книги из ГПНТБ / Цимберов, А. И. Стеклянные изоляторы

А. И. ЦИМБЕРОВ, А. В. ШТЕРН

СТЕКЛЯННЫЕ

ИЗОЛЯТОРЫ

«Э Н Е Р Г И Я* МОСКВА 1973

ПРЕДИСЛОВИЕ

Планом развития народного хозяйства 1971—1975 гг. предусмотрено дальнейшее развитие энергетической ба­ зы страны. Производство электроэнергии к концу пяти­ летки достигнет 1030—1 070 млрд, квт-ч, на электро­ станциях будут введены новые мощности в размере 65—67 млн. кет, будут продолжены работы по созданию единой энергетической системы страны. Наряду со строительством линий электропередачи напряжением 35—500 кв заканчивается сооружение линии электропе­ редачи напряжением 750 кв Донбасс—Западная Украи­ на; будут начаты работы по строительству дальних ли­ ний электропередачи переменного тока при напряжении 1 150 кв и постоянного тока при напряжении 1 500 кв.

Перед энергетиками страны стоит задача к 1975 г. увеличить энерговооруженность труда в сельском хо­ зяйстве почти на 70% и потребление электроэнергии вдвое. Это в свою очередь выдвигает задачу дополни­ тельного развития сетей 10—0,4 кв.

Вместе с увеличением протяженности ЛЭП, с ростом мощностей, передаваемых на большие расстояния, ра­ стут и требования к надежной работе линий электропе­ редачи, безаварийной службе элементов ЛЭП: опор, арматуры, линейной изоляции.

Ежегодно заводы треста Электросетьизоляция вы­ пускают около 30 млн. линейных изоляторов. К концу пятилетки это количество будет увеличено примерно в 1,5 раза. При этом особое внимание уделяется посто­ янному росту выпуска стеклянных линейных изолято­ ров.

Стекло в качестве диэлектрика при изготовлении линейных изоляторов нашло в начале XX в. такое же распространение, как фарфор. Однако в силу физиче­ ских особенностей стекла: высокой хрупкости, относи­ тельно низкой нагревостойкости и отсутствия технологи­ ческого оборудования, необходимого для производства

3

крупногабаритных стеклодеталеіі, стеклянные изоляторы на первом этапе развития работ по электрификации бы­ ли вытеснены изоляторами из электротехнического фар­ фора. Этому обстоятельству способствовал тот факт, что первоначально для производства стеклянных изоля­ торов применялись обычные марки стекол, используе­ мые для выпуска стеклотары н изделии хозяйственного назначения и обладавшие недостаточно высокими ди­ электрическими свойствами.

К середине 30-х годов электротехнический фарфор, применявшийся в качестве единственного изоляционно­ го материала для изготовления высоковольтных изоля­ торов, в известной мере стал лимитировать дальнейший прогресс в области развития электрических сетей.

Трудности, связанные с получением кондиционного исходного сырья постоянного состава, сложность тех­ нологического процесса при производстве фарфора, от­ сутствие отработанных решений по механизации и авто­ матизации основных операций чрезвычайно затрудняют получение стабильных по своим электромеханическим характеристикам фарфоровых линейных изоляторов, особенно когда речь идет о конструкциях, рассчитанных на нагрузки 16—30 тс. Поэтому, когда в середине 30-х годов был разработан метод упрочнения стеклянных деталей сложной формы путем их закалки, стеклом как диэлектрическим материалом для изготовления высоко­ вольтных изоляторов вновь заинтересовались некоторые фирмы. Впервые подвесные изоляторы из закаленного стекла были созданы в Англии фирмой Pilkinglon. Позднее, уже после второй мировой войны производство стеклянных изоляторов было освоено во Франции.

Постепенно совершенствовался состав стекла, при­ меняемый для изготовления стеклянных изоляторов, бы­ ли резко улучшены его диэлектрические свойства. Изго­ товление стеклянных высоковольтных и низковольтных изоляторов организовано, помимо Франции и Англии, в Италии, США и частично в ФРГ. По рекламным со­ общениям фирм — изготовителей стеклянных изоляторов их продукция успешно эксплуатируется на линиях элек­ тропередачи различных классов напряжений и в различ­ ных районах земного шара.

