materiałów”.
8 PN-E-02051:2002 „Izolatory elektroenergetyczne – Terminologia, klasyfikacja oznaczenia”.
9. PN-EN 60137:2010 „Izolatory przepustowe na napięcia przemienne powyżej 1 kV”.
10. PN-EN 60168:1999 „Badania izolatorów wsporczych wnętrzowych i napowietrznych ceramicznych lub szklanych do sieci o znamionowym napięciu powyżej 1 000 V”.
11 PN-EN 62155:2005 „Ceramiczne i szklane izolatory osłonowe do urządzeń elektrycznych na znamionowe napięcie powyżej 1 000 V”.
12. PN-IEC 60273:2003 „Właściwości wnętrzowych i napowietrznych izolatorów wsporczych do sieci o znamionowym napięciu powyżej 1 000 V”.

www.zapel.com.pl