Keramische isolator

Het oudste type isolator is de keramische isolator. Ondanks het schijnbaar ouderwetse imago van keramiek en porselein is de keramische isolator niet weg te denken uit hoogspanningsland.

Keramische isolators zijn gemaakt van porselein en gebakken keramiek. Inderdaad, dat is hetzelfde materiaal als waarvan je toiletpot, de badkuip, het serviesgoed en die afschuwelijk lelijke bloemenvaas op de boekenkast zijn gemaakt. Keramiek is gebakken klei met een glazuurlaag. Het is net als glas gemaakt van kwarts: siliciumdioxide. In tegenstelling tot glas is keramiek niet amorf en doorzichtig. Toch hebben ze meer met elkaar gemeen dan het lijkt.

Op de afbeelding staat een exemplaar met een holle kern geschetst. Dit is niet altijd het geval, er zijn ook massieve uitvoeringen, vooral op plekken waar gewicht niets uitmaakt zoals bij staanders onder stationsrails.

Combinatie van eigenschappen

Keramiek zwaar en breekbaar? Dat eerste is waar maar het laatste valt te bezien. Wat glaskapisolators niet kunnen en wat kunststof isolators pas sinds een jaar of tien voorzichtig proberen te evenaren is voor keramische isolators een fluitje van een cent: drukkrachten opnemen.

   

Keramische isolators in twee toepassingen. Hangend kunnen ze zelfs zware 380 kV-fasedraden dragen, staand worden ze gebruikt om rails op trafostations op hun plek te houden. Keramiek kan in iedere kleur worden geglazuurd, maar grijs en roodbruin zijn de standaardkleuren. Foto’s door Michel van Giersbergen.

Isolators van keramiek zijn bruikbaar als hangende isolators voor trekkrachten en ook als staande isolators voor drukkrachten. Hangend worden ze in Nederland en België maar weinig gebruikt in hoogspanningslijnen omdat glaskappen en tegenwoordig composiet handiger is. Je treft keramische isolators voornamelijk aan voor staande isolators, op trafostations en op plekken waar hoogspanningskabels in een zogeheten bretel hangen onder een traverse door, zoals bij hoekmasten. Ze hangen dan aan de buitenbocht en fixeren de bretels zodat die niet tegen de toren aan kunnen komen. Keramische isolators bestaan uit een langere of kortere staaf keramisch materiaal met twee metalen bevestigingspunten. In die hoedanigheid lijken ze veel op de kunststof-isolators. Soms zit er een holte in, een andere keer zijn ze massief.

   

De toepassing van keramische isolators als vasthouder voor de bretels kan je met name vinden in hoekmasten voor 220- en 380 kV die een aanzienlijke bocht maken. Merk de tijdelijke aardingsdraden op: op het moment van deze foto waren er werkzaamheden aan de mast. Foto door door Bart Sondaar.

Sterk, hittebestendig en klimaatproof

Hoewel porselein als breekbaar bekend staat is de praktijk heel anders wanneer je het object maar groot genoeg maakt. Een boterhambordje springt zo kapot, maar een toiletpot of een wasbak is al veel robuuster en porseleinen isolators doen daar nog een stap bovenop. Ze zijn zo hard als steen (want ze zijn steen) en ze wegen tientallen tot vele honderden kilo’s elk. Ook is het materiaal dikwandig. Grote exemplaren kunnen een klap met een voorhamer overleven zonder fataal te breken. De ribbels, bedoeld om de kruiplengte voor lekstroom te vergroten, springen er ook niet zomaar af. Er is om kort te gaan meer nodig dan grote hagelstenen of thermische stress doordat één kant in de zon hangt en de andere niet.

Keramische isolators ter ondersteuning van rails op een trafostation. Hier hoeft de isolator alleen te dragen of te tillen en dan kunnen ze dunner zijn uitgevoerd, maar ze moeten wel in staat zijn om kortsluitkrachten op de rails te doorstaan. Foto door Michel van Giersbergen.

