Как было показано в п. 12.1, наличие слоя диэлектрика на токопроводе с толщиной (0,4—0,6) r0 существенно снижает максимальную напряженность внутри опорного изолятора. Этот эффект можно интерпретировать следующим образом. Рассмотрим наиболее простую форму изолятора с диэлектрической проницаемостью етв = 4, а именно — плоский диск, в котором напряженность поля такая же, как в газовом промежутке. Если токопровод плотно охватить изолирующим цилиндром с е-гв = 4, то напряженность на поверхности токопровода уменьшится почти в 4 раза, а на внешней поверхности его — увеличится и будет больше напряженности газового промежутка. Если к плоскому диску с обеих сторон придвинуть торцы изолирующих цилиндров, то очевидно, что максимальная напряженность и плоском диске на токопроводе уменьшится, а на некотором расстоянии от токопровода — увеличится. Таким образом происходит выравнивание напряженности поля в плоском диске.
В этом случае увеличение диэлектрической проницаемости етв в изолирующем цилиндре может привести к большему выравниванию напряженности поля плоского диска, имеющего етв = 4. Очевидно, что использование металлических цилиндров вместо диэлектрических будет еще в большей степени выравнивать напряженность поля плоского дискового изолятора. Однако в этом случае возникает проблема, связанная с повышенной напряженностью на торцах экранирующих цилиндров, которая может привести к повышению напряженности внутри дискового изолятора. В этом случае, как показали расчеты, максимальная напряженность Ет в плоскости симметрии (рис. 41) снижается до 1,18ЕСР и имеет место на поверхности токопровода. Однако в плоскости, близкой к поверхности изолятора, напряженность в твердом диэлектрике увеличивается более чем в два раза. Кривая Ел иллюстрирует изменение напряженности поля вдоль линии А —А.
Рис. 41. Зависимость напряженности Ел/Еср от расстояния х до плоскости симметрии при заданных Rt = Ял, Но = l,6r0, Rt = 1,8r0 и 8тв — 4 (R = = 0,4 r0)
Рис. 42. Эпюра напряженности поля на поверхности цилиндрического экрана плоского изолятора при На = = 0,6r0 (штриховая линия соответствует 8тв = 4, ТОЧКИ — 8ТВ = 8)
На рис. 42 приведена эпюра напряженности поля на поверхности цилиндрического экрана, который отстоит от дискового изолятора на расстояние 0,2r0. Если при отсутствии дискового изолятора максимальная напряженность поля на поверхности экрана имеет место на переходе от горизонтальной части цилиндра к его торцевой оконечности, то внесение твердого диэлектрика приводит к появлению второго максимального значения напряженности, которое соизмеримо с первым. Если внешним экраном опорного изолятора является тороидальная поверхность (рис. 43), то напряженность в теле изолятора (вблизи его поверхности) может более чем на 10% превосходить напряженность в плоскости симметрии твердого диэлектрика. Это свидетельствует о том, что при формировании полей опорных изоляторов с помощью внешних электродов необходимо определение напряженности как внутри твердого диэлектрика, так и вне его.
Рассмотрим влияние внешних экранов на максимальную напряженность Ет поля внутри изолятора. В табл. 7 приведены результаты расчета напряженности Ет внутри простейшего дискового изолятора и на его внешней поверхности Еп в зависимости от его толщины Н0 и диэлектрической проницаемости Ктб (величина зазора равна 0,2r0, R0/r0 = 3,2).
Рис. 43. Зависимости коэффициента Кн от Ri в плоском дисковом изоляторе с тороидальным внешним экраном при гГ0Р = 0,6r0 и Н0 — 0,6/о I — в плоскости симметрии изолятора; 2 — по линии А—А
Видно, что при внешнем радиусе экранирующего электрода, равном 1,8r0 оптимальный осевой размер опорного изолятора, при котором Еп и Ет близки друг к другу, соответствует 0,6го при етв = 4. Увеличение вгв приводит к сокращению оптимального осевого размера (при етв = В он соответствует 0,4r0).
