Одной из основных проблем конструирования опорных изоляторов является обеспечение высокого напряжения перекрытия по поверхности твердого диэлектрика. Важность этого вопроса обусловлена тем, что значение напряжения перекрытия изоляторов определяет кратковременную электрическую прочность элегазовых КРУ.
Рис. 1. Общий вид дискового изолятора элегазового КРУ 1 — оболочка КРУЭ; 2 — изолятор; 3 — токопровод
На рис. 1 приведен разрез участка КРУЭ, содержащего опорный изолятор. В чисто газовом коаксиальном промежутке неоднородность электрического поля и его максимальная напряженность зависят только от воздействующего напряжения и соотношения радиусов электродов: Ro/ro (Ro — радиус внешнего электрода, r0 — радиус внутреннего). Поле опорного изолятора, как внутреннее, так и внешнее, определяется еще и конфигурацией диэлектрика, конструкцией внутренних электродов, если таковые имеются, диэлектрической проницаемостью изоляционного материала. Поэтому находящийся в газовом промежутке опорный изолятор может значительно снизить электрическую прочность всей системы. Одной из причин этого нежелательного эффекта является местное увеличение напряженности электрического поля на поверхности опорного изолятора, вызванное диэлектрической неоднородностью изоляции.
В работе [5] показано, что решающим условием, определяющим кратковременную электрическую прочность элегазовых аппаратов, является не столько собственная электрическая прочность сжатого газа, сколько поверхностное пробивное напряжение диэлектрика опорных изоляторов. Поэтому повышение кратковременной электрической прочности КРУЭ неразрывно связано с повышением напряжения перекрытия изолирующих элементов до уровня пробивного напряжения чисто газовых промежутков. Это условие выполнимо для всех типов опорных изоляторов, используемых в настоящее время в элегаловых аппаратах [6—8]. Подбирая оптимальными профиль поверх мости опорных изоляторов и конфигурацию их электродов, можно значительно снизить поверхностную напряженность электрического поля твердого диэлектрика. Если при этом ее максимальное значение окажется меньше значения напряженности на токоведущих элементах КРУЭ, то пробои изоляционного промежутка будут происходить по газовой среде и не будут развиваться по поверхности твердой изоляции.
Следующим этапом создания опорных изоляторов является обеспечение их внутренней электрической прочности. В процессе эксплуатации элегазовые КРУ подвергаются воздействиям различного рода перенапряжений, кратность которых может быть большой. В отличие от обычных аппаратов высокого напряжения, у которых коэффициенты упрочнения* внутренней изоляции достаточно велики и параметры изоляции автоматически приводятся к «норме» [9], газовая изоляция имеет коэффициент импульса, близкий к единице [10], и рассчитывается на максимальные электрические воздействия. С целью удешевления КРУЭ, сокращения их габаритов применяется глубокое ограничение перенапряжений. Почти полное отсутствие старения газовой изоляции позволяет ей сохранить практически одну и ту же электрическую прочность во время всего срока службы и, следовательно, се уровень зависит только от максимальных кратковременных воздействий высокого напряжения. Твердая изоляция имеет большие коэффициенты упрочнения, и при глубоком ограничении перенапряжений определяющим для нее является длительный рабочий режим. Условия, при которых эксплуатируется твердый диэлектрик КРУЭ, очень специфичны. Во-первых, твердая изоляция находится в значительных электрических полях, напряженность которых соответствует 4—5 кВ/мм в рабочем режиме и 17—18 кВ/мм при импульсных воздействиях. Если при кратковременных воздействиях высокого напряжения электрическая прочность твердой изоляции обычно превышает электрическую прочность сжатого газа, то при длительных воздействиях, когда под действием сильных электрических полей происходит старение твердого диэлектрика, его прочностные характеристики снижаются. С учетом только электрического старения электрическая прочность эпоксидных компаундов может уменьшаться в течение года в несколько раз. С другой стороны, электрическая прочность заданного компаунда уменьшается при увеличении размеров изолятора. Для оценки электрической прочности эпоксидного компаунда исследователи вводят понятие «активного» объема. Учитывая, что пробой твердой изоляции определяется не всем ее объемом, а только самой напряженной в электрическом отношении частью, под «активным» объемом понимается объем изоляции, в котором напряженность электрического поля составляет не менее 80% ее максимального значения.
