ИЭ (13.03.02) / Лекции / Текст / Лекция 1_9_text

Лекция 9

Слайд 1

Основной вид внутренних изоляционных систем, применяемых в силовых трансформаторах высокого напряжения, представляет собой маслобарьерная изоляция. Изоляционные промежутки в такой системе представляют собой твердые диэлектрические барьеры из электрокартона, покруженные в свободно циркулирующее трансформаторное масло. Выше мы показали, что применение диэлектрических барьеров как в случае газовой, так и жидкой изоляции заметно повышает электрическую прочность промежутков. Свободная циркуляция масла в баке силового трансформатора является необходимым для охлаждения обмоток процессом, поэтому в настоящее время основной изоляционной системой мощных силовых трансформаторов является маслобарьерная изоляция.

Типовая структура маслобарьерной изоляции представлена на рисунке слева, где мы можем видеть все основные изоляционные промежутки внутренней конструкции трансформатора: магнитопровод - обмотки, межобмоточные промежутки, например промежуток между обмоткой низкого напряжения (НН) и высокого напряжения (ВН), изоляционный промежуток между фазами. Как мы видим из рисунка в каждом из отмеченных типов изоляционных промежутков присутствует диэлектрический барьер из электрокартона. В процессе сборки трансформатора диэлектрические барьеры дистанцируются от обмоток, стенок бака и магнитопровода специальными крепежными элементами - деревянными рейками и распорками, которые обеспечивают точную пространственную фиксацию барьеров, представляющие собой тонкостенные цилиндры из электрокартона, охватывающие собой обмотки трансформатора.

Наряду с цилиндрическими барьерами в изоляционной конструкции трансформатора имеются барьеры, выполненные в виде шайбы, расположенной над и под торцевыми частями обмотки предотвращая перекрытия на верхнее и нижнее ярмо трансформатора.

Маслобарьерная изоляция обеспечивает достаточную компактность конструкции силового трансформатора в его возможных габаритах, определяемых мощностью и количеством обмоток. Изоляционные расстояния, как видно из таблицы в правой части слайда для трансформаторов низких классов напряжения не превосходят 70 мм.

Слайд 2

С ростом класса напряжения система маслобарьерной изоляции силового трансформатора усложняется. Рассмотрим детально устройство маслобарьерной изоляции трехфазного двухобмоточного трансформатора силового трансформатора на 110 кВ. Наряду с рассмотренными выше цилиндрическими барьерами, изолирующими обмотки от стержней магнитопровода и друг от друга. В данной конструкции мы можем увидеть диэлектрические шайбы с отогнутыми краями – угловые шайбы, располагаемые в торцевых частях обмотки. С ростом класса напряжения высота обмоток растет и усиливается влияние краевого эффекта, приводящего к возрастанию электрического поля на краях обмоток. Для предотвращения развития разрядов из указанных областей в них размещаются описанные выше угловые шайбы. Наряду с этим для выравнивания поля вдоль обмотки в торцевых ее частях устанавливаются кольцевые экраны, называемые применительно к трансформаторам емкостными кольцами. Последние обеспечивают некоторое выравнивание поля вдоль обмотки.

После монтажа всех изоляционных элементов в бак трансформатора заливается масло.

Слайд 3

В последние годы в связи с появлением и совершенствованием полимерных изоляционных материалов были выполнены успешные разработки и промышленный выпуск силовых трансформаторов на основе безмаслянной изоляции – так называемые сухие силовые трансформаторы. Стремление отказаться от трансформаторного масла продиктовано сложностью обслуживания и мониторинга масляных трансформаторов. Сухие трансформаторы не имеют также проблемы с устройством вводов высокого напряжения вследствие отсутствия в них металлического бака.

Выпуск сухих трансформаторов ограничен классом напряжения 35 кВ. Для более мощных и высоковольтных изоляторов проблема термической стойкости не позволяет отказаться от масла, как средства улучшения теплообмена.

