2.1.4. Изоляция силовых трансформаторов

Внешняя и внутренняя изоляция. Внешняя изоляция силовых трансформаторов состоит из воздушных промежутков между вводами различных обмоток; изоляция вдоль фарфоровых покрышек вводов. Выбор внешней изоляции аналогичен выбору соответствующей изоляции любого другого подстанционного оборудования. К внутренней изоляции силовых трансформаторов относят изоляцию обмоток, масляной части вводов, отводов и вспомогательных устройств (переключателей и др.). В свою очередь, изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную. К главной изоляции относят изоляцию между обмотками, между обмоткой и магнитопроводом, между наружными обмотками двух соседних стержней магнитопровода (междуфазную) и изоляцию наружной обмотки от стенки бака. К продольной изоляции относят витковую изоляцию, изоляцию между катушками или слоями витков.

Главная изоляция силовых трансформаторов общего назначения отечественного производства выполняется как изоляция маслобарьерного типа и состоит из чередующих барьеров из электрокартона и масляных каналов. В результате разделения барьерами одного большого изоляционного промежутка на несколько меньших, электрическая прочность изоляции увеличивается.

Наибольший эффект увеличения электрической прочности достигается, когда барьер располагается перпендикулярно силовым линиям поля, благодаря чему отсутствует тангенциальная составляющая напряжённости электрического поля вдоль поверхности картона. При конструировании трансформаторов это учитывают, с одной стороны, соответствующим размещением барьеров и, с другой стороны, приданием токоведущим и заземлённым частям таких форм, которые уменьшают неравномерность поля.

Обмотки трансформатора выполняют из обмоточного провода круглого или прямоугольного сечения с бумажной изоляцией.

В маслобарьерной изоляции наиболее нагружены прослойки масла. Электрическая прослойка масла в 3-4 раза меньше прочности пропитанного электрокартона, поэтому нарушение электрической прочности маслобарьерной изоляции начинается с пробоя масляного канала.

Частичные разряды. При пробое масляного канала ток, протекающий через изоляцию в месте пробоя масла, ограничен сопротивлением последовательно включенной неповреждённой части изоляции, и полной потери изоляционных свойств не происходит. Такой пробой является по существу частичным разрядом (ЧР) достаточно большой интенсивности. Понятие ЧР в изоляции охватывает местные разряды в различного рода “включениях” внутри изоляции в виде частичных пробоев или на поверхности изоляции в виде короны и скользящих разрядов. Различают следующие виды ЧР: начальные ЧР, имеющие слабую интенсивность и не приводящие к заметному разрушению изоляции или к заметному уменьшению напряжения ЧР, при кратковременном воздействии; критические ЧР, имеющие значительную интенсивность и вызывающие быстрое разрушение изоляции, в ряде случаев сопровождающееся снижением напряжения возникновения критических частичных разрядов (U_кр). Для каждого из указанных видов ЧР имеет место своё напряжение возникновения и напряжение погасания ЧР. Напряжение, при котором появляется ЧР слабой интенсивности, называют начальным напряжением ЧР. Напряжение, при котором интенсивность ЧР резко возрастает, называют напряжением критических ЧР. Частичные разряды в масляном канале маслобарьерной изоляции силового трансформатора имеют большую интенсивность, обычно с кажущимся зарядом порядка 10^-7 … 10^-6 Кл и более. При этом в месте пробоя масла из-за выделившейся энергии и высокой температуры канала разряда образуются необратимые повреждения твёрдой изоляции (картона, бумаги). Эти повреждения могут быть причиной развития разрядов вдоль поверхности картона или в его толще. В дальнейшем возможно появление сильного разветвлённого облучённого канала, получившего название “ползущего разряда”, охватывающего большие поверхности барьера и приводящего к полному пробою изоляции.

Частичные разряды в виде короны в чисто масляном промежутке при воздействии рабочего напряжения или перенапряжения представляют существенно меньшую опасность, чем аналогичные ЧР в маслобарьерной изоляции, так как в последнем случае, как было указанно выше, эти ЧР могут привести к необратимым разрушениям твёрдой изоляции. Кроме пробоя масляного канала, который отождествляют с пробоем маслобарьерной изоляции, можно выделить следующие ЧР в изоляции силовых трансформаторов:

- пробой масляного зазора в месте соприкосновения изолированного провода с электрокартоном или бумагой (изоляция перемычек, прокладки между катушками);

- ЧР в бумажно-масляной изоляции на отводах, перемычках и т.п.;

- частичный пробой витковой изоляции;

- скользящий разряд по поверхности электрокартона;

- корона в масляных промежутках установки ввода, с элементов переключателей и др.

Электрическая прочность маслобарьерной изоляции. Изменение электрической прочности маслобарьерной изоляции в процессе старения изоляции происходит по следующим основным причинам:

- воздействие электрического поля и частичных разрядов;

- увлажнение изоляции за счёт проникновения влаги из атмосферного воздуха и в результате разложения трансформаторного масла и целлюлозных материалов;

- окислительные процессы под действием повышенной температуры;

- загрязнение изоляции примесями, продуктами старения;

- другие факторы (механические, химические разрушения).

