Изоляция силовых трансформаторов

Структура изоляции. Изоляция трансформаторов подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция состоит из воздушных промежутков между вводами и заземленным баком, между выводами различных напряжений, а также вдоль фарфоровых покрышек вводов. Выбор воздушных промежутков внешеней изоляции производится аналогично выбору соответствующей изоляции любого другого подстанционного оборудования.

К внутренней изоляции относят изоляцию обмоток, внутреннюю изоляцию вводов, отводов и переключающего устройства. Внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. К главной изоляции относят изоляцию между обмотками и магнитопроводом, между обмотками и баком, а также изоляцию обмоток разных напряжений и фаз между собой (междуфазовая изоляция). К продольной изоляции относят витковую изоляцию между катушками и слоями обмотки одной фазы.

Главная изоляция. Главная изоляция трансформаторов выполняется в виде МБИ и состоит из чередующихся слоев твердой (барьеров) изоляции из электротехнического картона и масляных каналов (трансформаторное масло) (рис. 3.6). Барьеры изготавливаются в виде цилиндров и шайб. Они препятствуют перемещению примесей в область сильных полей и увеличивают прочность изоляции на 20–30 %. Наибольший эффект увеличения прочности имеет место, если барьер располагается перпендикулярно силовым линиям поля. Благодаря ему отсутствует тангенциальная составляющая напряженности поля. Толщина барьеров 3–6 мм. Количество барьеров определяется классом напряжения и принимается равным 1 при  и 2–6 при . Между барьерами устанавливаются дистанцирующие прокладки из бакелита.

Для трансформаторов до 35 кВ расстояние между обмоткой низшего напряжения (НН) и стержнем магнитопровода принимается равным 20 мм, между обмоткой НН и высшего напряжения (ВН) – 15–27 мм. Расстояния между обмоткой и верхним ярмом – 90 мм, между обмоткой и нижним ярмом – 70 мм.

В трансформаторах на 110 кВ и выше между ярмом и обмоткой устанавливаются угловые шайбы. Это требуется для усиления изоляции у краев обмотки, т.к. поле там резконеоднородное. Напряженность поля у торца обмотки ВН в 3–4 раза превышает напряженность поля в средней цилиндрической части. Первые катушки с торцов обмотки также имеют усиленную изоляцию и меньшие размеры. Для снижения неоднородности электрического поля в торце обмотки устанавливается емкостное кольцо. При напряжении 220 кВ и выше применяют обмотки с выводом высокого напряжения от средней точки (рис. 3.7). Два конца обмотки соединяются вместе и с другими обмотками и образуют нейтраль трансформатора. Выполнение изоляции у торцов облегчается. В зоне высоковольтного ввода поле также становится более равномерным, что упрощает решение проблемы изоляции высоковольтных частей.

Для работы во взрывоопасных помещениях могут применяться специальные трансформаторы с воздушной или элегазовой изоляцией.

Расчет главной изоляции производят в два этапа. Первый оценочный, когда производится выбор основных размеров, число барьеров и размер каналов. На втором этапе производят уточненный расчет напряженности электрического поля в первом масляном канале при всех видах испытательных напряжений  или  длительностью приложения 1 мин. Для первого масляного канала принимают , где  и  – допустимая и пробивная напряженности электрического поля первого масляного канала.

; ,                  (3.13)

где  и  – напряженности в барьере и масляном канале;  и  – соответствующие диэлектрические проницаемости.

Расчет главной изоляции выполняется отдельно для зон середины и краев обмотки. В зоне середины обмотки ширина главного канала между обмотками

,                                    (3.14)

где  – коэффициент, учитывающий увеличение напряженности электрического поля за счет барьера и цилиндричности конструкции.

 – расчетное напряжение (в кВ).

Число барьеров

,                                   (3.15)

Суммарная толщина барьеров

.                         (3.16)

где  – ширина главного масляного канала.

Обычно толщина барьера  мм.

Количество угловых шайб принимают вдвое меньшим, чем количество цилиндрических барьеров.

Расчет главной изоляции в зоне краев обмотки ведут исходя из картины электрического поля при расчетном напряжении. Расстояние между обмоткой и ярмом выбирают в 1,5–2 раза больше, чем между обмотками. В случае, когда расчетная напряженность , увеличивают расстояние до ярма или применяют методы выравнивания поля (экранирование). Значение  определяют на модели.

Для ряда конструкций трансформаторов в силу несовершенства системы защиты от воздействия окружающей среды рабочие напряженности можно уменьшить в два раза:  – для середины обмотки;  – для краев обмотки.

Продольная изоляция. Продольная изоляция включает витковую изоляцию обмоточных проводов и изоляцию между катушками. Витковая изоляция проводов выполняется из слоев кабельной бумаги, накладывается на провод внахлест. Изоляция между катушками состоит из масляного канала шириной 8–30 мм и бумажной изоляции проводов. При необходимости применяют дополнительную подмотку бумагой всей катушки.

Требования к электрической прочности продольной изоляции определяется спецификой переходных процессов при воздействии импульсных перенапряжений. Обмотка трансформатора представляет собой линию с распределенными параметрами (рис. 3.8). Поэтому распределение напряжения по обмотке при импульсных перенапряжениях нелинейно. Кроме того, распределение напряжения по обмотке зависит от режима работы нейтрали. При заземленной нейтрали трансформатора наибольшее напряжение при импульсном воздействии имеет место на расстоянии 1/3 длины обмотки от начала и может на 15–20 % превышать воздействующее напряжение. При изолированной нейтрали наибольшее импульсное напряжение возникает на конце обмотки и может превышать воздействующее напряжение на 50–80 %.

