В трансформаторах применяются следующие типы барьеров
Обновлено: 07.07.2024
Конструкция изоляции силовых трансформаторов.
В зависимости от мощности, класса напряжения трансформаторов, принятых испытательных напряжений, промышленной частоты и нормированной импульсной прочности, схем соединений обмоток и способа регулирования напряжения, а также от многих других специфических особенностей конструкции строение главной и продольной изоляции трансформаторов выполняется различно для каждого напряжения [Л. 1, 4, 6]. Здесь мы рассмотрим только принципиальное строение и отдельные типовые конструктивные элементы главной и продольной изоляции трансформаторов.
Рассмотрим вначале основные изоляционные детали и узлы обмотки трехфазного трансформатора 35 кв мощностью 1800 ква (рис. 1-1).
Обмотки НН и ВН (6 и 8) намотаны на бумажно-бакелитовых цилиндрах 5, 7, являющихся как бы каркасом обмотки. В то же время бумажно-бакелитовый цилиндр 7 изолирует обмотки ВН и НН, а цилиндр 5 изолирует обмотку НН от магнитопровода 3.
При относительно небольшой мощности трансформатора до 1 800 ква достаточная поверхность охлаждения катушек непрерывной обмотки получается при устройстве каналов не после каждой катушки, а через одну, т. е. каналы между катушками чередуются с шайбами из электрокартона 17 (рис. 1-1). Для облегчения намотки шайбы делают разрезными. По торцам обмоток НН и ВН устанавливают опорные кольца 11 и 14, склеиваемые из электрокартонных шайб. Внутренний диаметр опорного кольца обычно делают на 2— 5 мм больше внутреннего диаметра обмотки, так как в кольцо входят концы реек, а снаружи кольцо внешней обмотки несколько выступает за обмотку.
Детали радиального крепления удерживают обмотки в концентрическом положении относительно стержня магнитопровода и относительно друг друга и образуют для витков внутренних обмоток опоры, воспринимающие направленные внутрь обмоток радиальные усилия короткого замыкания. Радиальное крепление цилиндра обмотки НН на стержне магнитопровода осуществляется нормализованными деревянными стержнями 1, 2 диаметром 12 и l8 мм и планками 4 (рис. 1-1).
Устройство концевой изоляции, т. е. изоляционных деталей, заполняющих промежуток между торцами обмоток и ярмом и ярмовыми балками, различное в трансформаторах разных мощностей и классов напряжения(Л. 1). Характерными элементами концевой изоляции во всех трансформаторах существующей конструкции является ярмовая и уравнительная изоляции.
Рис. 2-2. Элементы главной изоляции силовых трансформаторов.
а — ярмовая изоляция трансформатора на 380 кв, с вынимающимся секторомг б — ярмовая изоляция трансформатора на 220 кв; в — уравнительная изоляция в виде четырех деревянных планок; г — уравнительная изоляция в виде пластин электрокартона с приклепанными прокладками; д — изоляционная прокладка (мост); е — плоский барьер трехфазного трансформатора напряжением ПО кв с П-образными прокладками; ж — междуфазная перегородка;
— мягкая угловая шайба; 1 — шайба (лист); 2 —прокладка; 3 —вставка — заклепка; 5 — П-образная прокладка; 6 — прессованная дистанционная прокладка,
Рис. 2-3. Главная изоляция класса 110 кв. Двухобмоточный трехфазный трансформатор. Испытательное напряжение обмотки ВН 230 кв. 1 — ярмовая изоляция; 2— шайба с П-образными подкладками; 3—-нижний барьер: 4 —-обмотка НН: 5—угловые шайбы; 6 — рейка обмотки ВН; 7 — обмотка ВН; 5 — цилиндры обмотки ВН; 9 — планка из электрокартона; 10 — емкостное кольцо обмотки ВН; 11 —междуфазная перегородка; 12 — шайба с П-образными подкладками; 13 — шайба с приклепанными подкладками; 14 — стальное нажимное кольцо.
Ярмовая изоляция изолирует обмотки от ярм магнитопровода. Ярмовая изоляция трансформаторов 10— 110 кв представляет собой обычно шайбу из электрокартона толщиной 2—3 мм с приклепанными или приклеенными к ней с обеих сторон прокладками. Прокладки образуют каналы для охлаждения ярма и для прохода масла к обмоткам. Необходимая толщина прокладок (размер канала) увеличивается с ростом диаметра стержня и радиального размера обмотки. Число и расположение прокладок ярмовой изоляции соответствует расположению прокладок между катушками обмоток. Прокладки обычно прикрепляют к шайбе ярмовой изоляции так называемыми заклепками из злектрокартона. Так как сквозная приклепка снижает электрическую прочность изоляционной конструкции, -то при напряжении трансформатора 35 кв и выше прокладки, обращенные к обмоткам, сверлят не насквозь, а на часть толщины. Для прохода концов внутренней обмотки в шайбах ярмовой изоляции делают соответствующие вырезы, а в более мощных трансформаторах для облегчения сборки шайбу делают разрезной— с вынимающимся сектором в зоне концов (рис. 2-2,а). В трансформаторах напряжением 220 кв и выше (рис. 2-2,6) шайба ярмовой изоляции состоит обычно из пяти слоев электрокартона; к верхнему и нижнему слоям приклепаны прокладки, в середину вкладывают три слоя электрокартона, разрезанного на части, удобные для сборки и обеспечивающие перекрытие стыков.