Интервал между пробивной напряженностью Е_{мк пр min} масляного канала и допустимой напряжённостью при соответствующих испытательных напряжениях E_{мк доп} может быть принят равным

E_{мк доп}=0,85 E_{мк пр min}.

Допустимые рабочие напряжённости электрического поля можно определить по средним пробивным напряжённостям при одноминутном напряжении промышленной частоты:

Е_{мк доп раб} = К₁К₂ К₃ Е_{мк пр},

где К₁=0,95 – коэффициент, учитывающий вероятностное снижение электрической прочности изоляции к концу срока службы трансформатора (10⁸-10⁹ с);

К₂=0,85 – коэффициент, учитывающий разброс экспериментальных точек; К₃=0,8-0,85 – коэффициент запаса.

Для современных трансформаторов допустимая средняя напряжённость Е_{мк доп раб} в первом масляном канале лежит в пределах от 2,5 до 5 кВ/мм в зависимости от ряда конструктивных и технологических характеристик изоляции.

Особенности конструкций силовых трансформаторов. Витковая изоляция силового трансформатора представляет собой бумажно-масляную изоляцию, в которой слои кабельной бумаги накладываются на провод в полнахлёста. Изоляция между промежутками состоит из аксиального масляного канала шириной от 8 до 20 мм и бумажной изоляции провода. Изоляция провода состоит из бумажной ленты толщиной 0,12 мм (тип К-120). Обмотки ВН и НН обычно выполняют цилиндрическими одно или многослойными, причём в трансформаторах малой мощности не делают радиальных масляных каналов. В трансформаторах 110-750 кВ основные элементы главной маслобарьерной изоляции представляют цилиндрические барьеры и угловые шайбы из электрокартона, разделяющие изоляционные промежутки между обмотками или между обмоткой и заземлёнными частями на несколько масляных каналов. Количество барьеров и их расположения различаются в зависимости от номинального напряжения и конструкции трансформатора. Обмотки ВН трансформаторов 110-330 кВ выполняются непрерывными, а трансформаторов 500 кВ и выше – переплетёнными. Изготавливают обмотки ВН из медного обмоточного провода прямоугольного сечения. В трансформаторах 220кВ и выше часто делают ввод в середину обмотки, что приводит к уменьшению напряжения и облегчению изоляции в области краёв обмотки. В ряде случаев обмотка состоит из двух последовательно соединенных частей (концентров), что позволяет применить автотрансформаторную схему соединения обмоток и уменьшает продольную составляющую напряжённости поля. Для улучшения конфигурации электрического поля на краю обмотки и выравнивания начального распределения напряжения вдоль по обмотке при грозовых перенапряжениях у катушек входной зоны обмотки ставят ёмкостное кольцо, которое должно иметь разрыв с целью устранения тока в контуре кольца.

Главная изоляция трансформаторов 3-35 кВ между обмотками низшего напряжения НН и высшего напряжения ВН состоит из двух масляных каналов, разделённых барьером – бакелитовым цилиндром толщиной 3-6 мм. Главное изоляционное расстояние S_ВН-НН обычно составляет 15-27 мм.

Некоторые трансформаторы до 35 кВ специального назначения (электровозные, шахтные и др.) по пожаробезопасности выполняют сухими. В этом случае изоляционной и охлаждающей средой является газ, как правило, воздух и иногда – элегаз (SF₆). Перспективно применение легкокипящих жидкостей типа фреон.

Сухие трансформаторы мощностью до 2500 кВ·А. Магнитный сердечник изготавливается из листов кремнийсодержащей стали с ориентированными зернами, изолированными минеральными окислами. Рабочие характеристики сердечника определяются маркой стали , способом нарезки листов и методом сборки. Обмотка низкого напряжения обычно изготавливается из алюминиевой ленты или из медной. Такая технология уменьшает осевые нагрузки при коротком замыкании. Слои обмотки изолированы при помощи материала класса F. Сердечники обмотки низкого напряжения имеют дополнительное защитное покрытие из алкидной смолы. Такой способ защиты гарантирует превосходную стойкость к неблагоприятной промышленной среде, а также исключительную электрическую прочность. Обмотка высокого напряжения обычно выполнена из изолированного алюминиевого провода ( или из медного – на заказ ) с применением специального технологического метода. Использование данного метода обеспечивает очень низкий уровень механического напряжения между соседними проводниками благодаря линейному градиенту напряжения , направленному сверху вниз по обмотке. Это увеличивает последовательную емкость в обмотке и, соответственно, улучшает распределение импульсной волны. Незначительная разность потенциалов между соседними проводниками обеспечивает высокое качество литой изоляции, покрывающей все проводники. Обмотка высокого напряжения заливается изоляцией класса F . Изоляция состоит из эпоксидной смолы с инертными и огнестойкими наполнителями, при этом процессы смешивания и заливки осуществляются в вакууме. Эта технология придает обмоткам очень высокие диэлектрические свойства с очень низким уровнем ЧР.