Большие размеры опорных изоляторов элегазовых КРУ (на классы напряжений от 110 кВ и выше) затрудняют экспериментальное определение их электрической прочности при различных конструктивных исполнениях. Поэтому такие исследования обычно проводят на небольших образцах диэлектриков, имеющих разные межэлектродные расстояния d и разную активную площадь поверхности электродов 5. Затем на основании полученных данных устанавливают закономерности изменения электрической прочности диэлектрика при изменениях d и 5 или активного объема V (dS). Это позволяет оценить электрическую прочность полномасштабных изоляторов заданной формы.
Для большинства типов твердых диэлектриков экспериментальные зависимости электрической прочности от межэлектродного расстояния, площади поверхности электродов и активного объема обычно аппроксимируются выражениями типа
(1)
(2)
(3)
где Еы, E\S и Е\v — электрическая прочность изоляции, определенная при межэлектродном расстоянии d\, активной площади поверхности электродов Si и активном объеме Vi; Ещ, EiS и Ем — электрическая прочность изоляции, соответствующая межэлектродному расстоянию dt, активной площади поверхности электродов Si и активному объему VY, na, ns и nv — степенные параметры. В общем случае ns ф na. Поэтому параметр nv оказывается различным в зависимости от величин d и S при заданной величине V, равной dS. Для nd и ns можно записать
(4)
(5)
Точно определить параметры na, ns и nv можно лишь в том случае, если значения Ег и Et различаются между собой более чем на свое значение коэффициента изменчивости. Отметим, что na, ns и nv, отражающие зависимость электрической прочности компаунда от d, S и V, позволяют экстраполировать известные значения электрической прочности Е\, полученные на небольших образцах, на значения электрической прочности полномасштабных изоляторов. Очевидно, что для осуществления подобных пересчетов необходимо знать не только значения величин na, ns и nv, но и их возможные отклонения. В противном случае экстраполяция указанных зависимостей на область значений d, S и V для полномасштабных изоляторов приведет к завышенным значениям электрической прочности эпоксидного компаунда.
Таблица 3
Для определения параметров na, ns и nv, а также Еы, E1S и Еiv были проанализированы экспериментальные данные, приведенные в работах [15, 18—22, 24, 27—29], — табл. 3. В таблице приведены результаты измерений электрической прочности компаундов в зависимости от длины межэлектродного промежутка. Анализ показывает, что при коэффициенте изменчивости, равном 10%, и трех испытуемых образцах [19] среднее значение электрической прочности компаунда может колебаться в пределах ±6%. В этом случае при средних значениях электрической прочности, равных 89 и 69 кВ/мм, и соответствующих межэлектродному расстоянию 2 и 5 мм, параметр nd будет равен 3,6. Учитывая разброс среднего значения электрической прочности ±6%, действительное значение параметра na будет находиться в пределах 2,5—7. Если при заданной длине межэлектродного промежутка число образцов составляет 20, то при коэффициенте изменчивости, равном 10%, отклонение среднего значения электрической прочности составит ±2%. Для длины промежутков 1 и 2 мм, которым соответствует электрическая прочность 75 и 67 кВ/мм, параметр nd будет находиться в пределах 7,7—8,3. Следует отметить, что в тех случаях, когда отклонение электрической прочности при изменении длины межэлектродного промежутка не превышает разброса коэффициента na, соотношение Ещ и Eid оценивается только по коэффициенту изменчивости с (табл. 3) при данном числе образцов и соотношению длины межэлектродных промежутков при S = 50 см2 [19]. В табл. 3 приведена информация об образцах, активные площади поверхности электродов которых различаются почти на два порядка. Для сопоставления их электрической прочности все данные были приведены к одной активной площади, равной 0,5 см2. Этот пересчет проведен для образцов с длиной межэлектродного промежутка 1—2 мм при ns = 10. Из таблицы следует, что у эпоксидных компаундов с приведенной электрической прочностью, не превышающей 100 кВ/мм, значение параметра na лежит в пределах 2—5 при использовании образцов с активной площадью электродов до 10 см2. У образцов, имеющих электроды с активной площадью поверхности, превышающей 20 см2, параметр na > 10. Для компаундов с приведенной электрической прочностью 120 кВ/мм и выше минимальное возможное значение tid составляет 12. Оценка параметра ns для таких компаундов также дает значение 12.
Следует отметить, что значение параметра nd зависит от способа изготовления электродов даже при использовании одного и того же компаунда. Например, при электродах в виде слоя графитового лака, нанесенного на поверхность компаунда, na составляет 4,7—5,0. При использовании электродов, выполненных из металлической сетки, nd увеличивается до 8—9. И, наконец, при тщательном полировании сферических электродов параметр nd можно определить лишь по оценке коэффициента изменчивости с и числу испытуемых образцов, т. е. nd весьма велик. Отсюда можно сделать вывод о том, что с повышением электрической прочности образцов эпоксидного компаунда увеличивается параметр nd.
Рассмотрим теперь компаунды с приведенной электрической прочностью, соответствующей 65—82 кВ/мм [19]. Для электрической прочности 82 кВ/мм при активной площади поверхности электродов, равной 0,1 см2, значение na этих компаундов составляет 3,6—4,4. Увеличение активной площади поверхности электродов до 50 см2 приводит к увеличению nd до 13 и более (ограниченное число испытанных образцов не позволяет установить точнее значение величины nd). Подобная закономерность наблюдается и при анализе данных работ [18, 21, 26]. Так, в работах [21, 26] при длине межэлектродных промежутков, превышающих 5 мм, отмечено появление краевого эффекта.
Из табл. 3 следует, что у образцов, выполненных из компаунда КФ-1 и имеющих активный объем 0,7—1,5 см3, при длине межэлектродных промежутков 6—15 мм параметр nd лежит в пределах 3—4. Согласно работе [24], где указан только активный объем, а не активная площадь поверхности электродов, электрическая прочность этого компаунда, приведенная к межэлектродному расстоянию 2 мм при tid = 3 и площади поверхности электродов 0,5 мм2 при ns — 10, соответствует 75 кВ/мм.
Таблица 4
В табл. 4 приведены результаты исследований по определению электрической прочности разных компаундов при различной активной площади поверхности электродов и заданном межэлектродном расстоянии [19, 21, 22, 27—29]. Данные работы [24] были использованы для представления значений электрической прочности при различном активном объеме диэлектрика. Сопоставление результатов измерений электрической прочности различных компаундов проводилось при одной активной площади электродов, составляющей 10 см2, и длине межэлектродного промежутка — 2,5 мм. Выполненный анализ показывает, что приведенная электрическая прочность различных компаундов лежит в пределах 38,5—63 кВ/мм. При этом максимальную электрическую прочность, равную 63 кВ/мм [28], имеет компаунд, образцы которого применялись для исследований зависимости электрической прочности от длины межэлектродного промежутка [15] (см. табл. 3). У отечественных компаундов Д-2 и ЭЗК-1, а также у зарубежного компаунда промышленного производства [27] электрическая прочность соответствует 46—51 кВ/мм. У компаунда, используемого фирмой «Тошиба» [19], и исследованного на образцах с электродами, обработанными пескоструйным аппаратом, электрическая прочность составляла 46—47 кВ/мм при длине промежутка 2 и 5—10 мм. При этом имело место изменение активной площади поверхности электродов от долей квадратного сантиметра до 220 см2, что приводило к изменению параметра tis пт 6 до 15 (эти колебания определялись разбросом среднего значения электрической прочности). Результаты исследований компаунда К.Э-3 показали, что его электрическая прочность зависит в основном от длины межэлектродного промежутка (//,/=2-г-3), так как активный объем диэлектрика практически не менялся и составлял 0,67—1,0 см3. Электрическая прочность компаунда КФ-1 соответствует 38,5 кВ/мм. Таким образом, значения электрической прочности различных компаундов при активной площади, равной 10 см2, сравнительно близки друг другу, а среднее значение параметра ris = 12. Однако для повышения надежности эксплуатации опорных изоляторов КРУЭ этот параметр желательно уменьшить до 9.
Для определения внутренней электрической прочности опорных изоляторов их можно разделить на две группы: изоляторы с небольшой активной площадью поверхности электродов (менее 10 см2), к которым можно отнести изоляторы столбиковой конструкции (рис. 5), и изоляторы с большой активной площадью поверхности электродов (более 100 см2), к которым относятся дисковые (рис. 1) и конические изоляторы (рис. 6).
При оценке электрической прочности твердого диэлектрика изоляторов первой группы целесообразно принимать значение и а равным 4. При этом значение EIV должно быть экспериментально определено на образцах диэлектрика с межэлектродным расстоянием примерно 10 мм и активной площадью поверхности электродов не менее 10 см2, причем способ изготовления электродов должен быть идентичен способу изготовления электродов полномасштабного опорного изолятора. Проведение подобных оценок при меньших межэлектродных промежутках п активных площадях поверхности электродов даст заниженное значение электрической прочности изолятора.
При оценке электрической прочности твердого диэлектрика изоляторов второй группы целесообразно принять величину Па, равной 9—10. При этом значение Elv должно быть экспериментально определено на образцах с длиной межэлектродного промежутка примерно 10 мм и активной площадью поверхности электродов не менее 100 см2. При большей активной площади оценка внутренней электрической прочности опорного изолятора будет заниженной.
В заключение следует отметить, что в этом параграфе анализировались только экспериментальные данные для оценки параметров na, ns и nv. Теоретические попытки объяснения указанных закономерностей приведены в работах [21, 24].
