11. ИЗОЛЯТОРЫ, ОСЬ СИММЕТРИИ КОТОРЫХ СОВПАДАЕТ С ОСЬЮ ТОКОПРОВОДА (ДВУМЕРНАЯ ЗАДАЧА)
11.1. ДИСКОВЫЙ ИЗОЛЯТОР
В реальных условиях отношение /?0/r0 обычно отличается от оптимального — 2,71, что приводит к повышенной напряженности в элегазе на конструктивных элементах КРУЭ (см., например, рис. 6, точка Б). Поэтому в дальнейшем расчеты проводились для R0/r0 = 3,2. Для рассматриваемых изоляторов базовым являлся, как и в предыдущем случае, плоский изолятор, введение которого в промежуток токопровод — оболочка не изменяет напряженность поля газового промежутка.
Зависимость срока службы опорного изолятора (tm — срок службы изолятора с напряженностью Ет, t6 — срок службы базового изолятора) от максимальной напряженности Ет в нем (в относительных единицах) приведена ниже: 
Рис. 19. Профили дисковых опорных изоляторов, рассчитанные по формуле (17) при Н0 = 0,25ro, R0/ro = 3,75 и а = 0 (кривая 1), а = 1,0 (2), а = 1,5 (.?), а = 2,0 (4), а = 2,5 (5) и рассчитанные по формуле (16) при Нт/Н0 = = 3 (6) и Нт/Н0 = 8 (7)
Как показано в таблице, минимальное значение Ет/Ет — = 0,53, что дает увеличение срока службы в 1000 раз. Плоская поверхность базового изолятора наклонена по отношению к оси токопровода на угол, равный 90°. Максимальная напряженность такого изолятора не зависит от величины етв. Если угол между осью токопровода и поверхностью изолятора уменьшить (см. штриховые линии на рис. 19), то значение величины Ет может быть снижено в зависимости от величины етв. Зависимость осевого размера Я, такого дискового изолятора от расстояния до оси токопровода Ri может быть представлена формулой
(16)
где Н0 и Hт — осевые размеры изолятора у оболочки и токопровода соответственно. Если етв 1, то при соотношении Hт/H0 = = 3,2 значение Ет в плоскости симметрии изолятора будет близким к среднему.
Зависимость максимальной напряженности Ет в дисковом изоляторе [см. формулу (16)] от осевых размеров Ят и Я0 и диэлектрической проницаемости етв приведена ниже:
У изолятора, изготавливаемого из эпоксидного компаунда, eТВ = 4. В этом случае минимальное значение Ет составляет 0,85Eт при Нт/Н0 = 8. Срок службы такого изолятора увеличивается всего в 10 раз по сравнению со сроком службы базового изолятора. При соотношении Нт/Н0, меньшем или большем восьми, напряженность Ет вновь увеличивается. При соотношении Нт/Н0 = 8 и увеличении етв До 8 напряженность Ет уменьшается еще на 7%. Для большего снижения напряженности Ет рассмотрим другую конструкцию изолятора, у которого зависимость осевого размера Hi от расстояния до оси токопровода может быть представлена в виде [39]
(17)
Расчеты напряженности Ет для изоляторов такой формы проводились при соотношении Но/r0, равном 0,2—1,0, параметре а в пределах от 0,2 до 2,5 и значении еТВ, равном 2—8. Образующая профиль такой поверхности представляет собой кривую, асимптотами которой являются плоскость симметрии изолятора и ось токопровода. Для а->0 толщина Я, постоянна и равна Н0 (базовый изолятор), т. е. Ет = ЕТ. Если а->оо, то рассматриваемая область вблизи плоскости симметрии практически полностью заполнена твердым диэлектриком, т. е. Ет = Ег. Таким образом, наименьшее значение максимальной напряженности Ет различной формы изоляторов имеет место при 0< а < оо. С другой стороны, если Я0 > R0 — rQ, то при любом значении а рассматриваемый промежуток также заполнен твердым диэлектриком, т. е. Ет = Ет. Если же На->0, то при етв < 10 параметры твердого диэлектрика на напряженность Ет не влияют. Таким образом, зависимость Em — f(H0, а) имеет минимальное значение.
На рис. 20 представлены зависимости максимального коэффициента неоднородности поля в твердом диэлектрике К„ = = Ет/Еср от параметров профиля поверхности изолятора. Видно, что наилучшим является профиль поверхности, имеющий Н0 — 0,25го, а = 2,5 при етв = 8. При этом обеспечивается значение коэффициента Кн равным 1,2, тогда как при е= 1,0 в данной системе электродов он составляет 2,08. Срок службы таких изоляторов в 250 раз больше, чем у базового изолятора. Следует отметить, что дальнейшее увеличение а выше 2,5 не приводит к снижению Кн. При а < 2,5 максимальное значение коэффициента Кн будет иметь место на поверхности токопровода при Ri = r0 (рис. 21). При возрастании а и уменьшении коэффициента Кн отмечается увеличение напряженности поля на заметном удалении от поверхности токопровода: Ri — r0 = = 0,75(i?o — r0). При а > 2,5 напряженность поля вблизи оболочки превосходит напряженность у токопровода, коэффициент Кн начинает увеличиваться.
Сравним полученные данные с результатами расчетов опорных изоляторов, имеющих образующие профили поверхности в виде прямых линий (кривые 6 и 7 на рис. 19). Если у таких изоляторов при Н0 = 0,2r0 и Ят = 0,6r0 (см. стр. 54) соотношение Ет/ЕТ = 0,92, то у изолятора, приведенного на рис. 19 (кривая 2), это соотношение составляет 0,85, хотя величины Н0 и Нг у обоих конструкций одинаковы. Еще значительней различаются данные для изоляторов, имеющих большие значения отношении Нт/Н0. Для профиля, соответствующего кривой 7 (pm1. 19), напряженность Ет/Ет = 0,85, а для профиля соответствующего кривой 4, напряженность Ет/Ет = 0,72.
Рис. 20. Зависимости максимального коэффициента Кн неоднородности поля
при Ro/ro = 3,75 и 8ТВ = 8 (а),
Следовательно, эффективность снижения коэффициента К» определяется более резким увеличением осевого размера опорного изолятора вблизи токопровода. В этом отношении представляют интерес изоляторы, профиль поверхности которых можно описать формулой
(18)
где q «С 1; Н0 и Ri— параметры (рис. 22).
Расчеты выполнены для опорных изоляторов с диэлектрической проницаемостью еТв = 2 (рис. 22); с еТв = 4 результаты расчетов приведены для толщины стенки диэлектрического цилиндра 0,4r0 (рис. 23, а), 0,8r0 (рис. 23,6) и 1,2r0 (рис. 23, в).
Из результатов расчета следует, что, во-первых, оптимальная толщина диэлектрического цилиндра (Ri— r0) примерно соответствует 0,8r0 и толщина плоской части диска Н0 — 0,4r0. В этом случае Ет = 0,6Eт0 при Ro/ro = 3,2, тогда как у изолятора с плавным изменением профиля (Н0 = 0,25r0 и а = 2,5) при том же значении етв (рис. 20, б) напряженность Ет = 0,72EVo при Ro/ro = 3,75; во-вторых, распределение напряженности поля в плоскости симметрии обоих изоляторов (рис. 23, б, кривая 2, и рис. 21, кривая 5) будет одинаковым только тогда, когда диэлектрическая проницаемость етв второго изолятора будет заметно превышать проницаемость первого. При еТ8 = 2 максимальная напряженность у изолятора с резким изменением профиля (рис. 22) на 15% ниже, чем у изолятора с параметрами профиля, приведенными на рис. 20, в, внутри дисковых опорных изоляторов от параметров их профилей Н0 и а бгв = 4 (б), ет„ = 2 (в)
Рис. 21. Изменения коэффициента Ки неоднородности поля в плоскости симметрии дисковых опорных изоляторов (рис. 19) при а = 0 (кривая 1), а = 1,0 (2), а = 1,5 (5), а = 2,0 (4), а = 2,5 (5) и етв = 8
У рассматриваемых выше дисковых изоляторов формирование профиля для снижения напряженности Ет внутри его до значения Еср приводит к увеличению активного объема, особенно в его радиальном направлении (Ri). Как было показано выше, если не учитывать влияния активного объема, то снижение Ет до .Еср увеличивает срок службы изолятора в 200 раз. Если учесть влияние активного объема через параметр nv = 10, то срок службы увеличится всего в 15 раз. И, наконец, если активный объем будет определяться параметром nd = 4, то снижение Ет до Еср путем формирования профиля дискового изолятора будет полностью скомпенсировано снижением электрической прочности компаунда за счет влияния tid.
Рис. 22. Зависимости напряженности поля от расстояния х от плоскости симметрии при заданных Ri = Ri (кривая 1) и Rt = r0 (2) — а и от расстояния Ri в плоскости симметрии при На = 0 и Ri = r0 (3), при Н„ =- 0 и R, = = 1,4r0 (4), при Но = 0,2r0 и Ri = 1,4r0 (5) — б
Рис. 23. Зависимость напряженности поля от расстояния Ri в плоскости симметрии у изоляторов (рис. 22) при На = = 0 и Ri = r0 (кривая 5): а — /Ji = 1,4r0, Но —0 (кривая 1), Н0 = 0,06г„ (2), Но = 0,1 Зло (3), Н0 *= 0,2/0 (4); б-Я,= = 1,8r0. Но — 0 (кривая Л, Яо = 0,2r0 (2), Я0 = 0,4/0 (3), Яо = 0,6r0 (4); e — Ri = 2,2r0, Но = о (кривая /), Яо = 0,08,-q (2), Я„ = 0,24/-о (3)
Профили поверхности дисковых опорных изоляторов, выбор конфигурации которых зависит от внутренней напряженности электрического поля, значительно отличаются от профиля изолятора, обладающего равномерным распределением напряженности по поверхности твердого диэлектрика [7]. Наряду с этим следует отметить, что профили, выбранные для организации напряженности внутреннего поля, также способствуют выравниванию напряженности поля на поверхности изолятора.
На рис. 24 приведена зависимость напряженности поля Е от расстояния Ri вдали от диэлектрика (кривая 4). По мере приближения к диэлектрику напряженность у токопровода (Ri = r0) уменьшается, а у оболочки (Ri = R0) увеличивается. Кривыми 1 — 3 (рис. 24) представлены зависимости напряженности поля Еп непосредственно на поверхности изолятора от расстояния Ri при разных значениях диэлектрической проницаемости етв (параметры профиля изолятора составляют Н0 = 0,25го и а = 2,5).
Видно, что с увеличением етв распределение напряженности становится более равномерным и что во всех случаях Етп < Ет.
Рис. 24. Распределение полной напряженности поля по поверхности дисковых изоляторов при 8гв = 8 (кривая 1), 8Тв = 4 (кривая 2), Етв = 2 (кривая 3) и 8тв = 1 (кривая 4)
Следовательно, дисковые опорные изоляторы, имеющие указанный диапазон параметров профилей и значений етв, удовлетворяют условию обеспечения высокой электрической прочности на поверхности изолятора.
Рассмотрим герметизирующие дисковые изоляторы, используемые в КРУЭ. На рис. 1 приведен такой изолятор [42]. Анализ параметров этого профиля изолятора показывает, что Я о составляет 0,5r0, а конструкция изолятора может быть описана формулой (17) с а = 1. Для етв = 4 соотношение Ет/Ет = = 0,85 (см. рис. 20, б) (Ro/r0 = 3).
Напряженность электрического поля Ет/ЕТ можно существенно снизить путем увеличения параметра а до 2,5 с одновременным уменьшением Н0 до 0,25r0. Однако такое уменьшение толщины изолятора приведет к снижению допустимой механической напряженности и не позволит его использовать для герметизации отсеков КРУЭ. Как показывают расчеты, изменение угла наклона изолятора относительно оси токопровода уменьшает механическую напряженность, возникающую при разности давлений в соседних отсеках.
Рис. 25. Герметизирующий дисковый изолятор
Применение изоляторов с небольшой толщиной у оболочки (рис. 25, штриховые линии) для герметизации отсеков возможно, если изменить форму изолятора вблизи оболочки (рис. 26 — сплошные линии). Такое изменение формы изолятора, приводящее к увеличению длины межэлектродного промежутка внутри изолятора почти на 10%, не приводит к повышению величины Ет/Ет.
На рис. 25 приведен изолятор, который используется для герметизации отсеков (А. с. 684261 (СССР). Изоляционный элемент газонаполненного высоковольтного устройства / В. И. Абдулов, В. Г. Аракелян, В. В. Афанасьев и др.). Иногда применяются также и негерметизирующие дисковые изоляторы. В этом случае в осевом направлении изолятора, вблизи оболочки, находятся отверстия, соединяющие соседние отсеки, но не влияющие на напряженность Ет.
Необходимо отметить также, что у рассматриваемого изолятора введение электрода со стороны токопровода хотя и несколько уменьшает межэлектродное расстояние, однако позволяет, с одной стороны, уменьшить напряженность в точке соприкосновения проводника, газа и диэлектрика (см. гл. 2), а с другой стороны, снизить возможность смещения компаунда относительно металла, которое иногда приводит к появлению поверхностного разряда и снижает электрическую прочность изолятора.