Уравнительная изоляция служит для выравнивания обращенной к обмоткам полки ярмовой балки с плоскостью ярма. В рассматриваемом случае уравнительная изоляция выполнена из дерева (рис. 2-2,0). Дерево для этой цели применяется редко из-за относительно низкой механической прочности его на сжатие. В существующих сериях, начиная с мощности трансформаторов 3 200 ква, применяют уравнительную изоляцию из электрокартона. При этом уравнительную изоляцию изготовляют в виде сегментов и полуколец с наклепанными прокладками (рис. 2-2,г). Ширина прокладок уравнительной изоляции такая же, как и ярмовой изоляции (рис. 2-2,5). Толщина прокладок, расположенных с той и с другой сторон пластины, не одинакова: высота прокладок, обращенных к ярмовой изоляции, должна быть больше, чем со стороны полки ярмовой балки, так как между пластиной уравнительной изоляций и шайбой ярмовой изоляции в промежутки между их прокладками выводятся концы внутренних обмоток. Пластина уравнительной изоляции служит изоляционным барьером между выводным концом и полкой ярмовой балки. Верхние прокладки нижней уравнительной изоляции выполняются более длинными и используются, как подставка для перегородки между обмоткой и баком в трансформаторах напряжением 220 кв и выше.
Рис. 2-4. Разрез обмоток понижающего трехоб-моточного автотрансформатора напряжением 220 кв.
1 — верхняя ярмовая балка; 2 — нейтральный конец обмоток ВН и СН: 3 — изоляционный цилиндр обмотки НН; 4 — стальное прессующее кольцо обмотки НН; 5 — стальное прессующее кольцо обмотки СН; 6 — опорное кольцо обмотки НН (электрокартон); 7 — рейка обмотки НН; 8 — обмотка НН; 9 — цилиндры из электрокартона между обмотками СН и НН; 10 — планки из электрокартона между цилиндрами; 11 — рейка обмотки СН; 12 — обмотка СН; 13 — цилиндры из электрокартона между обмотками ВН и СН; 14 — угловые шайбы; 15 — ярмовая изоляция; 16 — уравнительная прокладка; 17 — нижняя ярмовая балка; 18 — прессующее кольцо обмотки ВН; 19 —обмотка ВН.
с РПН в нейтрали.
В трансформаторах малой и средней мощности напряжением до 15 кв размеры изоляционного промежутка от обмоток до ярма и ярмовой балки относительно невелики. Поэтому концевую изоляцию обычно осуществляют в виде деревянных подкладок или деталей из электрокартона, как бы совмещающих в себе и ярмовую и уравнительную изоляции.
Рис. 2-6. Бумажно-масляная главная изоляция силового трансформатора высокого напряжения (фирма Броун-Бовери, Швейцария).
1 — стержень магнитонровода; 2 — обмотка НН; 3 — бумажно-бакелитовый цилиндр; 4 — бумажный цилиндр; 5 — обмотка ВН; 6 — отворот бумажного цилиндра; 7 — прокладка между отворотами.
В главной изоляции обмоток напряжением ПО кв с вводом на конце с испытательным напряжением 230 кв устанавливают два изоляционных цилиндра с угловыми шайбами (рис. 2-2,з). Обмотки ВЫ трансформаторов этих напряжений выполняются с емкостной защитой и запрессовкой посредством стальных колец.
В конструкциях с нажимными кольцами осевой запрессовки обмоток ярмовая и уравнительная изоляции применяются только внизу; вверху концевую изоляцию образуют другие детали (рис. 2-3 и 2-4).
Изоляционные цилиндры 8 — мягкие, толщиной б мм — наматываются из заготовок электрокартона. Высота заготовки равна требуемой высоте цилиндра, стыки частей одного слоя перекрываются и находятся в пролете между рейками обмотки 6 или планками 9, образующими канал между цилиндрами. Угловая шайба 5 представляет кольцевой Г-образный барьер, охватывающий край обмотки. Цилиндрическая и горизонтальные части угловой шайбы расположены вблизи края обмотки примерно перпендикулярно силовым линиям электрического поля и затрудняют развитие пробоя в масле как в радиальном направлении, так и в сторону ярма.
Рис. 2-7. Изоляционные детали из прессованного (склеенного) электрокартона.
а — прокладки: прямоугольная со скосом, фигурная; П-образная; б — рейка; в — кольцо с пазами.
Шайбу (рис. 2-2,з) собирают послойно, из заготовок рольного электрокартона. Надрезы у двух соседних слоев картона должны быть смещены, чтобы не получилось сплошной щели. После сборки угловую шайбу 5 сшивают у торца цилиндрической части и у края отворота и устанавливают, как показано на рис. 2-3. Теперь путь поверхностного разряда будет довольно сложным, необходимо обогнуть два цилиндра и по крайней мере один вертикальный отворот угловой шайбы.