*Под коэффициентом упрочнения понимается отношение 50%-ного пробивного напряжения изоляции при коммутационных или грозовых перенапряжениях и 50%-ного пробивного напряжения той же изоляции при неограниченном времени воздействия напряжения промышленной частоты.
Рис. 2. Зависимость кратковременной электрической прочности компаунда КФ-1 от его активного объема
Именно этот объем влияет на прочностные характеристики изоляции, а также на электрическую прочность конструкции. Например, увеличение активного объема компаунда КФ-1 от 10 до 1000 мм3 приводит к снижению его кратковременной электрической прочности с 68—70 кВ/мм до 23—25 кВ/мм (рис. 2). Оценка активного объема изоляторов КРУЭ показала, что он может быть большим указанных значений и составлять 105—10б мм3. Следовательно, пробивные характеристики реальных конструкций будут еще ниже. Уменьшение электрической прочности эпоксидной изоляции, связанное с увеличением ее объема и толщины, подтверждено многими исследователями и должно учитываться при разработке опорных изоляторов. В этом, видимо, и состоит одна из причин невысокой рабочей напряженности, принимаемой в эпоксидных компаундах КРУЭ: обычно ее значение не превышает 4—5 кВ/мм* [11]. С учетом возможных отклонений технологии производства опорных изоляторов при их изготовлении, воздействий механических усилий и температуры некоторые авторы [12] указывают на рабочие напряженности, лежащие на уровне 2,8 кВ/мм, что соответствует всего 10% кратковременной электрической прочности компаунда. Необходимо отметить, что обеспечение низких значений напряженности поля внутри твердого диэлектрика по сравнению с напряженностью поля в газовом промежутке вполне осуществимо, а реализация таких конструкций изоляторов возможна на основе анализа их электрического поля.
Не менее важным для обеспечения оптимальной электрической прочности опорных изоляторов является качество контакта твердого диэлектрика с электродами (оболочкой и элементами, находящимися под высоким потенциалом) КРУЭ. В обычных аппаратах проблема контакта твердой изоляции и металла является второстепенной из-за небольших значений напряженности электрического поля в контактных областях. В элегазовых КРУ, где имеются сильные электрические поля, электрическая прочность опорных изоляторов может снижаться из-за отклонения технологии изготовления контактных зон. Существует несколько причин такого снижения.
*В дальнейшем под напряженностью поля подразумевается ее амплитудное значение при переменном напряжении.
Рис. 3. Области возникновения частичного разряда в зоне контакта твердой изоляции и электродов
1 — электроды; 2 — проводящее покрытие; 3 — твердая изоляция; 4 — зазор, заполненный газом; 5— дефектный участок
Опыт изготовления опорных изоляторов свидетельствует о том, что при нарушении технологии вакуумной заливки, несоблюдении температурного режима отверждения компаунда, недостаточного обезжиривания металлических элементов, вводимых внутрь изолятора, существует вероятность отслоения компаунда от металла и появления на границе их раздела зазора, заполненного газом (рис. 3). Значение напряженности в этом зазоре
, где етв — диэлектрическая проницаемость твердой изоляции; U — приложенное напряжение; Д1 — зазор между электродом и твердой изоляцией; Д2 — высота изолятора.
При
, что обычно имеет место в реальных конструкциях, напряженность Е в зазоре будет примерно равна
и практически во .столько раз превысит напряженность в твердом диэлектрике, во сколько его диэлектрическая проницаемость больше диэлектрической проницаемости газа.
