ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ РАСЧЕТЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
ОЦЕНКА ПРЕДЕЛЬНОГО ДИАПАЗОНА ИЗМЕНЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ВНУТРИ ИЗОЛЯТОРА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЕГО ФОРМЫ И РАЗМЕРОВ
Основные габаритные размеры элегазовых КРУ при заданных номинальном напряжении и токе нагрузки определяются электрической прочностью элегаза и тепловым сопротивлением между токопроводом и окружающей средой вне оболочки. Следовательно, конструктивное исполнение опорного изолятора ограничено размерами токопровода и оболочки, а также допустимой электрической и механической напряженностью компаунда при рабочей температуре. Задачей данной главы является определение формы изолятора, при которой максимальная напряженность внутри него, обусловленная электростатическим полем, не превышает допустимой напряженности компаунда при заданном сроке службы.
Рассмотрим изоляторы, у которых плоскость симметрии (диск) или ось вращения (столбикового типа) перпендикулярны оси токопровода. Межэлектродное расстояние в этом случае равно Ro — r0 (без введенных внутрь дополнительных электродов). В качестве базового варианта примем изолятор, поверхность которого совпадает с силовыми линиями в газовом промежутке. Иными словами, внесение в промежуток токопровод — оболочка этого изолятора с любым значением етв не должно изменять напряженность поля газового промежутка и максимальная напряженность в нем будет равна напряженности на токопроводе. Рассмотрим плоский дисковый изолятор, поверхность которого перпендикулярна оси токопровода. Если изменить его форму и обеспечить равномерное распределение напряженности внутри него, то для RB/r0 = 2,71 средняя напряженность Еср окажется в 1,7 раза меньше, чем максимальная напряженность в базовом изоляторе Ет. Эффективность снижения напряженности поля внутри изолятора удобно представить в виде повышения его срока службы. Примем параметр nt = 10, тогда, как показывает расчет по формуле (7), уменьшение напряженности в 1,7 раза приведет к увеличению срока службы в 200 раз. Если увеличить радиус оболочки всего на 15% (1,15R0 = R), то срок службы рассматриваемого изолятора по сравнению с базовым изолятором (Ro/ra = 2,71) увеличится в 2000 раз. Если радиус оболочки уменьшить на 15,%, то срок службы увеличится всего в 20 раз вместо увеличения в 200 раз при R = R0. При заданном соотношении R0/r0 = 2,71 увеличим межэлектродное расстояние в твердом диэлектрике, что, как известно, возможно путем использования конического изолятора. В этом случае увеличение срока службы в 2000 раз по сравнению со сроком службы базового изолятора будет иметь место, если угол наклона такого изолятора составит 52,5°. Максимальная напряженность поля внутри конического изолятора должна быть при этом равна средней напряженности газового промежутка Ecp/(R0 — r0) sin 52,5°. Уменьшение угла до 23,5° позволит увеличить срок службы еще на три порядка.
В изоляторы столбикового типа обычно вводятся электроды, уменьшающие межэлектродное расстояние. Для изолятора такого типа в КРУЭ-220 кВ межэлектродное расстояние уменьшается в два раза по сравнению с промежутком R0 — r0. Если форма изолятора позволяет снизить максимальную напряженность до среднего значения, то срок службы изолятора станет в 5 раз меньше, чем у базового изолятора. При заданной марке компаунда наименьший срок службы имеет изолятор столбикового типа с введенными внутрь диэлектрика электродами, наибольший срок службы — конический изолятор. Таким образом, в зависимости от конструктивного исполнения изолятора при заданных марке компаунда, номинальном напряжении и размерах токопровода и оболочки срок службы изолятора может меняться в 10+4 раз.
Данная глава посвящена расчетам электростатических полей опорных изоляторов, анализу их конструктивного исполнения, оценке возможности при использовании выбранной конструкции ослаблять напряженность электрического поля. Для изоляторов, ось симметрии которых совпадает с осью токопровода (дисковый и конический изоляторы), производились расчеты напряженности поля с помощью метода конечных разностей (метод сеток). Дифференциальное уравнение заменялось системой линейных пятиточечных разностных уравнений для потенциалов в узлах сетки. Система решалась итерационным методом с экстраполяцией по Либману. Трехмерные задачи (столбиковые изоляторы) решались методом интегральных уравнений. В этом случае поверхность электродов или изоляторов разбивалась на элементарные площадки, которые могли быть представлены частью цилиндра, сферы, тора, конуса, плоского диска или плоской прямоугольной поверхностью. Затем интегральные уравнения Фредгольма 1 и 2 рода заменялись алгебраическими уравнениями, число которых было равно числу элементарных площадок. После решения этой системы определялись напряжения и напряженности поля как на элементарных площадках, гак и в заданных рассматриваемых точках поля. Использовались программы, реализующие метод конечных разностей (ELFILD), разработка Е. П. Пыжковой и Г. А. Каминчик (Ленинград) и метод интегральных уравнений (NETI-2), разработка А. С. Гайворонского и И. М. Рижанского (Новосибирск). Расчеты производились на ЭВМ ЕС-1033 и ЕС-1060.