В рассматриваемом трансформаторе установлено по два барьера в верху и в низу обмоток ВН. При испытательном напряжении 200 кв ставят по одному барьеру. Барьеры могут быть плоскими и угловыми. Каналы по обе стороны барьера и перегородки образуются П-образными прессованными прокладками, надеваемыми на барьер со стороны отверстия.
Устройство междуфазных перегородок И барьеров изменяется, если в трехфазном трансформаторе применены обмотки ВН с двумя параллельными ветвями с вводом на конце или с вводом посередине. На рис. 2-4 представлено строение главной продольной изоляции трехфазных трехобмоточных автотрансформаторов с сочетанием напряжений 220/139/НН /кв, с РПН в общей нейтрали ВН—НН, со следующими испытательными напряжениями: ВН — 460 кв, СН — 230 кв; нейтрали — ВН-СН — 85 кв.
Рис. 2-8. Схема устройства барьеров между фазами в трехфазных трансформаторах.
а — обмотка ВН с вводом посредине; б — обмотка ВН с вводом на конце, нейтраль внизу; в — обмотка ВН с вводами вверху и внизу, нейтраль посредине.
Конструкция и размеры ярмовой изоляции выполнены с учетом вывода регулировочных отводов регулировочной обмотки под прессующими кольцами.
На рис. 2-5 показано строение главной и продольной изоляций трансформатора напряжениемс РПН в ней
с вводом в середину, обмотка СН — непрерывная с двумя уступами, обмотка РО — шестиходовая спираль и включена в нейтраль обмоток ВН и СН, обмотка НН— непрерывная или винтовая.
Бумажно-масляная главная изоляция силового трансформатора высокого напряжения показана на рис. 2-6. Как видно из прилагаемых схем строения главной и продольной изоляции, элементы изоляции, как правило, остаются неизменными, однако общее строение изоляции трансформатора с ростом напряжения значительно усложняется.
На рис. 2-7 и 2-8,а, б, в показаны барьеры и изоляционные детали из прессованного электрокартона. Технологические процессы изготовления элементов изоляции будут изложены в гл. 8 и 9.
Конструкция изоляции трансформаторов
Для силовых трансформаторов малой мощности напряжением до 35 кВ применяются в основном обмотки цилиндрические двухслойные или многослойные.
Обмотки выполняются спирально в несколько слоев на бумажно-бакелитовый цилиндр. Между некоторыми слоями делают масляные каналы. Большое распространение имеют непрерывные катушечные обмотки. Каждый виток состоит из двух-трех параллельных проводов. Катушка собирается из двух-трех десятков витков. Между катушками для изоляции и охлаждения делают масляные каналы. Переходы между катушками располагают поочередно с внутренней и внешней стороны обмотки. Такая обмотка применяется для трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, а также для трансформаторов большой мощности напряжением 3—6 кВ. Если непрерывную обмотку трудно собрать, то применяют дисковую, состоящую из ряда отдельно намотанных катушек.
Рис. 1. Основные конструкции обмоток:
а - цилиндрическая слоевая: б - катушечная непрерывная; в дисковая; 1.2.3.4. номера каналов между дисками
Рис. 2. Классификация изоляции трансформаторов
Изоляция трансформаторов подразделяется на внутреннюю (изоляция внутри бака) и внешнюю (воздушные промежутки на вводах, между вводами и баком трансформатора и между самими вводами). Изоляция внутри ввода выделяется отдельно. На рис. 2 показана классификация изоляции трансформаторов. Внутренняя изоляция делится на изоляцию обмоток и изоляцию отводов, в которую включается и изоляция переключателей. Изоляция обмоток, в свою очередь, подразделяется на главную и продольную. Главная изоляция защищает обмотки друг от друга и от заземленных частей. Продольная изоляция изолирует отдельные участки одной и той же обмотки (изоляция между витками, катушками, слоями и т. д.).
Под действием напряжения в трансформаторе происходит сложный электромагнитный процесс, который приводит к местным перенапряжениям на изоляции между катушками, между обмотками и изоляцией обмоток относительно заземленных частей. Основой для выбора изоляционных расстояний служит расчет перенапряжений в обмотках. Уменьшить влияние перенапряжений на главную и продольную изоляцию трансформатора можно путем рациональной конструкции обмоток и введением в конструкцию изоляции специальных устройств (экранирующие кольца, компенсирующие экраны и т. п.).
Класс изоляции обмоток трансформатора определяет не только конструкция изоляции, изоляционные расстояния, качество изоляционных материалов, но и технология обработки изоляции (сушка, вакуумирование, пропитка сухим дегазированным трансформаторным маслом). В качестве твердой изоляции применяются: материалы, изготовленные на основе целлюлозы (электротехнический картон, кабельная бумага и т. п.); текстолит; стеклолента; фарфор и др. Жидкой изоляцией является трансформаторное масло.
Токоведущие части масляных трансформаторов (обмотки, переключатели ступеней напряжения, отводы из обмотки вводов, соединительные провода) находятся в баке, залитом трансформаторным маслом. Главная изоляция включает в себя масляные каналы и барьеры изолирующих цилиндров. Благодаря тому что барьеры препятствуют образованию проводящих мостиков в масле, электрическая
прочность изоляционной конструкции значительно повышается.
