Электрические аппараты должны иметь соответствующую изоляцию между частями, находящимися под напряжением, и заземленными частями; между частями соседних полюсов, находящимися под напряжением, и между разомкнутыми контактами одного полюса, а некоторые виды аппаратов (реакторы, трансформаторы напряжения) — еще и межвитковую и межслоевую изоляцию. Изоляция обеспечивается выбором длины соответствующего промежутка, так чтобы аппарат выдерживал испытательные напряжения, приведенные в ГОСТ 1516.1-76. Как правило, определение минимальных размеров промежутков производится по экспериментальным кривым зависимости разрядного напряжения Uр промышленной частоты или импульсного от длины промежутка, снятым для различных форм электродов, характеризующих степень неоднородности электрического поля, приложенного к промежутку (острие — острие, острие—плоскость), различных диапазонов длин промежутков, различных полярностей для импульсного разрядного напряжения Uр. исп и различных форм импульса. Часто эти кривые обработаны в виде эмпирических формул, дающих возможность расчета изоляционных промежутков при определенных условиях. Для расчета изоляционных расстояний в воздухе при напряжении промышленной частоты можно использовать имеющиеся кривые, например кривые рис. 1.3, построенные по данным [1.1, 1.3], или воспользоваться эмпирическими формулами, аппроксимирующими такого рода зависимости. Как видно из рис. 1.3, б, при больших длинах воздушных промежутков их прочность существенно зависит от степени неоднородности электрического поля в промежутке, что следует учитывать при расчетах.
Рис. 1.3. Действующее (а) и амплитудное (б) значения разрядного напряжения воздушных промежутков при частоте 50 Гц
Для расчета изоляционных расстояний в воздухе при импульсах, имитирующих грозовые перенапряжения, можно использовать кривые зависимости Uр. имп в воздухе при атмосферном давлении от длины промежутка для положительной (+) и отрицательной (—) полярности полного импульса (рис. 1.4, а и б), а для больших промежутков — кривые зависимости импульсного 50 %-ного разрядного напряжения, т. е. напряжения, вызывающего пробой промежутка с вероятностью не менее 50% (рис. 1.4, а), от длины промежутка (показаны верхняя и нижняя граничная кривые для электродов стержень — плоскость при различных полярностях импульса). Для электродов стержень — стержень значения Uр. имп лежат внутри этих кривых, влияние полярности импульса сказывается меньше. Расчетное Uр. имп необходимо принимать на 5—10 % больше импульсного испытательного напряжения, установленного ГОСТ 1516.1-76.
Рис. 1.4. Импульсное разрядное напряжение Uр. имп50% в воздухе при различных полярностях полного импульса 1,5/40 мкс для различных электродов:
а — l=0,2-1,8 м; б — l=0-0,4 м; в—l=0,5-6 м
Определение длины воздушного промежутка по импульсам коммутационных перенапряжений производится для аппаратов на номинальные напряжения 330 кВ и выше, так как значения испытательных напряжений при коммутационных импульсах выше испытательных напряжений промышленной частоты, а электрическая прочность воздушных промежутков при воздействии коммутационных импульсов приближается к электрической прочности промежутков, подвергаемых воздействию разрядных напряжений промышленной частоты.
Рис. 1.5. Экспериментальная зависимость амплитуды разрядного напряжения для воздуха в однородном поле от произведения давления р на длину промежутка l при частоте 50 Гц:
а — при малых значениях pl (кривая Пашена); б — при больших значениях pl
За окончательную длину изоляционного расстояния принимается большее из значений, полученных при его определении по напряжениям промышленной частоты, грозовых и коммутационных импульсов.
Минимальные изоляционные расстояния в распределительных устройствах приведены в Правилах устройства электротехнических установок.
Электрическая прочность газового промежутка зависит от давления газа, и разрядное напряжение существенно увеличивается при больших давлениях (сжатый воздух, элегаз под давлением) и при очень малых давлениях (вакуум), что используется в конструкциях воздушных, элегазовых и вакуумных выключателей.
Выражением этой зависимости является кривая Пашена (рис. 1.5, а), которая была сначала получена экспериментально, а затем объяснена теоретически, на основе условий самостоятельности разряда в равномерном поле при ударной ионизации.
Кривая проходит через минимум и имеет две ветви: левую и правую. На левой ветви увеличение электрической прочности происходит за счет снижения давления, а не уменьшения промежутка.
Рис. 1.6. Зависимость максимально допустимой напряженности электрического поля между контактами воздушного выключателя от давления
Правая ветвь кривой, проверенная при больших давлениях для различных длин промежутков, дает существенное отклонение от расчетных значений по формулам, описывающим условие самостоятельности разряда в равномерном поле, т. е. от классической кривой Пашена. Расхождения кривых для различных длин промежутков на рис. 1.5, б показывает на отступления от закона Пашена.
Причиной таких отступлений является наличие факторов, вызывающих локальные искажения однородности электрического поля в промежутке и облегчающих условия появления самостоятельного разряда. В дальнейшем это подтвердилось и было показано, что наиболее эффективными средствами увеличения электрической прочности сжатого воздуха являются его тщательная очистка от механических примесей, увеличение его давления, повышение чистоты обработки электродов, не подвергающихся воздействию дуги. На рис. 1.6 приводятся значения максимально допустимых напряженностей электрического поля в функции давления воздуха, которые можно использовать для расчета промежутков в отключенном положении воздушного выключателя.
Разряд в воздухе по поверхности твердого диэлектрика будет рассмотрен далее на примере наиболее распространенных в АВН видов изоляции: литой и фарфоровой.
