Твердая изоляция внутренних высоковольтных конструкций - Проектирование изоляции проходных изоляторов

Выполнение критериев оптимизации для проходных изоляторов осложняется трудностями минимизации нормальной составляющей, и включением «газового клина» в области внешнего фланца и условиями обеспечения аэродинамических свойств при конусной форме тела изолятора.
Опыт разработки изоляционных конструкций показал возможность создания систем изоляции с равномерными электрическими полями, тело изоляторов в которых развито как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Несмотря на одинаковые значения коэффициента неравномерности и длины пути тока утечки, в зависимости от соотношения значений нормальной и касательной составляющих напряженности электрического поля реальные значения напряжения поверхностного пробоя в конструкции с максимальным углом наклона были на 25... 35% больше, чем поверхности с малыми углами наклона.
В § 6.2 было показано, что конструкцию оптимальных проходных изоляторов целесообразно искать при создании катеноидного или эллипсоидального полей, для которых достигаются минимальные коэффициенты неравномерности электрического поля и значения нормальных составляющих напряженности электрического поля. Для упрощения технологии изготовления токовводов иногда их выполняют не катеноидными, а цилиндрическими, что ухудшает картину электрического поля и значение максимальной напряженности на 6... 10% по сравнению с характеристиками внутреннего электрода катеноидной или эллипсоидальной формы.

Рис. 11.6. Проходные эпоксидные или миполоновые изоляторы (см. табл. 11.7) и значения напряженностей при поверхностном пробое

В унифицированном ряду проходных изоляторов на напряжения 20 и 40 кВ для частоты 0,05... 25 кГц из эпоксидного компаунда и для диапазона частот, соответствующего мегагерцам, из миполона таким образом и получено оптимальное технологическое решение (рис. 11.6). Из двух возможных вариантов формирования внешних электродов посредством залитой внутри металлической сетки и внешней металлизированной канавки был выбран последний, как не требующий специальных оправок для изготовления сеточного экрана сложной геометрии и завальцовки его в проволочные кольца.
Применение в качестве внешнего электрода залитой внутри тела изолятора части фланца с заданной формой геометрии было исключено по условиям образования термоупругих напряжений и отслоений, а также из-за усложнения и увеличения размеров, заливочной формы в которой требовалось разместить фланец. Диаметр формы увеличивается в этом случае на размер выступающей из тела изолятора внешней части фланца. Усложняются условия герметизации, сборки и разборки заливочной формы.
Для катеноидного поля наружная канавка необходимой формы легко осуществляется образованием в заливочной или прессовочной форме выступа заданной геометрии.
На рис. 11.6 а приведен проходной изолятор, у которого на краях имеются экраны и фланцы тороидальной формы. Фланцы закрепляются на металлизированной канавке тела изолятора. На рис. 11.6,6 изображен изолятор с минимальным диаметром и фланцем в виде кольца.
Изолятор на рис. 11.6, в оказался при заданной высоте и длине пути тока утечки оптимальным по геометрии всех элементов и по напряжению поверхностного пробоя. На схематическом изображении всех изоляторов приведена напряженность электрического поля при напряжении поверхностного пробоя.
Таблица 11.7

Из табл. 11.7 видно, что изолятор рис. 11.6,б с минимальным диаметром тела изолятора и высотой, как у изоляторов на рис. 11.6, а и в, имеет напряжение поверхностного пробоя 37,2 кВ. Это на 20% меньше, чем напряжение пробоя аналогичного изолятора (рис. 11.6, в) с оптимальным диаметром. Изолятор рис. 11.6, а по сравнению с изолятором рис. 11.6,б имеет небольшое увеличение напряжения поверхностного пробоя при
значительно большей сложности изготовления арматуры.
Изолятор на 40 кВ (рис. 11.6, г) изготовлен с пропорционально увеличенными основными размерами изолятора на 20 кВ и допустимыми по условиям унификации размеров. Учитывая требования унификации диаметры сечения фланца-экрана, токовода и торца тела изолятора приняты аналогичными размерам изолятора на 20 кВ.
Высота увеличена в 2,06 раза с учетом уменьшения напряженности поверхностного пробоя вследствие влияния масштабного фактора.
При последующей металлизации канавки не создаются дополнительные термоупругие напряжения в процессе изготовления или эксплуатации из-за большой массы металла. Фланец, вставляемый при монтаже в металлизированную канавку, может иметь любую, определяемую конструктивными требованиями форму и толщину. При толщине фланца, меньшей, чем диаметр канавки, ее металлизация будет экранировать фланец и исключать образование «газового клина». Желательно по краям металлизации иметь залитое металлическое кольцо, которое при исполнении из высокочастотного обмоточного провода или антенного канатика, состоящих из отдельных проволочек, имеет высокую, адгезионную прочность при перепадах температуры. Возможны и другие варианты заделки края металлизации (см. § 6.2), в том числе и дополнительное использование по краям металлизации полупроводящих покрытий.
Аналогично может быть выполнен унифицированный ряд таких проходных изоляторов, изготовленных из эпоксидною компаунда марки ЭЗК-31. Внутренний токоввод выполняется из металлической трубки, которая для лучшей адгезии обматывается слоем стеклоленты.
Для использования в диапазоне частот, соответствующем мегагерцам, проходные изоляторы изготовляются из блочного миполона или фторопласта-4. Металлизация канавки может быть также заменена приваркой полупроводящей пленки или ввариванием металлической сетки.
При серийном изготовлении целесообразно полиэтиленовое тело изолятора прессовать, а затем облучать.
Для питания прибора напряжением 12, 14, 18 и 22 кВ через заземленный электромагнитный металлический экран четыре проходных изолятора заменены одним с четырьмя токовводами, изолированными относительно друг друга. Применение такого изолятора позволяет улучшить условия электромагнитного экранирования, так как четыре отверстия для обычных изоляторов заменяются одним, что при жестком излучении прибора приобретает важное экологическое и биологическое значение.
Задача решена изготовлением эпоксидного проходного изолятора с четырьмя электродами в виде шпилек с резьбой, расположенных по вершинам мнимого квадрата (рис. 11.7). Для развязки по четырем цепям высокой частоты каждая шпилька на торцевой части изолятора снабжена приливом конической формы. Получена геометрия, при которой электрическая прочность по разделяющей шпильки поверхности выше воздушной и рассчитана на двукратный запас прочности. По электрическим характеристикам эта система изоляции оптимальна, так как помимо требуемой равномерности поля эквипотенциали подходя» к границе раздела сред под углами, близкими к 90°, и нормальная составляющая вектора напряженности имеет минимальное значение.