Рис. 3. Бумажно-масляная изоляция силового трансформатора высокого напряжения:
1 — стержень магнитопровода; 2 - обмотка низкого напряжения: 3— бумажно-бакелитовый цилиндр; 4 обмотка высокого напряжении: 5— отвод бумажного цилиндра: 6 прокладка между отводами
Рис. 4. Конструкция изоляции трехобмоточного автотрансформатора 500 кВ
Так как на концах обмотки электрическое поле неоднородно, то создается опасность поверхностного разряда по барьеру. Поэтому изолирующие цилиндры выпускают за края обмоток. Для класса изоляции 110 кВ и выше изолирующие цилиндры дополняют угловыми шайбами. Продольная изоляция для трансформаторов 110 кВ и выше состоит из изоляции, покрывающей провода и катушки, а также масляных каналов между катушками. Обмотки имеют компенсирующие экраны.
Обмотка трансформатора напряжением 500 кВ имеет петлевую конструкцию, и в этом случае отпадает необходимость устанавливать компенсирующие экраны. Угловые шайбы устанавливаются между обмотками и на внешней стороне.
Маслобарьерная изоляция допускает применять рабочее напряжение 1—2 кВ/см. Схема такой изоляции показана на рис. 4.
Значительно большее рабочее напряжение допускается при бумажно-масляной изоляции. Трудность выполнения изоляции этого типа заключается в том, что бумага должна плотно прилегать к катушкам. При наличии больших зазоров между катушкой и бумагой электрическая прочность изоляции резко снижается.
Как уже указывалось выше, во время работы трансформатора изоляция стареет. Окисление и увлажнение трансформаторного масла, увлажнение твердой изоляции приводят к ухудшению их первоначальных свойств. Влага в изоляцию трансформатора может проникнуть извне или образоваться внутри самого трансформатора в результате окисления трансформаторного масла. Во вновь изготовленных трансформаторах после сушки содержание влаги и твердой изоляции не должно превышать 0,5% массы изоляции. После 10—15 лет эксплуатации это значение может достигнуть 1% и более, но не должно превышать 4—5%. В зависимости от размеров трансформатора и условий эксплуатации рост влагосодержания в год колеблется от 0,1 до 0,3%.
Так как изоляция трансформаторов гигроскопична и может увлажниться при разгерметизации трансформаторов во время их монтажа, то для предупреждения этого в течение всего времени разгерметизации в бак трансформатора подается глубоко осушенный воздух с точкой росы не выше — 50° С. Осушка и подача воздуха производится установкой «Суховей» (разработана трестом «Электроюжмонтаж»). Принцип работы установки следующий: сжатый воздух (0,6—0,8 МПа) проходит через влагоотделитель (предварительная сушка) и затем через адсорберы (окончательная сушка).
На рис. 5 показана принципиальная схема установки «Суховей». Требуемая степень осушки воздуха обеспечивается в течение не менее 10 ч при работе одного адсорбера без подогрева воздуха. Одновременно следует готовить второй адсорбер к работе. Для этого часть сухого воздуха направляется во второй адсорбер. После осушки отключают нагреватель и охлаждают цеолиты, затем меняют режим работы. Такое последовательное чередование режимов обеспечивает длительную работу установки. Переключения производятся при помощи вентилей вручную. Точка росы воздуха на выходе из установки определяется прибором ВИГ-2Н (разработан производственным объединением «Запорожтрансформатор»). Воздух в приборе направляется на полированную металлическую пластинку и выходит через отверстие в смотровом стекле. Пластина охлаждается сжатым углекислым газом, который подается внутрь прибора. Температуру понижают до тех пор, пока на поверхности пластины не появится роса. Температура пластины в момент выпадения росы является точкой росы выходящего из установки воздуха. Схема прибора показана на рис. 6.
При разгерметизации трансформатора температура активной части его должна быть не ниже +10° С, причем при полной разгерметизации температура активной части должна превышать температуру росы окружающей среды не менее чем на 10 ° С и при частичной — не менее чем на 5° С. Открывать заглушки трансформатора нельзя, если относительная влажность окружающей среды будет больше 85%.
Рис. 6 Прибор для измерения точки росы воздуха:
1 — штуцер для ввода испытуемого воздуха (газа); 2 — смотровое окно (стекло); 3 — полированная пластина; 4 — штуцер для подачи сжатого углекислого газа; 5 — латунный цилиндр; 6 — корпус; 7 — отверстие для выхода углекислого газа; 8 — термометр; 9 — ацетон; 10 — отверстие для выхода испытуемого воздуха (газа).
Изоляция трансформаторов
Существуют следующие виды изоляции маслонаполненного электрооборудования: маслобарьерная изоляция, когда заполненные маслом промежутки перегорожены барьером из твердого изоляционного материала. В однородных и слабонеоднородных полях барьер перегораживает путь проводящим цепочкам между электродами. В неравномерном электрическом поле барьер, установленный вблизи электрода с большей напряженностью, повышает разрядное напряжение на 30—50% при длительном приложении напряжения промышленной частоты.