В Советском Союзе начиная с 1956 г. разработкой стеклянных изоляторов одновременно занимались: ВЭИ им. В. И. Лепина, Всесоюзный научно-исследователь-

4

скин институт стекла, Львовский политехнический ин­ ститут им. М. И. Калинина. За 15 лет на основе работ этих институтов организована новая отрасль промыш­ ленности, насчитывающая ряд цехов и предприятий по выпуску стеклянных изоляторов, лабораторий и конст­ рукторских бюро, занимающихся дальнейшим усовер­ шенствованием конструкций различных типов изолято­ ров и технологических процессов их производства, раз­ работкой новых стеклообразных изоляционных мате­ риалов.

Начиная с 1966 г. объем производства стеклянных изоляторов в общем объеме выпуска линейных изолято­ ров возрос с 14 до 39%.

Сейчас изоляторные заводы Славянский, Южно­ уральский и Львовский выпускают около 5 млн. высоко­ вольтных подвесных изоляторов с гарантированной прочностью 6—30 тс, значительная часть которых пред­ назначена для укомплектования ЛЭП 330—500 кв.

Создаются конструкции стеклянных изоляторов с га­ рантированной прочностью 40' и 50 тс, специальные изо­ ляторы, предназначенные для работы в районах с ин­ тенсивным уровнем промышленного и естественного за­ грязнения.

Наряду с выпуском подвесных изоляторов из зака­ ленного стекла в широких масштабах осуществляется выпуск штыревых высоковольтных изоляторов из отож­ женного стекла.

Помимо изоляторных заводов треста Электросетьизоляция выпуском стеклянных изоляторов в различное время занимались Львовский бутылочный завод, Орджоннкидзевскнй стеклотарно-изоляторный завод, продолжает выпускать стеклянные изоляторы комбинат «Ярваканди-Техасед» в ЭССР.

Уже первые годы производства и эксплуатации стек­ лянных изоляторов выявили ряд их преимуществ по сравнению с однотипными фарфоровыми изоляторами:

сырьевые материалы, используемые при изготовле­ нии стеклянных изоляторов, более постоянны по своему составу, чем сырье для керамического производства, что создает благоприятные условия для стабилизации фи­ зико-технических характеристик стекла и технологиче­ ских процессов;

технологический процесс производства стеклянных изоляторов в значительной степени поддается механи-

5

Глава первая

СТЕКЛО КАК ДИЭЛЕКТРИК

1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

Любые стекла, в том числе электротехнические, явля­ ются аморфными веществами, обладающими изотропны­ ми свойствами. Эти свойства стекла обусловлены одно­ родностью структуры материала во всех направлениях. Состоящие из нескольких компонентов, число которых иногда достигает полутора десятков, стекла представля­ ют сложную систему, подразделяющуюся на две основ­ ные части: неизменную (главную) и изменяемую. Неиз­ менной является сплав кремнезема, который в большин­ стве стекол составляет более 60%. Изменяемая часть — это окислы, соединяемые (сплавляемые) с кремнеземом, причем их характер и соотношение определяют основные свойства стекол.

Учитывая, что стекло образуется в результате сплав­ ления при высокой температуре всех входящих в его состав компонентов, его считают сложным расплавом высокой вязкости, которая колеблется в широких пре­ делах в зависимости от температуры расплава.

Несмотря на то, что стекло считается аморфным ма­ териалом, отрицать полностью наличие в стекле некото­ рых упорядоченных структурных образований нельзя.

Существует несколько теорий, объясняющих с раз­ ных позиций наличие структуры в стекле. Одна из этих теорий разработана Порай-Кошицем [Л. 29] и носит название гипотезы кристаллитного строения стекла.

