Kunststof isolator

Sinds enige tijd heeft de glaskapisolator concurrentie gekregen van kunststof exemplaren. Ze wegen minder dan glaskapisolators, maar ze moeten wel op maat gemaakt worden.

Al zeker zeventig jaar worden glaskapisolators gebruikt en als we kijken naar hun alomtegenwoordigheid in het hoogspanningsnet hebben ze zich goed bewezen. Maar de tijd gaat voort en de ontwikkeling van een ander isolerende materialen heeft dat ook gedaan: composiet, kunststof, siliconen en glasvezels. Kunststoffen en glasvezels kunnen worden gebruikt als mantelisolatie om stroomdraden heen, maar ook als volwaardige isolator om draden aan te hangen.

Glasvezelen kern, siliconen flensen

Het woord kunststof is een beetje slecht gekozen, maar het is de gangbare term geworden voor dit type isolators. Stiekem heeft een kunststof isolator meer gemeen met een glaskapisolator dan het lijkt. Ook bij dit type isolator is het isolerend materiaal niets anders dan glas.

Open dag op trafostation Pfungstad (Duitsland) waar een nog af te monteren exemplaar van een kunststof 380 kV-isolator met chic blauwe siliconen lag opgesteld. Ondanks bijna vier meter lengte, forse coronaringen en metalen beslag weegt het hele ding inclusief het hang- en sluitwerk slechts ongeveer honderd kilo. Foto door Frank Arnold.

Een kunststof isolator bestaat uit twee metalen uiteinden waar tussenin zich een sterke ronde kern van glasvezels bevindt. Geen optische glasvezels, maar gewone glazen draden die zijn samengevlochten tot een stevige kern die grote trekkracht aankan terwijl enige flexing of buiging nog steeds mogelijk is.

Doorgezaagde kunststof isolator. Merk op dat er eigenlijk weinig kunststof te vinden is: alleen het siliconenrubber zou je als zodanig kunnen opvatten. De kern heeft veel meer gemeen met glaskapisolators dan met plastic. Zoals je ziet moet de lengte op maat worden gekozen voor de tegen te houden spanning. Dat vereist fabricage vooraf: ter plekke in het veld op maat maken is niet mogelijk.

Om de kern heen bevindt zich een mantel van siliconenrubber met flensen. Van traditioneel plastic als in polyethyleen of polypropyleen is geen sprake. Het siliconenrubber met uitstekende ronde schijven doet hetzelfde als de rillen aan de onderzijde van de kap van de glaskap-isolator: zoveel mogelijk oppervlaktelengte creëren, daarmee de kruipafstand tussen beide uiteinden van de isolator over de buitenkant zo lang mogelijk maken en het daarmee lekstroom zo moeilijk mogelijk maken.

   

Detailopnames van kunststof isolators. Links: siliconen flensen zijn weerbestendig, maar ook vrij prijzig om te maken. Zolang ze schoon blijven zijn ze waterafstotend. De flensen hebben twee verschillende lengtes om overbrugging door plaksneeuw of vastvriezende ijzel moeilijker te maken.

Licht gewicht als troef

Kunststof isolators zijn geen nieuwe uitvinding. Al in de late jaren 60 werden de eerste exemplaren voorzichtig beproefd. Het zou nog een aantal decennia duren voordat ze ook bij hogere spanningen een vlucht zouden nemen. In het hoogspanningsbereik zijn ze pas sinds de jaren 90 enigszins gangbaar geraakt, het eerst in Amerika, waar naar verhouding meer buismasten en meer kilometers bovengrondse middenspanning en lage hoogspanningen staan. Waar kunststof in Europa nog enige tijd iets bleef voor noodmasten werd het in Amerika al eerder gangbaar in het civiele net voor permanent gebruik.

Het belangrijkste voordeel van kunststof isolators is hun geringe gewicht. Ze wegen voor dezelfde isolatiewaarde maar een fractie van wat glaskapisolators wegen. Een exemplaar lang genoeg om 220 kV in bedwang te houden leg je zo even op je schouder. Een streng glaskappen waarmee je hetzelfde kan weegt ruim tweehonderd kilo. Bij buismasten kan dit honderden kilo’s gewicht schelen. Ook bij vakwerkmasten kan dit van belang zijn. Bij hoekmasten met hun dubbele kettingen en afspanningen hangt er vanzelf al vier keer zoveel isolatie aan de traversen, en dus ook vier keer zoveel gewicht. Met kunststof is daar een flinke slag te slaan en soms is dat genoeg om de hele mast wat lichter te kunnen uitvoeren.

   

Links: open dag van Tennet Hoogeveen in 2011, een mooie kans om eens dichtbij de componenten te komen. Rechts: doordat kunststof isolators zo weinig wegen kan men soms de hele mastkop met isolators en katrollen en al in één keer optakelen en monteren terwijl de hijskraan het verschil nauwelijks opmerkt. Foto’s door Hans Nienhuis.