Рис. 16. Влияние тонкого барьера на пробивное напряжение (50 Гц) трансформаторного масла в резконеоднородном поле
В масляном промежутке так же, как и в газовом, в резконеравномерном поле разряды в стадии короны растекаются по барьеру и выравнивают поле между барьером и плоскостью. Лучшие результаты (наивысшее разрядное напряжение) получаются, когда барьер установлен от стержня на расстоянии, равном 0,1 d—0,25 d, где d — диаметр стержня. В резконеоднородном электрическом поле коронный разряд может возникнуть при напряжении, значительно меньшем, чем пробивное, и охватить весь промежуток между электродом и барьером. При импульсах коронный разряд не разрушает барьера, но при длительном приложении напряжения корона постепенно разрушает барьер, что приводит к снижению пробивного напряжения всего изоляционного промежутка. Поэтому возникновение коронного разряда при рабочем напряжении недопустимо.
Рис. 17. Зависимость пробивной напряженности электрического поля для бумажно-масляной изоляции от толщины листа бумаги
Ионизационный пробой изоляции.
В пузырьках газа, которые могут быть в технической изоляции, напряженность поля возрастает, причем электрическая прочность газа ниже прочности твердых диэлектриков и трансформаторного масла. В газовом включении возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, химическое и механическое воздействие. В изоляции может развиться дефект, который в конечном итоге приведет к пробою изоляции. Такая форма пробоя называется ионизированным пробоем
В твердой синтетической изоляции (полиэтилен, полистирол) происходит микроскопическое разрушение материала, что приводит к увеличению объема, занимаемого газом. Возникает канал. Удлинение канала приводит к возрастанию энергии, которая рассеивается в диэлектрике и ускоряет процесс разрушения материала. Повышенная температура в канале вызывает образование веществ типа смол, в результате чего канал становится электропроводящим. В этом случае происходит электрическая или тепловая форма пробоя.
Для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции характерен ионизационный пробой.
Газовые включения могут остаться в изоляции при ее изготовлении или образоваться в результате нагрева имеющейся в изоляции влаги или других примесей. При разряде в газовых пузырьках выделяется тепло, под действием которого масло разлагается, выделяя новые пузырьки зо газа. Этот процесс похож на кипение масла. Ионизация в газовых включениях продолжается до тех пор, пока продукты разложения изоляции, как твердой, так и жидкой, не заполнят весь объем газовых включений. В твердой изоляции образуются каналы, наполненные смолистыми веществами с низкими изоляционными свойствами, или обуглероженные каналы высокой проводимости. На концах этих каналов поля высокой напряженности ведут к образованию новых пузырьков газа и дальнейшему развитию разряда. По форме такой разряд похож на ствол дерева с ветвями, поэтому носит название ветвистого разряда. По времени ионизационный пробой развивается довольно медленно, поэтому импульсное воздействие практически не снижает изоляционной прочности. Но каждый импульс оставляет необратимый след, и при большом числе импульсов электрическая прочность изоляции значительно снижается.
Ионизационные процессы в изоляции характеризуются следующими величинами: критическим напряжением изоляции i/Kри— напряжением, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ионизационный пробой изоляции за относительно короткий срок; начальным напряжением ионизации UH>и — напряжением, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.
Испытательное напряжение не должно быть выше Uкр,и. а рабочее напряжение не должно превышать UH и. Значительно повысить допустимое рабочее напряжение бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции можно тщательной обработкой трансформаторного масла (очисткой от механических примесей, глубокой осушкой цеолитами и дегазацией); вакуумной сушкой твердой изоляции и пропиткой ее дегазированным трансформаторным маслом под вакуумом; применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона и пр.); применением литых изделий из целлюлозы и пластмасс.
Ионизационные процессы при постоянном напряжении протекают не так, как при переменном. При постоянном напряжении редко происходят повторные пробои газовых включений, поэтому для развития ионизационного процесса требуется значительно большая напряженность электрического поля, чем при переменном напряжении.
Старение изоляции.
Понятие «старение» включает в себя все процессы, происходящие в изоляции во время эксплуатации трансформатора под действием высоких напряженностей электрического поля, высокой температуры, увлажнения; загрязнения и т. п.
Рис. 18. Векторная диаграмма напряжения и тока в изоляции, находящейся под напряжением промышленной частоты
Особенно сильно разрушают твердую изоляцию, вызывая ее растрескивание и снижение механической прочности, увлажнение и высокая температура. При увеличении содержания влаги в хлопчатобумажной изоляции с 0,5 до 1,1% срок службы изоляции сокращается в 6 раз [8]. Старение трансформаторного масла выражается в его окислении. Чтобы предупредить окисление, из масла удаляют воздух (дегазируют масло) и устраняют возможность соприкосновения залитого в трансформатор масла с окружающим воздухом (пленочная и азотная защита). Электрическая прочность изоляции под действием естественного старения снижается годами и зависит от качества изоляционных материалов, конструкции изоляции и культуры эксплуатации. При нормальных условиях изоляция должна работать десятки лет. Для имеющей наибольшее распространение изоляции класса А максимальная температура может равняться 105° С, при которой срок службы изоляции равен примерно 7 годам. Превышение температуры на 8° С сверх максимальной сокращает срок службы изоляции вдвое.
Когда через диэлектрик проходит ток, то происходит его нагрев. Потери энергии на нагрев называются диэлектрическими и возникают при промышленной частоте в основном за счет поляризации диэлектрика.