7

мелких деформированных кристаллов — кристаллитов, в основе которых лежит решетка кремнезема, связанная с окислами натрия, калия, кальция и других элементов. При этом только в каких-то определенных точках ре­ шетка имеет более пли менее правильную форму. С пе­ реходом к периферии от этих точек кристаллическое строение переходит постепенно к кристаллитному, а за­ тем— к аморфному. Таким образом, стекло может быть представлено совокупностью областей, в центре кото­ рых находится упорядоченное структурное образование, а пограничная зона находится полностью в аморфном состоянии. Упорядоченная кристаллическая часть структуры стекла составляет приблизительно 10—15% общего объема. Такая теория структурного строения хо­ рошо объясняет основные физико-технические свойства стекла и их изменение в зависимости от химического состава, технологии выработки и условий эксплуатации стеклянных изделий.

Какими свойствами должно обладать стекло, приме­ няемое для производства стеклянных изоляторов? Оно должно быть механически прочно и противостоять боль­ шим нагрузкам, включая нагрузки на изгиб и удар. Термостойкость стекла должна гарантировать нормаль­ ную работу изоляторов в интервале температур от ми­ нус 60 до плюс 80°С (в тропических условиях), а также при резких перепадах температуры. Поверхность стекла не должна претерпевать заметных изменений под воз­ действием влаги и агрессивных агентов, выпадающих в виде загрязнений на изоляторы. Адгезия этих мате­ риалов к поверхности стеклянных изоляторов должна быть по возможности минимальной. Наконец, стекло как диэлектрик должно иметь высокую электрическую прочность, большие удельные объемное и поверхност­ ное сопротивления и незначительный тангенс угла ди­ электрических потерь. Перспективы широкого примене­ ния стеклянных изоляторов для сооружений линий электропередачи -постоянного тока выдвигают дополни­ тельные требования надежной работы стекла в элек­ трическом поле постоянного тока.

Для производства стеклянных изоляторов в СССР и за рубежом применяются различные марки стекол, кото­ рые по своему составу могут быть разбиты на две груп­ пы: щелочные (с содержанием Р а0^5% ) и малощелоч­ ные (с содержанием R20;^:5% ). Малощелочные стеклу

8

ft свою очередь могут быть классифицированы как боросиликатные и алюмомагиезиальиые. Другие составы стекол, разрабатываемые специально для изготовления изделий, работающих при высоких частотах пли тре­ бующих хороших оптических свойств, свариваемости

сметаллами, здесь не рассматриваются.

Втабл. 1-1 приведены составы стекол, используе­ мых для выпуска высоковольтных и низковольтных изо­ ляторов на заводах СССР и ряда зарубежных фирм. Для сравнения в таблице приведен состав кварцевого' стекла, положивший начало всей серии электротехни­

ческих стекол.

Оба вида щелочного стекла (составы № 6 и № 7), используемые для выпуска изоляторов в СССР, имеют свои как положительные, так и отрицательные свойства. Малощелочное стекло (состав 1Зв) по своим термиче­ ским, химическим и электроизоляционным свойствам превосходит все щелочные стекла. Состав стекла 1Зв можно считать универсальным, так как из него можно вырабатывать, кроме закаленных подвесных, также отожженные штыревые линейные, телеграфные и аппа­ ратные изоляторы, которые должны обладать высокой механической и термической прочностью без закалки. Малощелочное стекло состава 1Зв относится к первому гидролитическому классу. Оно не подвержено выщела­ чиванию и, следовательно, устойчиво к воздействию внешней среды, в том числе агрессивной. Изоляторы из малощелочного алюмомагнезиального стекла благодаря наличию в этом составе небольшого количества щелоч­ ных окислов характеризуются высокими' электроизоля­ ционными свойствами и могут успешно работать на ли­ ниях электропередачи переменного и постоянного тока, низкого и высокого напряжения. Изоляторы же из ще­ лочных стекол под воздействием больших напряжений постоянного тока подвержены электролизу, а следова­ тельно, более быстрому^, старению во время эксплуата­ ции. Щелочные стекла имеют температурный коэффи­ циент расширения в 1,5—1,7 раза выше, чем малоще­ лочные стекла, поэтому изоляторы из щелочных незака­ ленных стекол имеют термостойкость не более 35 °С. В то же время теоретические расчеты показывают, что щелочные стекла должны лучше поддаваться закалке. Максимальное сближение температурных коэффициен­ тов расширения этих стекол и металлов, из которых изго-

9