Високовольтний газонаповнений ізолятор

Изобретение относится к области высоковольтной техники, а именно, к изоляцион ному узлу аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих изоляционные конструкции конденсаторного типа с изоляцией сжатым газом. Известна конструкция высоковольтного аппарата, в котором изоляционный узел с изоляцией сжатым газом содержит внутренний электрод в виде трубы радиусом rо, внешний электрод в виде коаксиального цилиндра радиусом rb. Между основными электродами расположены дополнительные электроды (металлические цилиндры) с внутренним радиусом r1 и r2, и толщиной D с соответствующими округлениями краев, крепящихся к внутреннему или внешнему электроду с помощью диэлектрических элементов, находящихся под промежуточными потенциалами. Однако, известное решение не позволяет выбрать оптимальные размеры изоляционного узла, с точки зрения электрической прочности при заданном испытательном напряжении. В основу изобретения поставлена задача уменьшения радиальных габаритов аппаратов за счет оптимизации геометрических размеров изоляционного узла, позволяющей при заданной электрической прочности получить минимальные габариты. Поставленная задача решается тем, что высоковольтный газонаполненный изолятор, преимущественно высоковольтных электрических аппаратов, содержит изоляционный корпус, в котором выполнены один электрод, предназначенный для заземления, один электрод, предназначенный для подключения к рабочему напряжению и п промежуточных электродов, причем i £ n £ 4, при этом указанные электроды выполнены в виде коаксиально расположенных труб разной длины с радиусами Ro - для внутреннего электрода, Rвн - для внешнего электрода и Ri - для промежуточных электродов. Согласно изобретению их основные геометрические и электрические параметры связаны соотношением: Rin = [(10,9 + 0,05 × n)Ro + + (ain - bin × n + c in × n2 - din × n3 ) × U × p ][1 ± a] Eg где Up - расчетное напряжение; Ед - допустимая напряженность на поверхности электродов; i = 1, 2, 3, 4, в - обозначение промежуточного или внешнего электрода: n = 1, 2, 3, 4 - число промежуточных электродов; a - допуск для радиусов промежуточного и внешнего электродов, равный 0-0,03 для промежуточных и 0-0,05 для внешнего электродов; ain, bin, cin, din - коэффициенты, определяющие радиусы электродов, равные в зависимости от числа промежуточных электродов ain = (0,141 - 1,900), bin = (0,965 - 0,23), cin = (0,260 - 0,135), din = (0,025-0,012), при этом емкость между электродами соответствует следующему соотношению: R R i+1 × ln i+1 C i-1,i Ri = , R C i, i-1 R i-1 × ln i R i-1 где i= 1, 2, 3, 4, в - обозначение промежуточного или внешнего электродов. Цилиндрические электроды имеют постоянные радиусы по всей длине, причем их длины выбираются по следующему соотношению: R li = i × li +1, Ri-1 где li - длина промежуточного или внешнего электрода, при этом i = 1, 2, 3, 4, в. Высоковольтный электрический аппарат изображен на чертежах: на фиг. 1 - общий вид высоковольтного электрического аппарата; на фиг. 2 - расположение электродов изоляционного узла; на фиг. 3 - схема замещения. Высоковольтный газонаполненный изолятор, преимущественно высоковольтных электрических аппаратов, содержит электрод 1 в виде заземленной трубы с системой коаксиальных электродов 2, 3, 4. Электрод 1 с системой коаксиальных электродов 2, 3, 4 помещен в изоляционную покрышку 5. Высоковольтный изолятор с изоляцией сжатым газом содержит корпус, в котором выполнены внутренний электрод 1 в виде трубы радиуса Ro (находящийся под напряжением или заземленный), внешний электрод 4 в виде коаксиального цилиндра конечной длины (соответственно заземленного или находящегося под напряжением) радиуса Rвн и коаксиально расположенных двух или нескольких металлических промежуточных электродов 2, 3 конечной длины с внутренними радиусами R1, R2 ... Rn и толщиной D с соответствующими скругленнями краев 6, крепящихся к внутреннему или внешнему электроду 1, 4 с помощью диэлектрических элементов 7 произвольной формы (находящихся под промежуточными потенциалами), предназначенных для снижения напряженности на основных электродах 2, 3. Их основные геометрические и электрические параметры связаны соотношениями: для системы с одним промежуточным электродом Ro < R1 < Rвн Rв н = (R o + 1,5 Up Eд )(1 ± 1 5 ); , R1 = Ro + (R в н - Ro )(0,5 ± 0,02 ), для системы с двумя промежуточными электродами Ro < R1 < R2 < Rвн