На верхнем рисунке мы видим типичный сухой трансформатор с трехфазной обмоткой с литой эпоксидной изоляцией. Отсутствие бака, масла и как, следствие простая конструкция вводов является несомненным его преимуществом. Вместе с тем установка такого устройства на открытом воздухе должна быть обеспечена высокой стойкость изоляционных компонент к климатическим воздействиям. Далеко не все виды литой изоляции способны выдержать климатические воздействия, характерные для умеренно-холодных регионов. Поэтому масляные трансформаторы пока вполне конкурентно способны на рынке трансформаторов низких классов напряжений, а для классов 110 кВ и выше масляные трансформаторы для открытой установки вообще не имеют альтернативы. Описанный трансформатор с литой изоляцией снабжен термодатчиками, приводящих в действие систему отключения при превышении температуры обмотки величины 200 градусов Цельсия.

Лучшие условия для охлаждения обмотки создаются при выполнении обмотки открытой проводом имеющим полимерное изоляционное покрытие. При этом применяемый полимер обладает высокой стойкостью к климатическим воздействиям, например к перепаду температур окружающей среды в диапазоне –45 - + 50 градусов. Однако и в случае такой конструкции обмотки класс напряжения ограничен сегодня уровнем в 35 кВ.

Слайд 4

Описанные выше применительно к масляным трансформаторам изоляционные системы относятся к главной изоляции, которая способна выдерживать значительные напряжения, превосходящие номинальное напряжение сети. Вместе с тем в конструкции обмотки трансформатора имеют место изоляционные элементы, обеспечивающие необходимую электрическую прочность по отношению к воздействия существенном меньшим номинального напряжения. Речь идет о межвитковой и межкатушечной изоляции. В качестве таковой могут выступать масляные масляные промежутки или прокладки из электрокартона, как показано на верхнем рисунке. В случае применения более простой цилиндрической обмотки в качестве изоляционной прокладки между слоями используется кабельная бумага.

В современных конструкциях трансформаторов получила также распространение цилиндрическая обмотка из листового материала – фольги.

На фотографии справа мы видим два слоя такой обмотки, разделенных дистанцирующими диэлектрическими элементами.

Слайд 5

Ранее мы подробно рассматривали конструкции и выбор изолирующей подвески для воздушных линий электропередачи высокого напряжения. Вместе с тем для передачи электроэнергии высоким напряжением весьма широко применяются кабельные линии. Уровень номинальных напряжений сети, доступный для применения кабельных линий сегодня достигает 500 кВ.

Основными преимуществами кабельных систем электропередачи являются относительно слабое влияние климатических условий при прокладке кабеля в грунте или в тоннеле, компактность трассы кабеля по сравнению с воздушной линией электропередачи, отсутствие необходимости в отчуждении земли и обслуживании земли в области прокладки (налоги, просеки и т.д.)., полная защищенность кабельных линий о ударов молнии.

К недостаткам кабельных линий электропередач следует отнести более сложные технологии обслуживания мониторинга и ремонта в особенности для маслонаполненных кабелей. В частности замена участка кабельной линии, выполненной маслонаполненным кабелем, требует глубокого охлаждения (жидкий азот) в области реза кабельной линии.

Несмотря на отмеченные трудности, применение кабельных линий для передачи электроэнергии высоким напряжением непрерывно растет. В целом ряде случае кабельным линиям нет альтернативы – мегаполисы, подводные линии электропередачи.

Значительная часть кабелей высокого напряжения выполняется с применением кабельной бумаги и кабельного масла. Кабельное масло может несколько отличаться от трансформаторного, но в основе своей оно, как и трансформаторное представляет собой продукт нефтеперегона.

Долгие годы в качестве основной изоляционной системы в кабелях на низкие классы напряжения (до 35 кВ) применялась вязко-пропитанная изоляция. На верхнем рисунке мы видим конструкцию трехфазного кабеля с секториально отформованными жилами изолированными слоями бумаги пропитанными вязким составом, состоящим из трансформаторного масла (30%) и канифоли (70%). Ленты кабельной бумаги наматываются на жилы по спирали при этом устанавливается некоторый зазор, чтобы избежать разрыва кабельной ленты при изгибных деформациях кабеля. Текучесть

такого состава ограничена, но не полностью. Поэтому прокладка такого кабеля при больших перепадах высоты вдоль трассы не допускается, так как это может вызвать истечение пропитывающего компаунда и пробой изоляции. Все три жилы кабеля охвачены поясной изоляцией, а пространство между фазами заполнено низкосортным изоляционным материалом – жгуты, скрученная бумага и т.п. Поверх поясной изоляции накладывается герметическая алюминиевая или свинцовая оболочка, а на оболочке размещается броня в виде стальных лент и проволок.

Конструкция кабеля на 35 кВ, выполненная по описанному принципу, представлена на нижнем рисунке слайда. Отметим, что вследствие наличия в рамках описанной технологии в изоляции газовых включений рабочие напряженности для вязкопропитаннной изоляции относительно невелики и составляют максимально 3.5 кВ/мм.

Повысить электрическую прочность фазной изоляции можно путем ее градирования, создавая изоляционную структуры с переменной в пространстве диэлектрической проницаемостью. Рисунок и формулы в правой части слайда иллюстрируют этот прием. Как следует из формул, если диэлектрическая проницаемость будет убывать по мере удаления от жилы по закону обратного радиуса, то достигается наиболее благоприятное распределение напряженности с постоянным по радиусу значением. Добиться некоторого приближения к описанной идеально ситуации можно путем применения обмотки фазы с переменной плотностью, создавая более высокую плотность вблизи поверхности жилы и следовательно более высокую диэлектрическую проницаемость. На графике справа приведен пример такой обмотки, из которого видно, предельно допустимое значение напряженности достигается в более коротком промежутке, если применять градирование изоляции.

Слайд 6.

Большей электрической прочностью обладают маслонаполненные кабели. Благодаря возможности циркуляции масла в них, непрерывно пропитываемая в процессе эксплуатации твердая изоляция содержит существенно меньше газовых включений по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой.

На рисунках мы видим две типовые конструкции маслонаполненного кабеля. Слева сечение кабеля с центральным масляным каналом, который располагается внутри токоведущей жилы кольцевого сечения. При этом

стенка жилы имеет отверстия перфорации, сквозь которые масло проникает к слоям изоляции (бумага), охватывающим жилу. При таких условиях происходит непрерывная пропитка маслом изолирующих слоев бумаги. Управление режимы продольной циркуляции масла реализуется с помощью установки вдоль трассы кабеля подключаемых к нему баков давления и стопорных муфт. При этом продольные перетоки масла возникают при различии температурных режимов на различных участках кабельной линии. Баки давления осуществляют необходимую компенсацию масляных объемов при температурных перепадах. Стопорные муфты разбивают линию на отдельные герметичные участки.

На рисунке справа показана конструкция кабеля в стальной трубе. Данная конструкция может использоваться при высоком давлении масла и вполне конкурента по отношению к маслонаполненным кабелям.

Слайд 7.

Как уже отмечалось выше технология обслуживания и ремонта маслонаполненных кабельных линий относительно дорога и сложна. В связи с этим многие годы предпринимались попытки создания кабельных линий с пластмассовой изоляцией. Однако лишь в последнее десятилетие появилась изоляция, обладающая высокой надежностью, электрической прочностью и стойкостью к внешним воздействиям, таким как увлажнение. Речь идет о так называемом сшитом полиэтилене, технология изготовления которого предполагает образование дополнительных поперечных связей его молекул. Это придает полиэтилену характеристики, достаточные для создания кабелей на напряжение до 500 кВ, годных для эксплуатации в любых климатических условий. Рабочие напряженности изоляции таких кабелей существенно выше, чем у бумажно-масляных и составляют 60-70 кВ/мм, что создает возможность производить кабель на напряжение до 500 кВ в весьма компактных радиальных габаритах. Чаще можно встретить кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена в однофазном исполнении, как показано на двух верхних рисунках слайда. Цилиндрическая жила кабеля выполнена из нескольких секториально отформованных скруток. Такая конструкция жилы позволяет ограничить влияние скин-эффекта даже для весьма толстых жил. Изолирующий слой полиэтилена отделен от поверхности жилы тонким слое полупроводящего материала, обеспечивающего выравнивание напряженности электрического поля на внутренней поверхности

изоляционного слоя. Такой же слой и с той же целью нанесен и на внешнюю поверхность изоляционного слоя из сшитого полиэтилена. Поверх слоя основной изоляции располагается металлический экран контролирующий потенциал и, следовательно, электрическое поле в слое основной изоляции. Экран выполнен в виде системы проволок. Поверх экран размещается влагонабухающая лента, герметизирующая кабель при попадании в воду.

На нижнем рисунке показана выполненная по тем же принципам конструкция трехфазного кабеля с изоляцией из сшитого полиэтилена.

Наряду с явными преимуществами данного типа кабеля (возможность массового высокотехнологичного производства, применимость для всех классов напряжения, технологичность прокладки, ремонта и обслуживания) для него присущи и некоторые существенные недостатки.

К недостаткам следует отнести отсутствие способности к самовосстановлению изоляции. Если последствия частичного разряда в бумажно-масляной изоляции со временем исчезают вследствие диффузии масла в область микропробоя, то в пластмассовой изоляции место пробоя не «залечивается». Очень низкая собственная проводимость полиэтилена создает условия для накопления больших значений электрического заряда в толще изоляции при работе под постоянным напряжением, что является причиной развития дендрида и пробоя кабеля. Поэтому эксплуатация и что очень важно испытание таких кабелей постоянным напряжением не допускается. Испытание длинных отрезков кабеля переменным напряжением требует чрезмерно большой мощности испытательных установок из-за очень большой собственной емкости кабеля. Требования по монитрингу, диагностики и тестированию таких кабелей в настоящее время еще окончательно не сформулированы, поскольку не накоплен достаточный опыт их эксплуатации.

Несмотря на это энергосистемы в настоящее время закупают и монтируют в основном кабель этого типа. Однако для кабельных линий постоянного напряжения альтернативы бумажно-масляным изоляционным системам пока нет.

Слайд 8.

Для ввода высокого напряжения в здания , корпуса трансформаторов, высоковольтных выключателей и т.п. применяются проходные изоляторы или вводы. Особенностями этих устройств применительно к установкам

высокого напряжения 110 кВ и выше являются крайне высокие значения рабочих напряженностей электрического поля в изоляции. Причина этого в габаритных ограничениях изолятора в поперечном размере. Выход из ситуации нашелся в принудительном распределении напряженности поля в радиусу. При этом за счет внесения в конструкцию тонких ( фольга) цилиндрических конденсаторных обкладок, располагаемых в толще изоляции, удается получить радиальное распределение напряженности электрического поля близкое к однородному. Очевидно, что образуемые такими обкладками емкости можно сделать разными по величине за счет изменения радиального и аксиального размера обкладки. Поэтому можно подобрать такой закон изменения емкости между соседними обкладками, что распределение напряженности поля в среднем будет близко к однородному. Это иллюстрируется графиками на рисунке справа.

В качестве примера на левом рисунке показан высоковольтный ввод с маслобарьерной изоляцией. Причем на поверхности цилиндрических барьеров располагаются описанные здесь конденсаторные обкладки, обеспечивающие благоприятное распределения напряжения по радиусу.

Слайд 9

Конструкция внутренней изоляции ввода может быть не только показанной выше маслобарьерной, но и, что встречается чаще всего, бумажно-масляной. При этом конденсаторные обкладки размещаются между слоями бумаги, а весь изоляционный остов после сборки подвергается вакуумной сушке и пропитке трансформаторным маслом, после чего устанавливается в полый изоляционный корпус, выполняемый обычно из электротехнического фарфора. На внешней поверхности изоляционного корпуса укреплен металлический фланец, с помощью которого ввод крепится к стенка бака трансформатора в месте установки. Нижняя часть ввода, размещаемая в баке трансформатора, может иметь также фарфоровую покрышку, как показано на левом рисунке. Однако существуют конструкции вводов без этой внутренней покрышки. Например, ввод с так называемой Rip изоляцией, показанный на среднем рисунке, в своей погружной части не имеет фарфоровой покрышки в отличие от наружной области конструкции.

Rip изоляция представляет собой монолитный полимерный изоляционный остов, выполненный из эпоксидного компаунда с конденсаторными обкладками, внедренными в отдельные слои остова. В

отличие от бумажно-масляных вводов такая изоляция более компактна и технологична.

Токоведущий стержень в проходных изоляторах располагается на оси конструкции и представляет собой трубу с продетым в нее мягким плетеным медным проводником.

Ограничение условий возникновения скользящего разряда между стенкой бака и высоковольтным фланцам ввода приводит к необходимости увеличивать длину внешней, находящейся на открытом воздухе, изоляционной покрышки. Поэтому вводы на высокие напряжения 330 кВ и выше отличаются большой длиной, как показано на рисунке справа.

Слайд 10.

Основными особенностями работы изоляции вращающихся электрических машин является относительно высокие температуры, вибрации. В этих условиях предъявляются повышенные требования по монолитности изоляции, так необходимо обеспечивать низкий уровень частичных разрядов. При этом срок службы изоляции, как и машины в целом оценивается в 25-30 лет.

В случае мощных машин, одним из важнейших требований является высокая теплопроводность изоляции. Даже незначительное повышение теплопроводностных характеристик изоляции позволяет заметно повышать мощность генераторов.

Для изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических машин в основном применяются высокопрочные изолирующие материалы на основе слюды. Слюда – природный минерал. На основе слюды в настоящее время имеются два типа изоляции – миколента и микофолий их структуры показаны на рисунке. Микалента более гибка и может монтироваться в холодном состоянии. Микафолий толще и его намотку следует выполнять при повышенной температуре. В качестве связующей и пропитывающей компоненты применяются лаки и компаунды, предельная рабочая температура которых может достигать 180 градусов. На рисунке в центре слайда показана схема устройства высоковольтной изоляции в пазу статора машины. Основу здесь составляет главная корпусная изоляция отделяющая стержень обмотки от стенок паза. Она выполняется либо комбинированной в виде гильзы из микафолия с микалентной обмоткой на выходе стержня в

лобовую часть, либо целиком из микаленты. Первый тип изоляции применяется для относительно низковольтных машин на напряжение ниже 6 кВ.

При выходе стержня их паза создаются благоприятные условия для развития скользящего разряда, как показано на рисунке внизу слайда. Применение полупроводящих покрытий с заданным изменением электропроводности вдоль паза позволяется снизить напряженность электрического поля и избежать коронного разряда.

Слайд 11

Силовые электрические конденсаторы высокого напряжения предназначены для компенсации реактивной мощности, осуществления высокочастотной связи по проводам линий электропередачи, работы в выпрямительных установках высокого напряжения, в высоковольтных импульсных установках.

В качестве изоляции используются газы, жидкости (конденсаторное масло, касторовое масло, хлорированные диэлектрики), твердые органические (конденсаторная бумага) и неорганические (полимерные пленки) диэлектрики. Характеристики материалов показаны в таблицах на этом слайде.

Основным элементом конденсатора является рулонная секция, которая выполняется намоткой на цилиндрическую оправку ленты из бумаги и алюминиевой фольги. После намотки секция сплющивается для более компактного размещений секций в корпусе конденсатора. Последний выполнятся из листового металла или диэлектрика.

Каждая секция снабжается двумя выводами, с помощью которых секции соединяются друг с другом перемычками, образуя в общем случае последовательно-параллельную схему сообразно требованиям по полной емкости конденсатора и величине рабочего напряжения.

Секции размещаются в баке и заливаются жидким диэлектриком. К сети конденсатор подключается с помощью высоковольтных вводов, размещенных на корпусе конденсатора.