Изоляторы элегазовых КРУ - Конструктивные особенности

НЕКОТОРЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОПОРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Разработка опорных изоляторов связана с определением напряженности их электрических полей. Рассмотрим используемые при этом конструктивные решения. Ранее отмечалось, что если напряженность на поверхности опорного изолятора не превышает максимальную напряженность на токоведущих элементах КРУЭ, то напряжение перекрытия изоляторов будет близким к напряжению пробоя чисто газовых промежутков. У опорных изоляторов, имеющих внутренние электроды, к числу которых относится большинство столбиковых конструкций, снижение напряженности на поверхности диэлектрика осуществляется выбором оптимальных профиля поверхности и формы этих электродов.

Рис. 8. Зависимость относительной напряженности поля эпоксидных изоляторов от длины поверхности твердого диэлектрика

На рис. 8 приведены кривые распределения напряженности по поверхности изоляторов двух вариантов исполнения. Видно, что распределение напряженности поля по их поверхности существенно зависит от геометрии использованных элементов. Максимальная напряженность на поверхности изолятора Еп, отнесенная к максимальной напряженности на токопроводе Ет, уменьшается от 1,75 до 0,76. Результаты высоковольтных испытаний изоляторов показали, что увеличение Еп по сравнению с Ет приводит к снижению напряжения перекрытия изоляторов. Напротив, у конструкций, имеющих Еп<  Ет значения разрядных напряжений доходили до разрядных напряжений газа между коаксиальными электродами.

Для дисковых опорных изоляторов наилучшими в отношении напряжения перекрытия по поверхности является профиль, расширяющийся по мере приближения к внутреннему электроду. Образование у высоковольтного токопровода диэлектрического клина снижает напряженность в точке контакта газа, металла и твердого диэлектрика, а также выравнивает напряженность электрического поля вблизи токопровода (рис. 4, в). В этом случае пробои межэлектродного промежутка будут происходить не по поверхности изоляторов, а только в газе, вдали от них. Поэтому несмотря на разные конструктивные исполнения дисковых изоляторов, общая идея конструирования профиля остается одна и та же — профиль поверхности должен расширяться по мере приближения к внутреннему электроду. В работе [7] показано, что увеличение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика етв позволяет влиять на изменение напряженности внешнего электрического поля. Там же приведен профиль дискового изолятора, имеющего практически равномерное распределение напряженности по своей поверхности, и расчет поверхностного пробивного напряжения диэлектрика, не превышающего напряжения пробоя коаксиального промежутка.
Рассмотрим конические опорные изоляторы. На рис. 9, а приведена картина электростатического поля простейшей конструкции, угол наклона которой к поверхностям электродов составляет 45°. Наибольшая напряженность наблюдается на внутренней поверхности твердого диэлектрика в месте его контакта с токоведущей жилой. В работе [8] установлено, что значение этой напряженности, во-первых, может существенно превышать максимальную напряженность коаксиальных электродов, в которых установлен изолятор, а, во-вторых, зависит от угла наклона твердого диэлектрика. На рис. 9, б приведена зависимость максимальной напряженности на поверхности изолятора от угла его наклона. Диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика етв = 6. (Угол наклона 0 = 0° является чисто теоретическим вариантом, при котором поверхность твердой изоляции параллельна поверхности внутреннего электрода. В этом случае под Еп подразумевается напряженность в зазоре, заполненном газом, между поверхностью внутреннего электрода и поверхностью твердого диэлектрика). Максимальное значение напряженности Еп наблюдается при угле наклона, примерно равном 30°, и почти на 60% превышает значение Ет. Это несовместимо с условием обеспечения высокой внешней электрической прочности изоляторов, и использование таких конструкций осуществляется с применением специальных контактных узлов. Увеличение осевого размера конических изоляторов по мере приближения к электродам КРУЭ (по аналогии с дисковыми изоляторами) позволяет сдвинуть зону с высокой напряженностью, находящуюся у внутреннего электрода, по направлению к оболочке (рис. 7, в). Возможно другое решение контактного узла: поверхность изолятора изгибается вблизи высоковольтного электрода и подходит к нему перпендикулярно, что и переносит зону повышенной напряженности в область изгиба твердого диэлектрика.