Gebakken klei is buitengewoon goed bestand tegen alles wat de atmosfeer er tegenaan gooien kan. Hitte, zonnestraling, regen, kou, vorst, hagel, ijzel en sneeuw, tot op zekere hoogte zelfs blikseminslag, eigenlijk alles wat je erop kan loslaten kunnen ze verdragen. Ook zijn ze goed bestand tegen extreme hitte (vlamboogvorming) en tegen  UV-straling: op deze twee gebieden laten kunststof isolators met siliconen flensen het vooralsnog een beetje liggen na enkele decennia.

Tegen zijwaartse buiging en tegen torsie zijn ze minder goed bestand. Dat lijkt weinig voor te komen, maar bij calamiteiten (zoals kortsluitingen) kunnen er in de componenten enorme kortsluitstromen optreden. Die gaan gepaard met een sterk magnetisch veld waardoor draden wild kunnen gaan zwiepen en rails op trafostations of naar elkaar toe getrokken kunnen worden of elkaar met geweld afstoten. Zo’n plotselinge zijwaartse beweging kan een staande keramische isolator slecht aan. Dat is er ook de reden van geweest dat trafostations met hangende rails lang de boventoon voerden bij hoge spanningen. Staande rails op keramische isolators werden bij kortsluiting maar kantjeboord betrouwbaar genoeg geacht om in de hoogste netvlakken de kortsluitstromen en krachten de baas te kunnen. Pas sinds de laatste decennia zijn rails op staande keramische isolators eigenlijk de norm geworden in de hoogste netvlakken van 220- en 380 kV.

Eindsluiters: waar de kabel en lijn elkaar ontmoeten

   

Waar een ongeïsoleerde luchtlijn overgaat op een grondkabel vind je een eindsluiter en die waren vroeger keramisch. Tegenwoordig worden ze vaker van composietmateriaal gemaakt, zoals op de rechterfoto. Het verschil kan soms goed kijken zijn. Foto’s door Michel van Giersbergen en Bart Sondaar.

Keramische isolators worden ook veel gebruikt in zogeheten eindsluiters: de overgang van een luchtlijn naar een grondkabel of een andere geïsoleerde toepassing zoals een trafo of een GIS-systeem. De grote staande keramische isolators hebben op hun top een bevestigingspunt voor de fasedraad. Terwijl de keramische isolator zelf voor sterkte, afscherming en elektrische isolatie met een grote kruiplengte zorgt, loopt de draad binnen door de holle isolator heen terwijl hij zich in olie of in een omhulsel van kunststof bevindt. Aan de onderkant van de isolator komt de kabel er weer uit, omhuld door een isolatiemantel waardoor deze nu veilig de grond in kan.

Natuurlijk, alles kan kapot. Ook keramische isolators. Zo is er in Gelderland en het Randmerengebied enige tijd een probleem geweest met de 150 kV-eindsluitingen van een bepaald merk dat we hier maar niet noemen, maar waarvan bleek dat de onderkant op de grens van het keramiek en de metalen bevestigingsplaat onder uitzonderlijke omstandigheden, zoals harmonische opslingeringen binnen een deelnet (ja ja, het is wat) spontaan konden exploderen. En dat ging met aardig wat kracht. Al deze eindsluiters moesten worden vervangen. Dat was niet in een weekje gebeurd, dus er werd hier en daar een houten omkasting om de eindsluitingen aangebracht, met een open boven- en onderzijde. Die geïmproviseerde scherfmuur moest voorkomen dat brokstukken zijwaarts konden wegspatten en beschermde fietsers in de omgeving tegen scherfwerking.

Keramische eindsluiting in een houten omkasting. Uitzichten zoals deze waren nodig totdat de vatbare eindsluiters waren vervangen door andere exemplaren. De locatie, het merk van de eindsluiter en de fotograaf laten we even achterwege.

Gelukkig zijn problemen met hoogspanningscomponenten in de openbare ruimte een zeldzaamheid. Het materiaal wordt erop uitgekozen dat het tegen een stootje kan. Daarom is het toch mogelijk om loodzware draden aan keramiek op te hangen. Hoewel keramiek breekbaar klinkt geldt dus ook het tegenovergestelde: hard als steen.