Рассмотрим предельные возможности снижения напряженности Ет внутри конического изолятора в зависимости от угла его наклона 0 относительно оси токопровода. В качестве базового примем дисковый изолятор, у которого Ет = Яср, параметр nt = 10. Зависимость предельного повышения относительного срока службы конического изолятора и относительное снижение средней напряженности внутри изолятора от угла его наклона 0 приведена ниже:
Рассмотрим вначале наиболее простую форму конического изолятора, профиль которого представлен в виде прямых параллельных линий (см., например, рис. 9). Как показывают расчеты, у таких конических изоляторов, имеющих диэлектрическую проницаемость етв = 4, эквипотенциальные поверхности внутри диэлектрика почти перпендикулярны поверхности изолятора. Отсюда следует, что распределение напряженности оказывается таким же, как в газовом промежутке токопровод — оболочка, а ее значение уменьшено пропорционально sin0. Для того, чтобы не было местного усиления напряженности в точке соприкосновения проводника, газа и диэлектрика (см. гл. 2), поверхность электрода со стороны токопровода должна быть примерно перпендикулярна поверхности изолятора (рис. 26).
Рис. 26. Зависимость коэффициента Кн от расстояния Rt внутри конического изолятора (Ro/ro = 3,2; На = 0,4r0; Rt/r0 = 1,4; 0 = 45°) при отсутствии изолирующего цилиндра или внешнего экрана (кривая 1), при наличии изолирующего цилиндра (кривая 2) и при наличии внешнего экрана (кривая 3)
1 — оболочка; 2 — внешний экран; 3 — изолятор; 4 — изолирующий цилиндр; 5 — токопровод
У изолятора, в котором Ri — rQ = 0 (участок изолятора, изображенного на рис. 26, а без штриховой линии), максимальная напряженность Ет может быть уменьшена до среднего значения напряженности газового промежутка, если угол наклона станет равным 35,5°. Таким образом, максимальная напряженность такого изолятора соответствует наименьшей напряженности Ет всех рассматриваемых конструкций. Однако активный объем диэлектрика дискового изолятора, напряженность которого постоянна вдоль газового промежутка, существенно выше, чем активный объем у такого конического изолятора. Поэтому при угле наклона изолятора 0 = 35,5° коническим изоляторам вследствие их сравнительно простой формы отдается предпочтение. Срок службы рассматриваемого конического изолятора в 200 раз превышает срок службы базового дискового изолятора (Ro/r0 = 2,71).
Особенность конических изоляторов заключается и в том, что при уменьшении угла наклона 0 происходит не только уменьшение электрической напряженности внутри изолятора, но и снижение механической напряженности в изоляторе, если он используется в качестве герметизирующего устройства. Так, например, при перепаде давлений в соседних отсеках толщина герметизирующего изолятора, выполненного в виде плоского изолятора, должна быть в три раза больше, чем толщина конического изолятора с углом наклона относительно оси токопровода в = 40°. Зарубежные фирмы применяют такие конические изоляторы и без использования их для герметизации. Так, у конических изоляторов фирмы ВВС имеются большие проемы вблизи оболочки, а угол наклона составляет 50°.
При угле наклона 0 меньшем 30°, конструктивное исполнение конических изоляторов усложняется (например, рис. 6). При этом необходимо оценить влияние резкого изменения угла его наклона относительно оси токопровода при изменении расстояния от токопровода на формирования электростатического поля. На рис. 27 приведен стилизованный профиль конического изолятора, участки которого имеют углы наклона 0 от 0 до 90°, а диэлектрическая проницаемость етв = 4,8. Как показали расчеты, при соотношениях толщины изолятора Н0 к r0, близких к реальным, напряженность поля на участке с углом наклона 0 = 90° оказывается сравнимой с напряженностью поля в газовом промежутке при отсутствии изолятора (штрихпунктирныс линии на рис. 27). Поэтому те участки, которые перпендикулярны оси токопровода, должны быть существенно увеличены в осевом направлении (рис. 6, точка В), либо экранированы внешними электродами (рис. 6, точка А), с тем чтобы основное напряжение было приложено к горизонтальному участку изолятора.
Рис. 27. К оценке электрического поля внутри стилизованного изолятора (Rо/r0 = 3,2) при e™ = 4 (сплошные линии), в,в = 8 (штриховые линии) и при отсутствии изолятора (штрихпунктирные линии)
Рассмотрим результаты расчетов напряженности электрического поля конического изолятора, представленного на рис. 26, а (сплошные линии, > r0). Он подобен дисковому изолятору, поверхность которого резко изменяется при заданном расстоянии от токопровода Ri (рис. 22). Угол наклона конического изолятора относительно оси токопровода составляет 45°, соотношение R0/r0 = 3,2, диэлектрическая проницаемость бтв = 4, а толщина конического изолятора равна 0,4r0. При отсутствии изолирующего цилиндра, облегающего токопровод, максимальная напряженность Ет составит 1,35 средней напряженности газового промежутка токопровод — оболочка. При наличии изолирующего цилиндра толщиной 0,4r0 максимальная напряженность уменьшается еще в 1,35 раз, т. е. Ет/ЕТ=\. Срок службы такого изолятора в 1000 раз больше, чем срок службы базового дискового изолятора. Соотношение Ет/ЕСр, равное единице, имеет место у конических изоляторов без горизонтального изолирующего цилиндра, если угол наклона 0, как выше было указано, равен 35,5°. В последнем случае значительно труднее расположить дополнительный электрод, поверхность которого должна быть перпендикулярна поверхности изолятора. Обеспечить заданную напряженность поля в приэлектродных зонах конических изоляторов можно либо путем применения металлических экранов, либо прибегая к существенному увеличению осевого размера твердого диэлектрика, как и у ранее рассмотренных дисковых опорных изоляторов. Остановимся подробнее на последнем способе.