Рис. 11.7. Проходной многоштыревой изолятор
1— экран; 2 — букса; 3 — эпоксидный компаунд; 4 — изолятор шпильки; 5 — шпилька

Выравнивание электрического поля в изоляторе достигается оптимальным выбором формы тела изолятора и характеристик залитого в него электростатического экрана, выполненного из латунной сетки с завальцованными на проволочные кольца краями. К сетке припаяны четыре буксы, за которые экран крепится в заливочной форме. Эти же буксы служат для установки изолятора на электромагнитном экране прибора.
Моделирование электрического поля производилось для некоторого условного цилиндрического токоввода, размещенного вокруг четырех вводов.
Арматура (вводы) и залитый электростатический экран создают электрическое поле и обеспечивают необходимое выравнивание поля.
Форма двойного конуса, а также конусные приливы у вводов создают благоприятные условия для разборки по оси изолятора формы, состоящей из двух половин. Токовводы в виде шпилек с резьбой одновременно служат для герметичного стягивания половинок формы. Литники для заливки могут устанавливаться с торцов или между буксами. Первый вариант является предпочтительным, так как в этом случае сетка электростатическою экрана не препятствует движению струи компаунда, которая должна быть в процессе заливки непрерывной, чтобы не захватывать воздух.
Для снижения термоупругих напряжений шпильки и буксы обматываются хлопчатобумажной лентой.
Особенностью изолятора является многофункциональное использование шпилек и букс в процессе заливки и при эксплуатации.

Рис. 11.8. Проходной изолятор из высокочастотного кабеля
1 — фланец; 2 — внешний экран кабеля; 3 — металлизация; 4 — полиэтиленовый прилив; 5 — изоляция кабеля; 6 — жила кабеля
Напряжение поверхностного пробоя такого изолятора при испытательном напряжении 36 кВ составляет 45 кВ постоянного напряжения. Размеры тела изолятора: диаметр 50 мм, высота (без шпилек) 60 мм.
Проходные изоляторы могут быть заменены высоковольтными кабельными вводами, длинный конец которых может быть использован также для передачи электроэнергии на некоторые расстояния. Вариант, разработанный на базе высокочастотного кабеля РК-50-44-17, представлен на рис. 11.8.
Ввод представляет собой отрезок кабеля с заземленным внешним экраном и специальной разделкой.
Оптимальная форма и размеры кабельной разделки выбраны методом моделирования электрических полей. Напряженность электрического поля на поверхности не превышает 1 МВ/м, что исключает образование ПЧР в процессе эксплуатации.
Полиэтиленовый прилив выполнен опрессовкой под давлением. Опрессованная часть имеет на своей вершине канавку катеноидной формы, металлизированную совместно с той частью кабеля, с которой была сдвинута металлическая оплетка внешнего экрана кабеля для операций по опрессовке. После металлизации внешний экран заводится в канавку и обжимается фланцем.
Установкой фланца в канавке достигается надежное крепление его на разделке кабеля и одновременно закрепление края оплетки и электрического контакта с металлизацией.

В данной конструкции, как и в других, достигается многофункциональное использование каждого элемента изоляционной конструкции. В данном случае форма канавки и последующая металлизация служат для выравнивания электрического поля, а также для надежного закрепления фланца и края оплетки кабеля. Металлизация может быть заменена вплавлением металлической экранной оплетки в полиэтиленовую поверхность кабеля и ее разделкой в канавке.
Испытания кабельного ввода показали, что появление слышимой короны (ПЧР) происходит при напряжении 75 кВ, а поверхностный пробой — при 90 кВ, т. е. на 15 кВ выше значения испытательного напряжения.
Указанная конструкция разделки кабеля, по сравнению с известными в мировой практике, характеризуется простотой изготовления и надежностью эксплуатации.