Рис. 9. Картина электростатического поля конического изолятора с углом наклона 0 = 45° (а) и зависимость относительной электрической напряженности поля от угла наклона изолятора (б)
Штриховые линии — напряженность электрического поля при отсутствии изолятора; сплошные линии — напряженность поля при наличии изолятора

Таким образом, все типы опорных изоляторов имеют конструктивные возможности уменьшения напряженности поля в окружающем их газе и могут обеспечить напряжения перекрытия по поверхности, близкие к напряжению пробоя чисто газовых промежутков КРУЭ. Это справедливо лишь для изоляторов, свободных от загрязнений, так как эти загрязнения могут оказывать заметное влияние на пробивные характеристики изоляции КРУЭ.
В настоящее время известно, что наличие ребер на опорных изоляторах приводит к снижению их напряжения перекрытия по сравнению с изоляторами, имеющими гладкую поверхность. Эго объясняется тем, что из-за диэлектрической неоднородности газа и твердого диэлектрика напряженность поля в углублениях между ребрами будет увеличиваться по сравнению с напряженностью внешнего поля. Однако при загрязнениях изоляторы с ребрами имеют лучшие электрические характеристики и иногда применяются в КРУЭ. Доказано, что в таких конструкциях ребра позволяют улучшить электрическую прочность изоляторов при загрязнении поверхностей компаунда жировыми пятнами (при невысоком качестве сборки) или при отсутствии у газоизолированного устройства ловушек частиц загрязнений. Учитывая, что в собранном элегазовом КРУ не должно быть загрязняющих частиц, необходимость ребер на поверхности изоляторов является вопросом технологии сборки аппарата.
Рассмотрим теперь влияние напряженности внутреннего поля опорных изоляторов на их конструктивные особенности. Для обеспечения длительной и надежной работы опорных изоляторов рационально уменьшить напряженность поля внутри их твердого диэлектрика. Оценим в этом отношении возможности опорных изоляторов.
Расчет напряженности электрических полей опорных изоляторов представляет собой достаточно сложную задачу, которая в общем случае не может быть разрешена аналитическим путем. Однако в некоторых частных случаях, когда, например, не наблюдается взаимосвязи напряженности внешнего поля изолятора и поля внутри него, а также когда можно не учитывать влияние границы раздела диэлектриков, появляется возможность для предварительной оценки характера изменения напряженности внутреннего электрического поля. Это, во-первых, варианты, имеющие предельные значения диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика: етв = ег (ег — диэлектрическая проницаемость газа) и sTB ег (напряженность поля внутри изолятора не зависит от напряженности поля в газе). Во-вторых, такую оценку можно выполнить при условии предельных геометрических размеров твердой изоляции, т. е. при чрезвычайной удаленности (или, наоборот, приближении) границ раздела диэлектриков от зоны с максимальной напряженностью внутреннего поля изоляторов.
Рассмотрим опорные изоляторы, имеющие внутренние электроды. Такие изоляторы имеют большую напряженность внутреннего электрического поля по сравнению с напряженностью опорных изоляторов других конструкций. Помимо этого, максимальная напряженность в их твердой изоляции превышает максимальные значения напряженности на поверхности токоведущих элементов КРУЭ. Это заставляет обратить внимание на выбор профиля внутренних электродов, введенных в эпоксидный компаунд. Например, если электрод выполнен в виде проводящей полусферы, то на ее вершине напряженность внешнего поля увеличивается в три раза.
Для выяснения возможностей влияния профиля поверхности на значения напряженности внутреннего электрического ноля дисковых опорных изоляторов оценим несколько конструкций изоляторов, имеющих предельные значения диэлектрической проницаемости твердой изоляции. Для упрощения оценок перейдем от диэлектрической проницаемости диэлектриков к к электрической проводимости у и заметим, что помимо осевой симметрии дисковые изоляторы обладают симметрией в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Также отметим, что эта плоскость является местом нахождения максимальной напряженности Ет в твердой изоляции (точки, лежащие на пей, наиболее удалены от поверхностей изоляторов) и поэтому н дальнейшем под напряженностью равномерного электрического поля внутри дисковых изоляторов будем подразумевать напряженность ЕсР равномерного поля в плоскости их симметрии.
Предположим, что диэлектрическая проницаемость материала изоляторов етв равна диэлектрической проницаемости газа.
В этом случае напряженность электростатического поля дискового изолятора любой формы будет соответствовать напряженности поля между токопроводом и оболочкой. В другом, предельном, случае етв ег (ytb Yr) проводимость твердой изоляции много больше проводимости газа и напряженность поля внутри изолятора практически не зависит от напряженности поля внешних электродов (токоведущих элементов и оболочки КРУЭ).
