ФАРФОРОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ABH. ВЫБОР ЭТИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСХОДЯ ИЗ ТРЕБОВАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
Фарфор широко применяется в АВН для изготовления опорных и проходных изоляторов, покрышек, стержней, тяг. Обладая хорошими диэлектрическими свойствами, фарфор имеет невысокую механическую прочность (см. табл. 1.3), особенно при растяжении и изгибе. Поэтому при расчете фарфоровой изоляции наряду с расчетами электрической прочности особое внимание уделяется расчетам на механическую прочность с учетом того, что очень часто фарфоровые элементы работают в условиях неблагоприятных механических нагрузок.
Электрическая прочность при пробое стандартных образцов фарфора при частоте 50 Гц и температуре 20 °C находится в пределах 28—35 МВ/м. С увеличением толщины фарфора, повышением температуры, особенно до значений выше 125—130 °C, с ухудшением качества фарфора его электрическая прочность заметно снижается, как это видно, например, из рис. 1.12.
При расчете проходных изоляторов и других изделий кольцевого сечения наименьшее значение электрической прочности фарфора, МВ/м, можно определить при частоте 50 Гц по эмпирической формуле
где S — толщина фарфора, м.
Импульсная электрическая прочность при пробое фарфора примерно в 2 раза выше прочности при частоте 50 Гц.
Разрядное напряжение вдоль поверхности фарфорового изолятора зависит от удельной поверхностной емкости, которая определяется формой электродов, их расположением относительно фарфора, расстоянием между электродами, формой и размерами ребер, а также от характера поверхности (ее дефекты снижают разрядные напряжения), состояния поверхности (загрязнение и увлажнение ее снижают разрядные напряжения), времени воздействия и характера приложенного напряжения. Такое значительное количество факторов, влияющих на процессы разряда по поверхности, заставляет обращаться в практических расчетах выдерживаемого напряжения к эмпирическим формулам, применяемым для определенных типов изоляторов.
Так, для стержневых изоляторов, наиболее распространенных в АВН, выдерживаемое напряжение в сухом состоянии, кВ, можно рассчитать по формуле Uc=24+378 1с, где 1с — длина пути перекрытия в сухом состоянии, м.
Выдерживаемое напряжение под дождем для изоляторов этого типа рекомендуется определять по формуле Uд=2961с.
Рис. 1.12. Зависимость разрядного напряжения в фарфоровых изоляторах от толщины стенки: 1 — фарфор среднего качества; 2 — фарфор хорошего качества
Рис. 1.13. Зависимость разрушающего напряжения на изгиб фарфоровых изоляторов от их поперечного сечения
Импульсные испытательные напряжения, кВ, можно ориентировочно определить по разрядным расстояниям, используя для стержневых изоляторов формулу Uимп=6701с, где 1с—длина пути перекрытия в сухом состоянии, м. Формула относится к импульсу положительной полярности, дающему меньшие значения разрядных напряжений, чем импульс отрицательной полярности.
Разрядные напряжения между электродами различной формы для атмосферного воздуха и трансформаторного масла при нормальных условиях могут быть также определены по эмпирической формуле Uр=klβ, где k и β — коэффициенты, значения которых даны в табл. 1.4.
Для изоляторов внешней установки рассчитанные значения длин путей перекрытия должны согласовываться с рекомендуемыми ГОСТ 9920-75 длинами путей утечки (см. табл. 1.2).
Таблица 14. Коэффициенты k и β для расчета разрядных напряжений
Фарфоровые изоляторы, как и любая изоляционная конструкция из твердых диэлектриков, в процессе эксплуатации могут подвергаться воздействию различного вида механических нагрузок: сжатию, растяжению, изгибу, кручению или сочетанию этих нагрузок.
Для опорных изоляторов расчеты механической прочности обычно проводятся для случая приложения к телу изолятора изгибающего момента, изгибающего и крутящего моментов или продольных сил, вызывающих напряжения среза в цементных заделках фарфора во фланцах. Для проходных изоляторов наиболее характерными являются изгибающие нагрузки.
Расчет механической прочности состоит в определении напряжений изгиба, среза или смятия и в сравнении расчетных величин с допустимыми для данного материала. Необходимо отметить, что механическая прочность таких хрупких материалов, как фарфор, зависит от характера приложения нагрузки и при динамической нагрузке в несколько раз меньше, чем при статической. Увеличение толщины фарфора свыше определенных значений не дает значительного эффекта в повышении прочности всей конструкции, как это видно из рис. 1.13.
Опорные изоляторы внутренней установки по конструкции можно разделить на четыре группы: с наружной заделкой арматуры, а именно верхнего колпачка и нижнего фланца; с внутренней заделкой арматуры; с внутренней заделкой колпачка и наружной заделкой фланца; с механическим креплением арматуры внутри фарфорового тела.
В изоляторах первой группы для соединения колпачка и фланца с фарфоровым телом применяют цементно-песчаные связки с использованием портландцемента, причем толщина шва должна быть не менее 2 мм. Наружная поверхность изолятора имеет форму параболоида вращения, так что тело изолятора в любом сечении создает равное сопротивление изгибу. Фарфоровое тело изготавливают полым, имеющим в поперечном сечении форму кольца, со сферическим сводом в верхней части.
В изоляторах с внутренней заделкой арматуры вставки из чугуна крепятся в соответствующих выемках с помощью цементно-песчаной связки. Изгибающие усилия в такого типа изоляторах в значительной степени воспринимаются фарфоровой перегородкой между выемками, работающей в основном на сжатие.
Сопротивление изгибу значительно повышается (от 5—10 до 24—29 МПа) в изоляторах с комбинированной заделкой арматуры.
В изоляторах с механическим креплением арматуры вставки удерживаются от продольного перемещения спиральными пружинами, входящими в кольцевые пазы в теле фарфора.
Для изоляторов с наружной заделкой арматуры механический расчет состоит в определении напряжений при изгибе тела фарфора σиз, напряжений смятия в цементной заделке σсм при приложении к изолятору изгибающего момента Миз или в определении напряжения среза τср при воздействии на изолятор растягивающей силы.
Напряжения при изгибе
где W — момент сопротивления в рассчитываемом сечении, м3.