Для выравнивания распределения напряжения по обмотке и электрического поля у краев обмотки при импульсном перенапряжении у катушек входной зоны ставят емкостное кольцо, увеличивающее емкость между катушками входной зоны обмотки. Емкостное кольцо должно быть разрезано. В трансформаторах 500 кВ и выше обмотка выполняется переплетенной (рис. 3.9). Выводы обмотки ВН выполняют из середины обмотки.

Для расчета продольной изоляции исходной величиной является напряжение между катушками  и между витками при импульсном напряжении. Напряженность в масле в аксиальном направлении будет

.                                (3.17)

где  – ширина масляного канала между катушками (8–20 мм);

 – толщина твердой изоляции.

Полученное значение сравнивают с . Необходимая витковая изоляция определяется по зависимости  для импульса .

Изоляция выводов. Для выводов трансформатора характерно неравномерное распределение электрического поля в радиальном и аксиальном направлениях, что может вызвать возникновение местных разрядов в виде короны, а затем скользящих разрядов, приводящих к радиальному пробою и продольным перекрытиям.

Для создания равномерного распределения радиального и аксиального напряжения используют изоляторы конденсаторного типа, в которых принудительное распределение напряжения достигается за счет металлических обкладок, закладываемых в изоляцию в процессе намотки.

На токоведущий стержень наматывается кабельная бумага в виде рулонов или лент. Между слоями бумаги закладываются металлические прокладки из алюминиевой фольги. Бумага высушивается под вакуумом и пропитывается трансформаторным маслом. Остов из токоведущего стержня и намотанной изоляции помещается в фарфоровую покрышку и заливается трансформаторным маслом. Иногда в качестве токоведущего стержня используют высоковольтный кабель.

Для того, чтобы напряжение распределялось по изоляции ввода равномерно, необходимо равенство отдельных емкостей, образующих многослойный конденсатор (рис. 3.10): . Емкость  рассчитывается по следующей формуле

                               (3.18)

Из (3.18) следует, что при одинаковой толщине между обкладками  равенство емкостей достигается при . Поэтому ширина алюминиевой фольги , образующей обкладку, уменьшается по мере удаления от токоведущего стержня (рис. 3.10).

Продольные размеры фарфоровых покрышек  выбираются на основе зависимости разрядного напряжения от разрядного расстояния по воздуху с коэффициентом запаса
1,1–1,65. Длина фарфоровой покрышки в нижней части ввода .

.

, где  – толщина слоя в мм.

Основными факторами, вызывающими старение МБИ являются: 1) воздействие электрического поля и ЧР; 2) увлажнение изоляции за счет проникновения влаги из атмосферы и в результате разложения трансформаторного масла и целлюлозных материалов; 3) окислительные процессы под воздействием повышенной температуры и растворимого в масле кислорода.

В результате всех этих процессов выделяются газы , , , , .

 

Испытания трансформаторов

При выпуске трансформаторы подвергаются всем видам испытаний. Внешняя и внутренняя изоляция испытывается полными и срезанными стандартными импульсами и переменным напряжением промышленной частоты.

При импульсных испытаниях наибольшую трудность представляет обнаружение дефектов продольной изоляции (проколов и пробоев между витками). Для обнаружения этих дефектов используют осциллографирование тока в нейтрали трансформатора. Полученные осциллограммы сравнивают с типовыми для исправных трансформаторов данного типа. По виду осциллограммы удается установить не только наличие замыканий между витками и катушками, но и определить место повреждения.

Если линейные выводы и нейтраль трансформатора имеют изоляцию одинакового уровня, то внутренняя изоляция испытывается напряжением промышленной частоты от постороннего источника, при этом оба конца обмотки изолируются от земли и вся обмотка находится под одним и тем же напряжением. Если нейтраль трансформатора имеет сниженный уровень изоляции, то испытания проводят напряжением повышенной частоты (не выше 400 Гц). При этом на первичную обмотку подают такое напряжение, чтобы на испытуемой обмотке напряжение было равно испытательному, а нейтраль заземляется. Повышенная частота выбирается с таким расчетом, чтобы индукция в сердечнике не превышала величину, равную номинальному значению при частоте 50 Гц.

Кроме испытаний повышенным напряжением измеряют , ,  и интенсивность ЧР. Трансформаторы большой мощности на 110 кВ и выше транспортируются без масла. Поэтому после монтажа подвергаются следующим испытаниям: 1) определяется электрическая прочность заливаемого масла в стандартном разряднике на частоте 50 Гц (  для , и  для ); 2) измеряется ,  и ; 3) измеряют емкости  и , ; 4) измеряют  при различных температурах.  могут измерять для отдельных элементов и зон.

Эксплуатационные испытания проводятся в том же объеме, как и при первом включении, но с напряжением , где  – величина заводского испытательного напряжения. Так как во время эксплуатации имеет место увлажнение изоляции, то допускается несколько большее значение .

В последнее время широко внедряется контроль состояния изоляции по интенсивности ЧР и результатам хроматографического анализа газов.

В соответствии с правилами технической эксплуатации (ПТЭ) необходимо соблюдать тепловой режим, нормы качества масла, состояние системы охлаждения, устройства РПН. Допустимая температура масла в верхних слоях: +95ºC для трансформаторов с естественным масляным охлаждением; +80ºC – с масловоздушным охлаждением; +70ºC – с масловодяным.

Не допускается превышение напряжения более чем на 5 %, т. к. это приводит к увеличению индукции и появлению высших гармоник.