Выбор конструкции изоляторов осуществляют таким образом, чтобы обеспечить высокое поверхностное пробивное напряжение их твердого диэлектрика, которое определяет электрическую прочность всего аппарата в течение короткого промежутка времени. Решить эту задачу можно лишь в том случае, если напряженность электрического поля опорного изолятора будет ослаблена в зонах, прилегающих к электродам газоизолированного устройства. Одной из эффективных мер, приводящих к такому снижению, является применение встроенных в твердую изоляцию электродов [7].
На рис. 7, а приведена схема организации электрического ноля опорного изолятора, имеющего внутренние электроды А и В. Поле основных электродов, между которыми находится изолятор, можно для простоты считать однородным. Анализ такой электродной системы показывает, что если на поверхности основных электродов имеются дополнительные электроды А и В, сокращающие межэлектродный промежуток d0 до значения di, то на некотором расстоянии от них длина силовых линий d2 будет увеличена по сравнению с d0, а напряженность вдоль линии d2 в зонах, прилегающих к электродам А и В, — снижена по сравнению с напряженностью внешнего поля. Выполнение профиля опорного изолятора по силовым линиям d2 позволяет уменьшить напряженность на его поверхности Еп, по отношению к напряженности поля основных электродов Ет, и обеспечить отсутствие нормальной составляющей Еп, которая способствует снижению напряжения перекрытия твердой изоляции.
Рис. 7. К оценке изоляционных испытаний столбикового (а), дискового (б) и конического (в) изоляторов
Напряженность электрического поля в области соприкосновения трех сред: газа, металла, твердого диэлектрика, будет снижена из-за экранирующего эффекта встроенных электродов А и В. Все это должно обеспечить необходимое напряжение перекрытия по поверхности опорного изолятора.
Уменьшение расстояния d1 в твердом диэлектрике по сравнению с d0 вызывает увеличение максимальной напряженности Ет внутри него. Иначе говоря, уменьшение напряженности поля в газе, окружающем изолятор, достигается за счет увеличения ее в твердом диэлектрике. Максимальные значения напряженности на поверхности Еп и внутри Ет изолятора, а также напряженность межэлектродного промежутка ЕТ удовлетворяют неравенству: Ет> Ет> Еп.
Другим примером снижения напряженности в приэлектродных зонах опорных изоляторов является оптимальный выбор профиля поверхности твердого диэлектрика, который эффективно используется в дисковых конструкциях. Отличительной чертой дисковых опорных изоляторов является то, что расстояния между электродами по поверхности в газе (d2) и твердом диэлектрике (dj) обычно равны или превосходят длину межэлектродного промежутка d0 (рис. 7,6), Даже в простейшей конструкции (в виде диска) максимальная напряженность на поверхности диэлектрика и внутри его не превышает максимальную напряженность поля основных электродов.
Снижение максимальных значений напряженности на поверхности дисковых изоляторов и в точке соприкосновения газа, металла и компаунда обеспечивается увеличением длины изолирующих поверхностей d?i по сравнению с длиной межэлектродного расстояния d0. Это, однако, не влияет на длину изоляционного расстояния в твердом диэлектрике, которое остается равным d0. Соотношение между напряженностями Ет, ЕТ и Еп выразится для данного типа изолятора так: Ет < ЕТ, Еп а< Ет.
Конические изоляторы имеют наибольшую длину поверхности твердого диэлектрика dь превышающую межэлектроднос расстояние газоизолированных устройств (рис. 7, в). Это обусловливает дополнительные возможности снижения напряженности электрического поля как в окружающем изолятор газе, так и в самом твердом диэлектрике. В зависимости от исполнения контактных узлов изоляторы могут выполняться как конструкции, не имеющие расширения профиля в своей наиболее напряженной части (рис. 6), и в виде дисковых конструкций, наклоненных на некоторый угол 0 по отношению к поверхностям электродов КРУЭ (рис. 7, в).
Все базовые типы опорных изоляторов имеют длину поверхности твердого диэлектрика, превышающую расстояние между токопроводом и оболочкой (d2>do). Это в значительной мере определяет возможность снижения напряженности поля на поверхности изоляторов, а также возможности повышения напряжения их перекрытия. Длина поверхности твердого диэлектрика, влияющая на напряженность поля внутри изолятора и электрическую прочность КРУЭ, различна для каждого типа изоляторов. Поскольку при выборе опорных изоляторов эта характеристика является определяющей, в дальнейшем классификацию изоляторов будем производить на ее основе.