U R1 = (Ro + 0,03 p )(1± 0,02); Eд R2 = (Ro + 0,78 Up Eд )(1 ± 0,02); Rв н = (0,95Ro + 1,28 (1) Up )(1± 0,05), Eд где Up - расчетное напряжение; Eд - допустимая напряженность на поверхности электродов, при этом емкость между электродами должна удовлетворять соотношениям: для системы с одним промежуточным электродом R R 1 ln в н C 01 R1 = , R C1b R o ln 1Ro для системы с двумя промежуточными электродами R R R1 ln 2 R 2 ln в н C01 R1 C12 R2 = и = R1 R2 C12 C 2b R o ln R1 ln Ro R1 Цилиндрические электроды 1, 2, 3, 4 имеют постоянные радиусы по всей длине, причем их длину выбирают из выражения: R li = i × li +1; Ri-1 для системы с одним промежуточным электродом R1 lb; R0 для системы с двумя промежуточными электродами R R l1 = 1 l2, l2 = 2 lb R0 R1 Рассмотрим узел с двумя промежуточными электродами. Известно, чго в конструкциях с сжатым газом величина допустимой напряженности Ед на поверхности электродов зависит от вида напряжения Up, давления l1 = газа Р и площади поверхности электродов S. Однако для S ³ 1000см2 , что имеет место в данной конструкции, Ед практически не зависит от S. Тогда из рассмотрения схемы замещения с учетом толщин промежуч очных электродов D, можно записать: R R2 Ro ln 1 + (R1 + D ) ln + Ro R1 + D (2) Up Rв н + (R2 + D) ln = R2 + D Eд Для нахождения минимальных габаритов высоковольтного изолятора при известном отношении Up , Eg очевидно, необходимо продифференцировать (2) по каждой переменной и приравнять частные производные к нулю. Up Расчеты показывают, что в этом случае для различных отношений радиус внутренней трубы Ro должен Eg находиться в пределах Ro = 1,6-1,8 см. Однако такой размер R o не допустим по условию механической или электрической (величины тока) прочности. Из практики проектирования подобных конструкций известно, что Ro ³ 3. Поэтому данная задача является задачей нахождения минимума функции нескольких переменных с ограничениями. Up Величина внешнего радиуса Rвн является функцией переменных R1, R2 и параметров Ro, D, . Задача Eg состоит в услорной минимизации функции Rb при следующих ограничениях: R o = (3 ¸ 4 ) см; D = (0,1 ¸ 0,5 ) см; Up = (5 ¸ 11)см. Eд Подобная задача аналитически не решается. Ее решение требует численной реализации на ЭВМ при каждом сочетании параметров. Up Оптимальные значения величин R1, R2, Rвн находятся в сложной зависимости от параметров Ro, D, . Eg Поэтому для нахождения этих зависимостей целесообразно использовать методы теории планирования экспериментов. Обработка результатов ортогонального центрального композиционного планирования позволила получить следующие зависимости: Up R1 = 0,0072 + 1009Ro + 0,338 , Eд - 0,34D + 0,0513Ro D - 0,032D × R2 = - 0,565 + 106Ro + 0,86 , + 0,577D - 0,0162Ro Up Eд Eд ; Up + Eд (3 ) ; Rв н = -1,704 + 1125Ro + 1591 , , + 1813D - 0,048 , Up Up + Eд Up . Eд Дальнейшая математическая обработка зависимостей (3) позволила свести их к зависимости (1). При выборе геометрических размеров по (1) погрешность расчета Up не превосходит ±5%. Этот факт установлен с помощью использования метода статистических испытаний (Монте-Карло). Up Для фиксированных значений Ro = 3 см и Ro = 6 см и = (5,10) см было проведено по 50000 статистических Eд испытаний, что позволило определить погрешность вычислений U p. Пример конкретного расчета, если: Ro = 6 см R1 = Ro + (Rв н - Ro )(0,5 ± 0,2) = 6 + 0,333´ 1350 ´ ×1,1) × 102 = 9,7 см , 140 U R2 = (Ro + 0,78 p )(1 + 0,02) = 6 + 0,78 ´ Eд 1350 ×1,1) × 102 = 14,6 см , 140 Up Rв н = (0,95Ro + 1,28 )(1+ 0,05) = Eд ´ = (0,95 × 6 + 128 , 1350 × 11) ×1,05 = 20,3 см , 140 lb = 35 см R 14,6 l2 = 2 lb = × 35 = 53 см R1 9,7 R1 9,7 l2 = × 53 = 86 см R0 6 При работе устройства максимальные напряженности электрического поля на цилиндрах в изоляционной конструкции принимаются одинаковыми, что позволяет минимизировать радиальные габариты. Вместе с тем, указанное распределение напряженности электрического поля однозначно связывается с распределением потенциала по электродам (см. схему замещения на фиг. 3), которая, в свою очередь, определяется емкостями между этими электродами. Однако, распределение напряженности между электродами определяется не только их радиусами, но их длинами. Предлагаемое техническое решение позволяет: - сократить время на проведение работ по оптимизации геометрических размеров изоляционного узла; - при заданной электрической прочности получить минимальные габариты изоляционного узла. l1 =