Электрическая прочность твердых диэлектриков существенно зависит от их пористости, что в полной мере относится и к эпоксидным компаундам. Существенное снижение пробивной напряженности наступает обычно при размерах пор, превышающих примерно 0,1 мм. Например, у эпоксидных компаундов, имеющих поры, превышающие 0,3 мм, отмечается резкое изменение характеристик частичного разряда и снижение их электрической прочности. Как указывалось ранее, некоторые эпоксидные компаунды обладают хорошей адгезией с металлами, а коэффициент их теплового расширения близок к коэффициенту теплового расширения алюминия, что позволяет исключать отслоения изоляции От металла при колебаниях температуры, наблюдаемых в процессе эксплуатации оборудования. Однако после отверждения остаточные напряжения в компаундах могут иметь место и при наличии алюминиевых электродов [13].
Для осуществления надежного контакта опорных изоляторов с электродами КРУЭ очень важно обеспечить заданные значения напряженности поля в области соприкосновения газа, металла и твердого диэлектрика. Эта зона является наиболее вероятным местом усиления напряженности электрического поля в газе, окружающем опорный изолятор. Например, при осуществлении контакта путем нанесения на диэлектрик проводящего слоя кромка этого слоя обычно находится в этой зоне (рис. 3), что приводит к значительному усилению напряженности из-за краевого эффекта, особенно при существенных зазорах между изолятором и электродами. Даже применение эпоксидной изоляции, осуществляемой отливкой непосредственно на электроды и позволяющей полностью исключить зазоры, заполненные газом, не дает возможности отказаться от контроля напряженности поля в этой зоне. Напряженность электрического поля может значительно возрастать при появлении местных дефектных участков в твердой изоляции (рис. 3), толщина которой здесь обычно наименьшая. Поэтому при конструировании опорных изоляторов стараются понизить напряженность в точке соприкосновения газа, металла, твердого диэлектрика, используя различные методы: внутреннее экранирование, т. е. введение в твердый диэлектрик специальных экранов (рис. 4,а) и внешнее экранирование данной области (рис. 4,6 и в).
Ранее указывалось, что опорные изоляторы могут в процессе эксплуатации подвергаться значительным термомеханическим воздействиям. Требования, предъявляемые к КРУЭ, предусматривают возможность нормальной работы при температуре окружающего воздуха, доходящей до 40° С [14]. Наряду с этим из-за больших токовых нагрузок температура токоведущих элементов аппарата может превышать указанное значение на 50—60° С, т. е. максимальная температура внутренних элементов КРУЭ может доходить до 90—100° С, что, естественно, приведет к значительному нагреву опорных изоляторов. С этой точки зрения необходимо учесть так называемую температуру стеклования Тс, или теплостойкость по Мартенсу [3].
Рис. 4. Снижение напряженности поля в точке А соприкосновения газа, металла и твердой изоляции введением экранирующих электродов (а), внешним экранированием (б) и ослаблением напряженности поля при помощи диэлектрика (в)
При температуре ниже Тс компаунд находится в жестком, стеклообразном состоянии, при температуре выше Тс — высокоэластичном состоянии. Приближение температуры компаунда к температуре стеклования приводит к снижению его механической прочности на растяжение на один-два порядка, к уменьшению электрической прочности почти в два раза. При комбинированном воздействии механической и электрической напряженности прочность компаунда уменьшается еще в большей степени.
При длительном воздействии механической напряженности на эпоксидный компаунд проявляется его второе свойство — вязкость [3]. У идеального твердого тела при заданном механическом напряжении деформация неизменна, у эпоксидных компаундов — увеличивается с течением времени.
Рассмотренные выше особенности эпоксидных компаундов необходимо учитывать при определении их допустимой механической напряженности. К наиболее существенным механическим нагрузкам, которым подвергаются опорные изоляторы, относятся электродинамические воздействия от токов к. з. Механическим нагрузкам подвергаются также и опорные изоляторы, которые герметизируют один отсек КРУЭ относительно соседнего. В этом случае при внезапном сбросе давления в одном отсеке происходит резкое повышение механических усилий на опорном изоляторе.