Soms kan deze gewichtsbesparing er ook voor zorgen dat een bestaande hoogspanningslijn zwaardere draden kan krijgen zonder dat de masten meer gewicht te dragen krijgen. De paar honderd kilo besparing op isolatorgewicht kan dan worden besteed aan een dikkere draad of een bundeldraad waardoor de transportcapaciteit toeneemt, maar het gewicht dat de masten ervaren blijft gelijk. Bij netverzwaringen kan dit een boel berekeningen en verbouwingen schelen. Bij noodmasten is het zelfs essentieel.

Drukkrachten opnemen

Een tweede voordeel van kunststof isolators is dat ze hetzelfde kunnen als keramische isolators, maar dan met minder gewicht: drukkrachten opnemen. Drukkrachten zijn iets waar glaskappen het onherroepelijk laten liggen. Drukkrachten kunnen worden opgenomen door de glasvezelen kern dikker en stijver te maken. Dat kan een handige eigenschap zijn bij V-fixeringen in hoekmasten, maar op nog spectaculairdere wijze zien we het in geïsoleerde traversen zoals in buismasten, wintracks en zelfs zware vakwerkmasten zoals de Stevin-mastenfamilie.

   

Kunststof isolators in een dikkere vorm, in staat tot het opnemen van drukkrachten. Links een toepassing in wintracks, rechts in een Stevinmast.

Hierboven zien we zogeheten V-braces: kunststof isolators die een zijwaartse V vormen. Die aanblik is kenmerkend voor wintrackmasten. De bovenste isolator in de zijwaartse V neemt trekkrachten op, terwijl de onderste berekend is op drukkrachten. In kleinere buismasten

   

Amerikaanse buismasten en houten masten met kunststof isolators. Inmiddels is deze toepassing in Amerika zo groot dat ze duidelijk de meerderheid hebben overgenomen zodat glaskappen een bijrol krijgen. Foto’s door Hans Nienhuis.

Niet bestand tegen hitte of buigen

Het lichte gewicht en het grootschalig kunnen gebruiken van standaardlengtes bij gangbare spanningen zoals 110 kV zijn een voordeel. Toch is de glaskapisolator nog niet bezig aan zijn aftocht. Waar kunststof isolators slecht tegen kunnen is iedere vorm van een calamiteit. Vlamboogvorming (bij kortsluiting) genereert in korte tijd zeer veel hitte. Glaskapisolators verdragen dat enige tijd doordat ze van metaal en steen (glas) zijn en doordat het geharde glas en de keramische inhoud van de kern honderden graden kan verdragen voordat ze het begeven. Er is ook geen brandbaar materiaal aanwezig in een glaskapisolator.

Het siliconenrubber van kunststof isolators kan minder goed tegen hoge temperaturen. Boven 250ºC begint het te ontbinden en uiteindelijk te branden, waarna de glasvezelkern zijn isolerende mantel verliest, de kruiplengte sterk verkort wordt en de kortsluiting alleen maar toeneemt. Uiteindelijk wordt de kern zo heet (boven 600ºC) dat deze zijn mechanische sterkte begint te verliezen. Dat kan in het ergste geval betekenen dat de fasedraad losbreekt en naar beneden valt. Dat moeten we niet hebben, vandaar dat kunststof isolators veel vaker dan glaskappen van coronaringen en vlamboogpinnen en veldsturing zoals coronaringen worden voorzien. Alles wordt gedaan om de kans op vlambogen te verkleinen of om de vlamboog op veilige afstand van de isolator te laten ontstaan, mocht het zover komen. En ook onder normale omstandigheden zijn kunststof isolators gevoeliger voor corrosieve gevolgen van ionisatie en corona rond de uiteinden.

Kunststof isolators klaar om te worden gemonteerd. Hun geringe gewicht ten opzichte van glaskappen zorgt ervoor dat er bij opwaarderingen van de verbinding een zwaardere draad kan worden toegepast zonder dat het totale gewicht toeneemt. Foto door forumlid Elextro.

Buiging is een ander gevaar. Een streng glaskappen kan ruim twintig ton trekkracht aan voordat ze het begeven, en ook een opwaartse schok kunnen ze verdragen. Doordat het losse elementen zijn die enigszins flexibel aan elkaar vast zitten kan de isolatorketting vrij goed tegen schudden en zelfs tegen opwaartse klappen bij lijndansen. Fijn is anders, maar ze houden het wel. Dat is bij kunststof anders. Als de glasvezelkern buigt en knakt is het einde oefening. Op plekken waar het erop aankomt kiest de netbeheerder daarom nog vaak voor glaskappen, zodat het vandaag de dag van de situatie en de reconstructie afhangt wat de voorkeur krijgt. Uiteindelijk lijkt de strategie van vandaag te gaan richting kunststof waar het kan, maar glaskappen waar het moet.