Из векторной диаграммы токов видно, что отношение IJ1C=tg6, где /а — суммарный активный ток; 1С —суммарный емкостный ток; tg б характеризует диэлектрические потери в изоляции и является показателем наличия в изоляции посторонних включений, а также и увлажнения изоляции; tg б также является универсальным показателем при измерении объектов различных емкостей, т. е. габаритов, так как величина tg 6 зависит не от абсолютного значения емкости измеряемого объекта, а от отношения Со/С».
В табл. 1 даны предельные значения tgfi эксплуатации.
Таблица 1
Изоляция аппаратов высокого напряжения - Расчет и конструкция изоляции трансформаторов тока
В изоляции трансформаторов тока различают:
А. Главную изоляцию — между первичной обмоткой и вторичной, а также между первичной обмоткой и землей.
Б. Междувитковую изоляцию как в первичной, так и во вторичной обмотках.
Для трансформаторов тока наружной установки, кроме того, различают:
а) внешнюю изоляцию, которая обычно представляет собою полый фарфоровый изолятор (покрышку), вмещающий обмотки трансформаторов тока;
б) внутреннюю изоляцию, т. е. изоляцию обмоток; она не подвержена атмосферным воздействиям, поскольку защищена внешней изоляцией.
Внешняя изоляция определяется требованиями к сухо- и мокроразрядному напряжениям трансформатора тока. Внутренняя изоляция его первичной обмотки должна иметь запас прочности по отношению к сухоразрядному напряжению, указанный в гл. I.
Требования к изоляции вторичных обмоток трансформаторов тока обычно сводятся к тому, что они должны выдерживать испытательное напряжение относительно земли (2 кВ, а для шинных трансформаторов тока на 0,5 кВ, у которых сердечник имеет потенциал шины, — 3 кВ; см. ГОСТ 1516-60 и ГОСТ 7746-55) и не должны иметь витковых замыканий.
В ряде конструкций трансформаторов тока на зажимах вторичной обмотки может появиться повышенное напряжение, опасное для обслуживающего персонала и для прочности изоляции обмотки (когда по первичной обмотке аппарата проходит ток, а вторичная обмотка по каким-либо причинам оказалась разомкнутой). Это напряжение достигает подчас нескольких киловольт.
В стандартах некоторых стран выдвигается требование, чтобы вторичные обмотки трансформаторов тока выдерживали режим холостого хода, т. е. собственное напряжение на разомкнутых концах, когда первичная обмотка находится под током. При этом иногда оговаривается допустимое время нахождения трансформатора тока в таком режиме.
Напряжение на зажимах первичной обмотки в рабочем режиме очень мало и может быть подсчитано по формуле:
(15-1)
где L1— индуктивность первичной обмотки.
Данные об этой индуктивности для некоторых трансформаторов тока приведены в табл. 15-1 [Л. 15-1].
Таблица 15-1
Индуктивности первичных обмоток некоторых типов трансформаторов тока
При падении на первичную обмотку трансформатора тока импульсной волны междувитковая изоляция обмотки подвергается воздействию значительных напряжений.
Для защиты от таких воздействий применялись шунтирующие нелинейные сопротивления (разрядники).
Однако сейчас от них отказались. Опыт эксплуатации показывает что случаи междувитковых замыканий в трансформаторах тока наблюдаются исключительно редко.
2. Фарфоровая изоляция трансформаторов тока
До последнего времени в качестве главной изоляции трансформаторов тока на относительно низкие и средние напряжения особенно широко применялась фарфоровая изоляция.
Можно было бы отметить, что по данным ОРГРЭС трансформаторы тока на напряжение 3—10 кВ составляют 92,5% всего количества трансформаторов тока на все напряжения [Л. 15-2]. Именно для трансформаторов тока на эти напряжения и используется в основном фарфоровая изоляция.
Широко распространенным типом трансформаторов тока (особенно для промышленной энергетики) являются катушечные трансформаторы тока. Один из выпускаемых нашей промышленностью катушечных трансформаторов тока (тип ТКФ) показан на рис. 15-1.
Рис. 15-1. Катушечный трансформатор тока типа ТКФ.
1 — первичная обмотка; 2 — фарфоровой изолятор; 3 — вторичная обмотка; 4 — сердечник; 5 — шайба с вырезом.
Выгодной особенностью катушечных трансформаторов тока, обеспечивающей их дешевизну, является то обстоятельство, что намотка как первичной, так и вторичной обмотки может быть механизирована.
Электрическая прочность данной изоляционной конструкции невелика. Это обусловлено весьма сжатыми габаритами, малыми расстояниями между первичной обмоткой и внутренней поверхностью окна сердечника, а также наличием в электрическом поле узких воздушных зазоров, включенных последовательно с фарфоровой изоляцией.
Прочность промежутка между первичной обмоткой и внутренней поверхностью окна сердечника может быть рассчитана так же, как для промежутка «острие — плоскость».
Электрическую прочность воздушных зазоров между обмоткой и фарфором, а также между фарфором и боковой внутренней поверхностью окна сердечника, можно рассчитать по формуле для плоского диэлектрика.