В коаксиальной системе электродов по мере удаления от токопровода происходит увеличение площади, через которую протекает ток. Это вызывает увеличение проводимости вблизи оболочки по сравнению с проводимостью вблизи токопровода, чем и обусловливается неравномерное распределение напряженности в межэлектродном промежутке. Поэтому для обеспечения неизменной напряженности внутри изоляторов, помещенных в коаксиальные электроды, необходимо уменьшать осевой размер твердого диэлектрика H, (рис. 7, б) по мере удаления от оси токопровода. При Ytb Yr проводимость в газовой среде можно не учитывать и уменьшение осевого размера изолятора Hi должно проводиться обратно пропорционально возрастанию радиуса Ri до этого размера. В этом случае площадь поверхности твердой изоляции, образованная сечением изолятора цилиндрической поверхностью, соосной с электродами (площадь, через которую протекает ток), будет одинакова как у токопровода, так и у оболочки, а напряженность в твердом диэлектрике — постоянна. Взаимосвязь между H, и Ri может быть записана как H,/H0 = (Ro/Ri)a , где R0 — радиус внешнего электрода; Я0 — осевой размер изолятора у внешнего электрода; а — коэффициент.
Очевидно, что при а< 1, когда изменение Я,- осуществляется медленнее изменения R0/Ri, максимальная напряженность в твердом диэлектрике Ет находится на поверхности токопровода, в плоскости симметрии опорного изолятора (рис. 7,6). При а > 1 и \>тв >> Yr напряженность Ет будет находиться также в плоскости симметрии твердого диэлектрика, но уже у оболочки (рис. 7,6). При а> 1, но 7™ = уг напряженность Ет будет наблюдаться у токопровода, так как напряженность не зависит от профиля поверхности твердого диэлектрика. Следовательно, для а > 1 существует такое значение диэлектрической проницаемости твердого диэлектрика, при котором происходит перемещение зоны с максимальной напряженностью Ет от токопровода к оболочке, т. е. напряженность электрического поля внутри изолятора становится постоянной. Это означает, что изменением профиля поверхности твердого диэлектрика можно создать такую конструкцию дискового опорного изолятора, внутри которой напряженность будет близка к средней напряженности межэлектродного промежутка.
Рассмотрим напряженность электростатического поля конических опорных изоляторов, простейшая конструкция которых представляет собой, по существу, дисковый опорный изолятор с постоянным осевым размером, наклоненный по отношению к электродам на угол 0. При етв = ег он так же, как и дисковый, не изменяет напряженность внешнего коаксиального поля, а максимальная напряженность внутри него соответствует выражению
где U — разность потенциалов коаксиальных электродов; r0 и Ro — радиусы токопровода и оболочки.
Припроводимостью газа можно пренебречь, так как весь ток будет протекать только по твердой изоляции. В этом случае простое увеличение длины твердого диэлектрика, зависящее от угла 0 наклона поверхности изолятора, будет приводить к снижению напряженности Ет, которая определяется из выражения
Очевидно, что подобное уменьшение максимальной напряженности Ет теоретически возможно до сколь угодно малых значений, в том числе и до среднего значения напряженности межэлектродного промежутка Е0, которое является нижним пределом напряженности Ет для дисковых изоляторов.
Оценку возможности ослабления максимальной напряженности Ет у конических изоляторов при помощи изменения угла их наклона проведем на примере простейшей конструкции при
Сопоставим значения угла наклона 0 изолятора, при которых максимальная напряженность Ет соответствует средней напряженности Е0, и значения параметра Ra/r0:

Видно, что распределение напряженности по твердому диэлектрику изоляторов очень неравномерно (длина твердого диэлектрика, необходимая для обеспечения равенства напряженностей Ет и Е0, по крайней мере в 1,4—2,2 раза превосходит межэлектродное расстояние). Сократить длину конических изоляторов и обеспечить более равномерное распределение напряженности по твердому диэлектрику можно, увеличив осевой размер профиля их поверхности у токопроводов (рис. 7, в). Тогда при бтв ег распределение напряженности в твердом диэлектрике будет равномерным (как и для дисковых изоляторов) при изменении осевого размера профиля обратно пропорционально его радиусу. Следовательно, такой конический изолятор будет иметь два механизма ослабления своей внутренней напряженности: во-первых, у него можно снизить напряженность Ет до значения Е0 путем выбора профиля поверхности (так же, как у дисковых конструкций); во-вторых, уменьшить напряженность Ет до значений E0sinQ путем увеличения длины твердого диэлектрика при его наклоне. Это свидетельствует о том, что для конических изоляторов имеются наибольшие возможности ослабления напряженности поля внутри твердого диэлектрика.