8. ВЫБОР ДОПУСТИМОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ПОЛЯ В КОМПАУНДЕ ПРИ ЗАДАННОМ СРОКЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Опорные изоляторы должны обладать высокой эксплуатационной надежностью в течение 20—50 лет. Поэтому целесообразно оценить на основе данных об электрической прочности литых эпоксидных компаундов допустимое значение напряженности поля, позволяющее обеспечить заданные сроки службы изоляторов. Одним из наиболее простых методов такой оценки является определение гарантийного срока службы / изделия, соответствующего гарантийной вероятности ламбда [35]. Эта характеристика определяется уравнением
(П)
Для образцов диэлектрика, у которых известны электрическая прочность Et (при заданных времени испытаний ti и активном объеме), а также параметры р и я*, можно записать следующее выражение, вытекающее из формул (6) — (8):
(12)
Полученное выражение позволяет оценить допустимую напряженность поля Е\, при которой рассматриваемый образец эпоксидного компаунда может пробиться за время tx с вероятностью FВыражение для Ai определяет значение допустимой напряженности поля в зависимости от заданной вероятности пробоя Fx, а выражение для Л2 — срок службы изоляции tx.
В зависимости от конструктивного исполнения опорного изолятора активный объем его диэлектрика может изменяться в широких пределах. Поэтому целесообразно с учетом выражений (2) и (3) записать формулу (12) в виде
(13)
В этом выражении величины Еи S\, d\, ti определяют электрическую прочность рассматриваемого компаунда и контактного перехода, полученную экспериментально на образцах с размерами Si и di при напряженности во время испытаний, соответствующей среднему сроку службы ti (предполагается, что параметры tis и na, р и nt известны — см., например, табл. 5). При заданном конструктивном исполнении опорного изолятора можно оценить активный объем его диэлектрика, т. е. Si и di, а из выражения (13) при заданных значениях tx и /у—допустимую напряженность Следовательно, изолятор может успешно эксплуатироваться, если максимальная напряженность в нем (при заданном напряжении) окажется меньше допустимой напряженности поля, полученной по этой формуле.
В табл. 6 приведены данные, с помощью которых можно определить параметры na, ns и tit. В качестве обобщения с табл. 6 представлены результаты, полученные с помощью выражения (13), для срока службы изоляторов, равного 20 годам,, с вероятностью пробоя 0,1 и параметром р=0,5. В этих оценках величина приведена к активной площади поверхности электрода 5 = 10 см2, длине межэлектродного промежутка d = 1 см и среднему сроку службы, равному 10 ч. Значение электрической прочности такого «базового» образца изоляции лежит в пределах 20—60 кВ/мм в зависимости от технологии получения компаунда и способа изготовления контактного перехода проводник— диэлектрик. Как показал анализ, значения электрической прочности базового образца удобно разделить на группы, соответствующие 20, 25, 30, 40 и 60 кВ/мм.
Таблица 6
Примечание. Допустимая напряженность поля для значения параметра щ = 9 приведена в числителе, для nt = 12 — в знаменателе.
К группе с Ei = 20 кВ/мм относится компаунд типа «бисфенол» [17], образцы которого имели электроды в виде слоя серебряной пасты, компаунды СТ-200 [27], а также компаунд EG-1 [33], который исследовался на коаксиальных образцах длиной 0,5 м. К этой группе относится и компаунд фирмы «Тошиба» [19] с электродами, прошедшими пескоструйную обработку.
К группе Е1 = 25 кВ/мм относится компаунд КФ-1, включающий в себя наполнитель в виде фтористого кальция [24], а также компаунды КФ-3 [31], КЭ-2 [22], Д-2 [21], КЭГ1-1 [26], изготовляемые нашей промышленностью. Сферические металлические электроды, применяемые в образцах из таких компаундов, были отполированы. К этой группе относится компаунд «Эпокси-190» [15], образцы которого имеют электроды, изготовленные нанесением на соответствующую поверхность графитового лака.
К третьей группе с величиной Е\ = 30 кВ/мм относится компаунд «Эпокси-190» [15], образцы которого имеют электроды, полученные путем нанесения проводящей сетки. Метод шоопирования применен для отечественного компаунда КЭ-3 [18] без полированных электродов. К этой же группе относятся компаунды СТ-201 [27], EG-1 [30], а также компаунд, описанный в работе [29], где электроды полировались. К этим трем группам относятся компаунды, исследования которых велись наиболее широко.
К группам с напряженностью 40 и 60 кВ/мм относятся компаунд «бисфенол» [16, 17] и компаунды «Эпокси-1/8» [25], CY-205 [20], которые характеризуются наиболее сложной технологией изготовления и тщательностью обработки полированных электродов. Таким образом, в реальных условиях промышленного производства в качестве базового образца можно использовать компаунды с электрической прочностью 20— 30 кВ/мм.
Рассмотрим результаты оценок допустимой напряженности внутри опорного изолятора в зависимости от группы «базового» изолятора и активного объема опорного изолятора. Как следует из табл. 5, у образцов с активным объемом более 10 см3 среднее значение nt составляет 12 ± 3. Данные табл. 6 свидетельствуют, что для tit — § допустимая напряженность оказывается в 1,5 раза ниже, чем при щ = 12. Поэтому величину nt> 9 целесообразно использовать только в том случае, когда для рассматриваемого компаунда она определена экспериментально. Данные табл. 5 свидетельствуют о тенденции к повышению параметра nt при увеличении среднего срока службы изолятора U с активным объемом диэлектрика V > 1 см3, однако в работе [17] приведены результаты ускоренных испытаний, из которых видно, что это изменение невелико. Если уменьшается параметр р, то снижается и допустимая напряженность, определяемая по формуле (13). Так, при уменьшении р с 0,5 до 0,25 допустимая напряженность уменьшается в 1,5 раза; при увеличении р до 1,0 допустимая напряженность повышается на 15%.
В табл. 6 приведены значения допустимой напряженности с гарантийным сроком службы 20 лет при вероятности пробоя 0,9. Это означает, что при такой напряженности после 20 лет может пробиться примерно один изолятор из 10. Для обеспечения вероятности пробоя 0,99, т. е. пробоя одного изолятора из 100, допустимая напряженность должна быть уменьшена в 1,5 раза.
В элегазовых КРУ длина межэлектродного промежутка изолятора (при напряженности в диапазоне от Ет до 0,%Ет) в радиальном направлении может изменяться примерно от 1 до см. Как показывают расчеты, выполненные с помощью выражения (7), при увеличении активного объема в 10 раз (при параметрах na = ns = 12) допустимая напряженность уменьшается в 1,21 раза. Если при таком увеличении активного объема имеет место увеличение длины межэлектродного промежутка при изменении напряженности от Ет до 0,8Ет в 5 раз (na. = = 5), то допустимая напряженность уменьшится в 1,45 раз.
Рассмотрим в качестве примера выбор марки компаунда и контактного перехода для конического изолятора (рис. 14,а). При диаметре токопровода 2r0 и оболочки 2R0, соответствующих 150 и 520мм (класс 400 кВ), и максимальной напряженности на поверхности токопровода (при номинальном напряжении) 3,7 кВ/мм радиальный размер активного объема диэлектрика не превышает 10 мм, а сам активный объем — 300 см3.
Рис. 14. Конический (а) и столбиковый (б) опорные изоляторы КРУЭ-420 кВ
С учетом конструктивного исполнения электродов максимальная напряженность внутри изолятора составляет 3,4 кВ/мм. Если привести эти данные к активному объему, равному 100 см3, то максимальная напряженность будет соответствовать 3,75 кВ/мм. Сопоставляя это значение с данными табл. 6, можно сделать вывод, что для этой конструкции изолятора можно использовать компаунд с наименьшей электрической прочностью. Рассмотрим изолятор столбикового типа (рис. 14,6). Максимальная напряженность внутри диэлектрика составит 9,8 кВ/мм при радиальном размере активного объема, не превышающем 5 мм, и активном объеме диэлектрика у одного электрода 6 см3. Учитывая, что у этого изолятора имеются два электрода, а для центровки токопровода необходимо устанавливать три изолятора под углом 120°, то их полный активный объем составит 36 см2. Если соотнести максимальную напряженность Ет с активным объемом, равным 100 см3, то приведенная напряженность будет соответствовать 9 кВ/мм и при коэффициенте tit = 12 в этом изоляторе необходимо использовать компаунды, не худшие, чем описанные в работах [16, 17] (Ех — 40 кВ/мм, табл. 6).