Указанные особенности катушечных трансформаторов тока приводят к тому, что они применяются при относительно низких напряжениях (500 3000 в).
С целью увеличения электрической прочности катушечных трансформаторов тока в зазор между катушкой и внутренней поверхностью окна сердечника вкладывается П-образный изоляционный барьер.
Соединение барьера с телом фарфоровой изоляции привело к тому, что появился новый тип изоляции трансформаторов тока — фарфоровый изолятор со взаимно перпендикулярными каналами (тип ТФФ, рис. 15-2).
Дальнейшее развитие этого принципа приводит к более сложным конфигурациям фарфора, в которых первичная обмотка находится в закрытом фарфоровом канале на всем своем протяжении. Так, рис. 15-3 показывает трансформатор тока типа ТФ-10 на 10 кВ с подобной фарфоровой изоляцией сложной формы. Рис. 15-4 дает представление о фарфоровом изоляторе для трансформатора тока указанного типа.
Изоляция подобного рода удовлетворительно работает при условии исключения из электрического поля узких воздушных зазоров, которые могут вызывать раннюю ионизацию.
Рис. 15-2. Схема катушечного трансформатора тока типа ТФФ.
1 — первичная обмотка: 2 — фарфоровый изолятор; 3 — вторичная обмотка; 4 — сердечник; 5 — изоляционная прокладка.
Рис. 15-3. Трансформатор тока ΤΦ-ΐυ.
Рис. 15-4. Фарфоровый изолятор для трансформатора тока ТФ-10.
Рис. 15-5. Трансформатор тока типа ТПФ-10.
Для этой цели близко лежащие к первичной обмотке поверхности фарфора должны быть металлизированы или покрыты проводящей краской, полупроводящей глазурью и т. п. Применяется также заполнение внутренней полости изолятора графитированным песком.
Для повышения напряжения скользящих разрядов на фарфоре сделаны «козырьки», т. е. выступы с закруглениями, покрытыми проводящим слоем. Таким образом, заземленная поверхность изолятора заканчивается закруглением относительно большого радиуса, прикрытым фарфором.
Рис. 15-7. Проходной изолятор для трансформатора тока типа ТПОФ-10.
Рис. 15-6. Электрическое иоле проходного изолятора трансформатора тока типа ТПФ-10. 1 — проводящая поверхность; потенциал земли; 2 — проводящая поверхность; потенциал первичной обмотки.
Перенесение электрической нагрузки полностью на фарфор повышает требования к электрической прочности фарфора и ограничивает применение подобной изоляции напряжениями 6—10 кВ.
Следует отметить, что в силу этого она не получила массового распространения.
Другой конструктивный принцип воплощен в проходных трансформаторах тока с фарфоровой изоляцией типа ТПФ-10 на 10 кВ. Чертеж такого трансформатора тока (рис. 15-5) показывает, что здесь используются два фарфоровых проходных изолятора, через которые последовательно пропускаются витки первичной обмотки.
Поскольку трансформаторы этого типа являются предметом массового выпуска, в конструкции их максимально сокращена длина изоляторов, что дает экономию меди первичной обмотки.
Развитие скользящих разрядов на этих изоляторах предотвращается наличием фарфоровых «козырьков» (А и Б, рис. 15-6) на краях электродов. На рис. 15-6 показана примерная форма электрического поля в изоляторах ТПФ-10 и поверхности, которые не глазуруются, а покрываются проводящей графитовой краской. Наружная поверхность фарфора в средней части изолятора заземляется.
На каждом конце изолятора также имеется проводящий слой. Он электрически соединяется с проводящим слоем на внутренней поверхности проходного изолятора и с первичной обмоткой трансформатора тока (ввод Л2). Эти проходные изоляторы весьма экономичны и производство их хорошо освоено, несмотря на сложную форму фарфора.
При больших номинальных токах (400—1500 а) широко применяются так называемые одновитковые или стержневые трансформаторы тока с фарфоровой изоляцией (типа ТПОФ на 10 и 20 кВ). Проходной изолятор трансформатора тока ТПОФ-10 показан на рис. 15-7. В этих трансформаторах тока первичной обмоткой является прямолинейный стержень (или труба), проходящий внутри изолятора и образующий часть единственного первичного витка трансформатора.
Фланец такого трансформатора тока при токах свыше 600— 750 а во избежание нагрева сильным магнитным полем стержня изготовляется из немагнитного материала и закрепляется на средней части изолятора при помощи механического крепления.
Длина изолятора у одновитковых трансформаторов тока может быть различной в связи с тем, что набор сердечников у них может иметь различную высоту, зависящую от их количества (1 или 2), от класса точности и от номинального тока.
Изоляция силовых трансформаторов
Изоляция силовых трансформаторов разделяется на внешнюю (воздушную) и внутреннюю. Внешняя изоляция трансформаторов состоит из воздушных промежутков: между вводами и заземленным баком, между вводами различных обмоток, а также вдоль фарфоровых покрышек вводов. Ее выбор производят аналогично выбору соответствующей изоляции любого другого подстанционного электрооборудования.
К внутренней изоляции относят:
Изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную. К главной изоляции относят:
К продольной изоляции относят витковую изоляцию между катушками или слоями витков.