Таблица 7
Рис. 44. Зависимость коэффициента Кн от Ri в плоскости симметрии дискового изолятора при = 1,6r0 (кривая /), R2 = 1,8r0 (кривая 2) и rт0Р = = 0,65го (кривая И)
Рисунок 44 иллюстрирует характер распределения напряженности Ет в плоскости симметрии дискового изолятора для различной конфигурации внешнего электрода.
При заданной величине зазора, равной 0,2r0, напряженность поля внутри изолятора вблизи его поверхности ниже максимальной напряженности изолятора. С другой стороны, максимальная напряженность на торцах металлических экранов (точка А на рис. 6), обращенных к изолятору, ниже чем на противоположных торцах экранов (точка Б на рис. 6).
Как показано в работе [43], это имеет большое значение для определения напряженности в точках соединений диэлектрика с металлом вблизи оболочки (несмотря на то, что напряженность поля вблизи оболочки почти в три раза меньше, чем у токопровода). При отсутствии зазора между фланцем и поверхностью конического изолятора (рис. 45, б) возникает поверхностный разряд при напряжении (незалитые точки на рис. 45, а), которое ниже расчетного для элементов КРУЭ. Введение зазора (рис. 45, в) позволяет заметно повысить разрядное напряжение (залитые точки на рис. 45, а).
Рис. 45. Влияние зазора между фланцем оболочки и коническим изолятором на поверхностное пробивное напряжение (стрелкой на рис. б показан участок, где развивается пробой)
Оценим теперь напряженность Ет электрического поля внутри цилиндрического столбикового изолятора, имеющего тороидальным внешний экран (рис. 46, а). Коэффициент Кн вдоль оси изолятора изменяется от 0,44 на поверхности токопровода до 1,26 на расстоянии R; = 1,8r0; величина гц = 0,3r0. Максимальная напряженность в газе на поверхности тора составляет 1,9ET. Дальнейшего снижения коэффициента Кн можно добиться увеличением радиуса цилиндрического изолятора гц, которое, однако, вызывает возрастание радиуса тороидального внешнего экрана и напряженности на его поверхности. В этой связи внешний экран рационально выполнять в виде проводящего цилиндра, облегающего токопровод, с радиусом Ri>rv (рис. 46,6). Максимальная напряженность поля на его поверхности в этом случае не превышает 1,73-EV, а коэффициент /С„ в твердом диэлектрике составляет не более 1,1. Оценки показали, что для Етв = 4 при радиусе внешнего экрана Ri = 1,4r0 оптимальный радиус опорного изолятора близок к 0,4гп, а при Ri = 1,6r0 — к 0,6r0. Подобные внешние экраны используются при конструктивном выполнении цилиндрических изоляторов столбикового типа для гибких элегазовых кабелей 1200 кВ [44].
Конические изоляторы с металлическими внешними экранами применяются и для КРУ-1150 кВ. Угол наклона относительно оси токопровода близок к 45°. Толщина изолятора вдоль длины конуса постоянна.
Различные размеры внешних экранов как с внутренней, так и с наружной поверхности конического изолятора, позволяют расположить эквипотенциальные поверхности перпендикулярно поверхности изолятора. В тех случаях, когда размеры токопровода, обусловленные током нагрузки, ниже размеров токопровода, обусловленных электрической прочностью элегаза, последние могут быть выполнены в виде экранов. Это позволяет увеличить длину конического изолятора между оболочкой и токопроводом, а следовательно, снизить напряженность внутри изолятора.
Эффективность использования внешних экранов имеет место при сравнительно небольших значениях диэлектрической проницаемости. При увеличении етв зазор между экраном и изолятором необходимо уменьшить для формирования напряженности поля внутри изолятора. Однако в этом случае увеличивается напряженность в рассматриваемом газовом промежутке. Поэтому при больших значениях етв целесообразно применять расширение профиля изолятора на поверхности токопровода. В этом случае при небольших значениях диэлектрической проницаемости профиль изолятора должен иметь сравнительно резкий изгиб. С увеличением етв профиль изолятора становится более плавным, а при еТв> 1— описывается формулой (16).