Если принять уже опробованный для дисковых конструкций способ изменения осевого размера твердого диэлектрика, то профиль поверхности конического изолятора будет зависеть от трех параметров: На, а [см. формулу (17)] и угла наклона 0. Оценим диапазоны их изменений.
Известно, что существенное снижение напряженности Ет в конических изоляторах наблюдается лишь при угле наклона 0 < 45°. Однако уменьшение угла 0 ниже 30° нецелесообразно по конструктивным соображениям. Следовательно, анализ электростатических полей конических изоляторов рационально проводить в диапазоне изменения угла наклона 0 от 45 до 30°, где для простейших эпоксидных конструкций напряженность Ет меняется от 0,85.Ет до 0,7ЕТ соответственно.
Рис. 28. К расчету профиля поверхности конического опорного изолятора при 0 = 45° и а = 2,5 (кривая 1), а = 2,0 (кривая 2), и = 1,5 (кривая 3)
Исследования влияния наружного осевого размера дисковых изоляторов на напряженность Ет показали, что при указанном способе задания поверхности оптимальное значение Н0 составляет 0,25r0. Таким образом, анализ электростатических полей конических опорных изоляторов можно свести к анализу влияния на них лишь коэффициента а, а значения других параметров принять фиксированными: Н0 = 0,25r0 и 0 = 45 и 30°. Профили конических опорных изоляторов были сформированы по следующему принципу. За основу принимался простейший изолятор, имеющий образующие в виде параллельных прямых, наклоненных по отношению к поверхности электродов КРУЭ на угол 0, равный 30 или 45° (соотношение радиусов коаксиальных электродов Ro/ro = 3,75). Внешняя поверхность изолятора сохранялась без изменений, а внутренняя — рассчитывалась по формуле (17), причем расчет проводился для одной (внутренней поверхности изолятора: в формулу (17) вместо Н0 вводилось только Н0/2 (рис. 28).
Характер влияния параметров профиля конических изоляторов данного типа на напряженность электрического поля аналогичен результатам, полученным для дисковых конструкций. Так, максимальная напряженность имеет место на поверхности токопровода, а при увеличении а происходит равномерное распределение коэффициента Кк. Однако угол наклона изолятора относительно оси токопровода вносит свои коррективы: напряженность на внутренней поверхности твердого диэлектрика (кривые 1 — 3 на рис. 28) заметно превосходит напряженность на внешней поверхности (прямая коническая поверхность изолятора на рисунке); для внешней поверхности конических изоляторов значение коэффициента К« не превосходит 1,2. На рис. 29, а приведены кривые распределения напряженности поля вдоль внутренней поверхности конического изолятора. Максимальные значения коэффициента Кн, наблюдаемые в зоне прилегания к поверхности токопровода коаксиальной системы, находятся примерно в центре расширенной части опорного изолятора (рис. 29, б). По мере удаления от оси вращения изолятора место расположения максимума переходит на внутреннюю поверхность твердого диэлектрика. Расчеты показали, что для таких опорных изоляторов значения коэффициента Кн могут быть снижены до 1,38 — при угле наклона 0 = 45° и до 1,34 — при 6 = 30°. Это означает, что при R0/r0 = 3,75 срок службы этого изолятора в 70 раз выше, чем срок службы базового плоского изолятора.
Рис. 30. Распределение напряженности в газе вдоль внутренней поверхности конического изолятора при етв = 4, угле наклона 0 = 45° и а = 2,5 (кривая 1), а = 2,0 (кривая 2), а = 1,5 (кривая 3)
Рис. 29. Распределение коэффициента К« в твердом диэлектрике вблизи внутренней поверхности конического изолятора при етв = 4, 0 = 30° и а = = 1,5 (кривая 1), а = 2,0 (кривая 2), а = 2,5 (кривая 3)
Наибольшая напряженность поля на поверхности конических опорных изоляторов имеет место на внутренней стороне твердого диэлектрика. На рис. 30, а приведены кривые распределения напряженности поля в газе вдоль поверхности конического изолятора (рис. 30,6). В зависимости от изменения конструктивного исполнения профиля меняется не только само значение максимальной напряженности поля, но и ее местоположение.
Если внутренняя поверхность конического изолятора образует с поверхностью внутреннего электрода угол, превышающий 90° (например, профиль с углом наклона 0 = 45° и а = 2,5), то область расположения Етп смещается на некоторое расстояние от внутреннего электрода и располагается в месте с максимальной кривизной поверхности изолятора. Напряженность Етп при этом не превышает Eт, что и обусловливает высокую внешнюю электрическую прочность конических изоляторов.