Габариты и конструкция продольной изоляции определяются грозовыми перенапряжениями. С целью снижения напряжения на продольной изоляции при импульсных воздействиях применяют емкостные экраны и так называемые переплетенные обмотки, в которых витки соединяются друг с другом в определенной последовательности.
При этом соседние витки оказываются под существенно разными потенциалами, и снижение импульсных напряжений достигается ценой увеличения рабочего напряжения на продольной изоляции. Однако это позволяет все же несколько уменьшить габариты продольной изоляции.
Основные габариты главной изоляции трансформаторов до последнего времени также определялись грозовыми перенапряжениями. Однако сейчас ситуация существенно изменилась в связи с широким внедрением в электрических системах номинальных напряжений 330 кВ и выше, для которых основное значение приобретают внутренние перенапряжения. Если перенапряжения этого вида удастся эффективно ограничить, на первый план выступит длительная электрическая прочность, которая, видимо, уже в недалеком будущем станет определяющим фактором при выборе изоляционных расстояний в главной изоляции трансформаторов.
На конструкцию изоляции трансформаторов сильное влияние оказывает то обстоятельство, что в активных частях трансформатора, т. е. в меди обмоток и в магнитопроводе, при работе выделяется большое количество тепла. Это заставляет выполнять изоляцию так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части.
В современных силовых трансформаторах в качестве главной используется преимущественно маслобарьерная изоляция, а на отдельных участках, например на отводах, применяется изолирование. Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной либо с помощью изолирования и покрытия витков и катушек обмотки.
Маслобарьерная изоляция обладает достаточно высокой кратковременной электрической прочностью и позволяет интенсивно охлаждать конструкцию за счет циркуляции масла. Для того чтобы барьеры были эффективными, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путем применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы.
В трансформаторах в основном применяют три типа барьеров: цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба. Количество картонных барьеров и их расположение различаются в зависимости от номинального напряжения и от конструкции трансформатора. Для улучшения конфигурации электрического поляна краюобмотки ивыравнивания начального распределения напряжения вдоль по обмотке при грозовых перенапряжениях у катушек входной зоны обмотки ставят емкостное кольцо, увеличивающее емкость между этими катушками и точкой входа в обмотку. Емкостное кольцо должно иметь разрыв с целью устранения тока в контуре кольца.
Рис. 2.5. Конструкция изоляции трансформатора 35 кВ: 1 – магнитопровод: 2 – бакелитовые цилиндры; 3 – щитки из электрокартона
Распределение импульсного напряжения по обмотке при грозовых перенапряжениях может быть улучшено также за счет увеличения продольной емкости между катушками и витками обмотки. Это достигается путем использования переплетенной обмотки.
Изоляция силовых трансформаторов
Изоляция силовых трансформаторов с металлическим баком разделяется на внешнюю и внутреннюю. Внешняя изоляция составлена воздушными промежутками между вводами, между вводами и заземленным баком, а также по поверхности фарфоровых покрышек вводов. К внутренней изоляции относят изоляционные промежутки внутри бака: изоляцию обмоток, масляной части вводов, отводов и вспомогательных устройств.
Изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную. Главная изоляция составлена изоляцией между обмотками, между обмотками и магнитопроводом, междуфазной изоляцией между наружными катушками двух соседних стержней и изоляцию наружной катушки от стенки бака. К продольной изоляции относят изоляционные промежутки между витками, между слоями витков и между катушками одной обмотки. Габариты главной и продольной изоляции при напряжениях до 220 кВ включительно определяются грозовыми перенапряжениями. Конструкция изоляции должна обеспечивать охлаждение активных частей трансформатора.
Рисунок 4.1- Общий вид главной изоляции обмоток трансформаторов
Главная изоляция выполняется преимущественно маслобарьерного типа, обладающая высокой импульсной электрической прочностью и обеспечивающая интенсивное охлаждение обмоток и магнитопровода. Эта изоляция представляет собою трансформаторное масло с барьерами из электротехнического картона. Общий вид такой изоляции показан на рис. 4.1. Набор барьеров составляют из трех основных видов: цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба.
Барьеры разделяют один большой масляный промежуток на несколько меньших, что увеличивает общее пробивное напряжение. Для наибольшего эффекта барьеры должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля.
Рисунок 4.2 - Вертикальное (а) и горизонтальное (б) сечение масляных каналов
Для обеспечения циркуляции масла и отвода тепла сооружают масляные каналы двух основных видов (рис. 4.2):
- вертикальные каналы между цилиндрическими барьерами и между барьерами и обмоткой с помощью вертикальных реек;
- горизонтальные каналы между витками с помощью горизонтальных прокладок, которые служат одновременно для крепления вертикальных реек.
Характерное строение главной изоляции трансформаторов напряжением 35 кВ и 110 кВ показано на рис. 4.3.
В трансформаторах 220 кВ и выше часто делают ввод в середину катушки, что приводит к уменьшению напряжения на краях катушки.
Продольная изоляция силовых трансформаторов выполняется обычно слоями электроизоляционной бумаги, накладываемой поверх провода.
Рисунок 4.3 - Главная изоляция трансформаторов 35 кВ (а) и 110 кВ (б)
Читайте также: