Изоляторы для элегазовых аппаратов могут быть разделены на два типа: герметичные, отделяющие друг от друга отдельные секции элегазового аппарата, и негерметичные.
Основная часть поверхности герметичных изоляторов обычно имеет форму тел вращения (сферы, конуса), что позволяет увеличить напряжение поверхностного перекрытия и уменьшить напряженность поля в толще диэлектрика для таких изоляторов.
Рис. 31. Характерные формы изоляторов для элегазовых аппаратов и способы экранирования мест контакта изоляторов с электродами
Для них легко решается и проблема механической прочности при токах короткого замыкания.
Применение негерметичных изоляторов в виде опорных конструкций позволяет резко сократить расход изоляционного материала и облегчить процесс производства изоляторов. Но для этого типа изоляторов наиболее трудно удовлетворить комплекс требований по высокой механической и электрической прочности (по толще и по поверхности изолятора).
Основная проблема при создании поддерживающего изолятора с высокой электрической прочностью но поверхности является традиционной для высоковольтных конструкций — предотвращение частичных разрядов в месте контакта изолятора с поверхностью электрода. Традиционно и решение этой проблемы — внутреннее или внешнее экранирование места контакта (рис. 31). Главный недостаток внешнего экранирования — неизбежное увеличение напряженности электрического поля на поверхности электрода.
Основной принцип при конструировании изолятора — выбор такого сочетания формы и глубины заделки экранирующих электродов с формой изолятора, при котором напряженность поля Еа в любой точке на поверхности изолятора, по крайней мере, не превосходит максимальной напряженности поля на поверхности электродов ЕГо> т, е. Еи >ЕГо. Для практически полного исключения вероятности перекрытия по поверхности изолятора Еп должно быть на несколько процентов больше ЕГо.
Но даже и без исключения развития разряда по поверхности изолятора зависимость напряжения перекрытия от давления элегаза при различных воздействиях оказывается в «чистых» условиях близкой к аналогичным зависимостям для разряда элегазового промежутка, а вольт-секундная характеристика имеет тот же характер, что и для чисто элегазового промежутка.
Распределение напряжений поверхностного перекрытия подчиняется тем же статистическим закономерностям, что и для чисто элегазового промежутка. Функция распределения пробивных напряжений при всех видах воздействий соответствует формуле (59) со среднеквадратическим отклонением σ0 = 2д:4 % при исключении влияния места контакта между диэлектриком и электродом на напряжение перекрытия. Нели это влияние не исключено, то распределение приобретает характер нормального, особенно при высоких давлениях газа.
Как и для чисто элегазового промежутка, напряжение перекрытия при кратковременном постоянном напряжении практически равно амплитуде напряжения перекрытия при переменном напряжении. Однако длительное постоянное напряжение приводит к перераспределению потенциала на поверхности изолятора. Процесс этот происходит медленно из-за малой проводимости диэлектрика, но даже при скорости изменения напряженности в нем 10 В/(м*с) за время 103 мин изменение напряженности в отдельных точках изолятора достигает 107 В/м. Из-за этого напряжение перекрытия на постоянном напряжении со временем уменьшается, что требует особо тщательного подхода при конструировании изоляторов, применяемых в аппаратах постоянного тока.
Напряжение перекрытия по поверхности изоляторов сильно зависит от свободных проводящих частиц на их поверхности. Но даже если частиц перед приложением напряжения на поверхности изолятора не было, то при приложении постоянного напряжения они стремятся оседать на нее. На переменном напряжении такие частицы могут попадать на поверхность изолятора лишь в результате своего случайного движения в промежутке.
Проводящая частица на поверхности изолятора может снижать пробивное напряжение до 30—40 % его значения для чистой поверхности изолятора. Качественно все закономерности для напряжения перекрытия в этом случае как при статическом, так и при импульсном воздействии напряжения подобны соответствующим зависимостям для областей // и III на рис. 3-26 пробоя в сильнонеоднородном поле. Поэтому такие условия в промежутке также должны исключаться для нормальной эксплуатации оборудования с элегазовой изоляцией.
Ребра на поверхности изоляторов в элегазовой аппаратуре не позволяют эффективно бороться со снижением напряжения перекрытия под влиянием свободных проводящих частиц.
Повышение электрической прочности элегазового оборудования сводится к нахождению путей устранения из промежутка проводящих частиц и микровыступов недопустимых размеров на поверхности электродов. Уменьшение выступов на поверхности электродов достигается полировкой поверхности или обработкой ее методами, обеспечивающими повышенную однородность поверхности и снижение механических напряжений в поверхностном слое.
Рис. 32. Ловушка свободных проводящих частиц: а — конструкция: б — снижение напряженности поля в щели
Для устранения свободных проводящих частиц, находящихся в объеме элегаза, наиболее перспективными кажутся постоянно действующие ловушки частиц. Принцип ловушки основан на непрерывном движении проводящих частиц в промежутке и постепенной «откачке» частиц электрическим полем в зону с очень малой напряженностью поля на поверхности оболочек элегазового оборудования.
В простейшем случае такой зоной является щель, для которой уже при небольшом отношении глубины к ширине поле на дне будет недостаточным (рис. 32) для подъема упавшей туда частицы. Ловушка, состоящая из ряда таких щелей, будет иметь и достаточно большую площадь захвата частиц и, расположенная на оболочке аппарата, не будет создавать заметного искажения электрического поля в промежутке. Электрическая прочность изоляции может быть повышена примерно на 20 % путем удаления свободных проводящих частиц в ловушки. Особенно эффективна установка ловушек вблизи изоляционных распорок.
Второй путь повышения электрической прочности — изоляционное покрытые поверхности электродов. С применением покрытия (например, эпоксидным компаундом при толщине слоя 0,2— 0,3 мм) характеристики пробоя для электродов с полированной и грубо обработанной поверхностью сближаются; в среднем разрядное напряжение увеличивается при наличии покрытия на 20—25 %, а отдельные его значения, особенно при малом диаметре внутреннего электрода, оказываются близкими к значениям, определяемым расчетом по формулам (50), (51).
Эффективным средством повышения надежности элегазовой изоляции является ее испытание после монтажа аппаратов на подстанции. Правильно выбранный метод испытаний позволяет не только обнаружить дефекты изоляции, но и устранить из напряженных в электрическом отношении узлов аппарата свободные проводящие частицы, попавшие туда в процессе транспортировки и монтажа аппарата.
Конкретный выбор видов воздействий и методов, выявления дефектов зависит от типа аппарата, его номинального напряжения и т. д. Отметим здесь лишь некоторые, вытекающие из вышеизложенного, основные подходы к выбору метода испытаний.
Приложенного к аппарату напряжения переменного тока, близкого к номинальному, всегда достаточно для приведенных свободных проводящих частиц в движение. Достаточно длительная выдержка (примерно час) аппарата под напряжением и наличие в нем ловушек для частиц приведет к удалению последних в ловушки.
Окончательным подтверждением достаточно высокой электрической прочности аппарата перед включением в эксплуатацию является испытание его переменным напряжением или импульсом напряжения с длительностью фронта около 50 мкс при максимальном значении напряжения, равном 0,9—1 максимального значения соответствующего нормированного испытательного напряжения.
