ІПЕМтаТ_Коцур / ЛЕКЦ3 Изоляция

ОСНОВНЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ УЗЛЫ И ДЕТАЛИ

Конструкция изоляции трансформаторов выполняется различно в зависимости от мощности, класса напряжения, способа регулирования напряжения и ряда других специфических особенностей. Однако для большинства трансформаторов типовые конструктивные элементы изоляции одинаковы.

На примере трансформатора мощностью 1600 кВ*А (рис. 1) рассмотрим основные детали изоляции: цилиндры, рейки, дистанционные прокладки, шайбы, опорные кольца.

Основное назначение изоляционных цилиндров 7 и 19 — создание изоляционного барьера между обмотками или между обмотками и магнитопроводом.

Цилиндр может быть жестким (бумажно-бакелитовым), являясь как бы каркасом обмотки, или мягким из листов электроизоляционного картона, которые наматываются на стержень или насаженную на стержень обмотку в процессе сборки трансформатора.

Рейки 6, 20 имеют двойное назначение: они образуют вертикальные каналы между цилиндром и витками обмотки, на них размещены дистанционные прокладки. В соответствии с этим рейки имеют вид, представленный на рис. 2, г.

Дистанционные прокладки (рис. 3.11, ж) служат для создания горизонтальных каналов между витками или катушками обмотки. Прокладки создают опорную поверхность, через которую передаются осевые усилия, воздействующие на обмотки трансформатора. Они воспринимают значительную механическую нагрузку, особенно при коротких замыканиях. Каждую прокладку набирают из нескольких пластин толщиной 0,5—3,0 мм до нужной толщины. Чтобы связать рейки с прокладками, в катушечных прокладках проштамповывают просечки. Этими просечками прокладки надеваются на крайнюю широкую полосу рейки при намотке или сборке обмотки на стержень. Широко применяют прокладки с двумя просечками, позволяющими выполнить дополнительное крепление прокладок наружными рейками («прошивку» обмоток).

В обмотках некоторых типов (чередующихся или наматываемых отдельными катушками) применение реек оказывается неудобным. В этом случае применяются так называемые замковые межкатушечные прокладки (рис. 3.12). Осевой канал между обмоткой и цилиндром образуется специальными прокладками со сквозной просечкой 1. Эти прокладки и прокладки, образующие межкатушечные радиальные каналы 2, прошиваются полоской картона 3, отгибаемой в межкатушечный канал. Такие замковые прокладки применяются в обмотках, наматываемых на станке сразу на весь стержень или отдельными дисками для последующей сборки на стержне.

Рис. 1. Размещение обмоток и изоляции трансформатора мощностью 1600 кВ*А класса напряжения 35 кВ: 1 — уравнительная изоляция; 2, 10 — нижний и верхний отводы обмотки НН; 3, 9 — нижняя и верхняя ярмовая изоляция; 4, 8 — нижнее и верхнее опорные кольца обмотки ВН; 5, 21 — обмотки ВН и НН; 6 — опорный клин (рейка) обмотки ВН; 7, 19 — цилиндры; 11 — бумажная изоляция верхнего отвода НН; 12 — лента заземляющая

прессующего кольца; 13 —прессующий винт; 14 — ярмовая балка; 15, 16 — стальной и изоляционный стаканы; 17 — прессующее кольцо; 18, 23 — верхнее и нижнее опорные кольца обмотки НН; 20- клин (рейка); 22 — прокладки между катушками

Рис. 2. Детали изоляции силовых трансформаторов:

а, б — электрокартонная н деревянная уравнительная изоляции; в — угловая шайба; г — клин (рейха); д — двойная прокладка; е — опорное кольцо; ж —прокладка между катушками; з —барьер; и — ярмовая изоляция; к, л — верхняя и нижняя ярмовая изоляция с междуфазными

перегородками; 1 — шайба из листового электрокартона; 2, 7 — прокладки из прессованного электрокартона; 3, 5 — деревянные детали; 4 — отверстия для прессующих шпилек; 6 — сегмент ярмовой изоляции; 8 — между фазная перегородка

Шайбы применяют в обмотках как детали концевой изоляции или вместо прокладок между катушками. На рис. 4 каналы между катушками чередуются с шайбами из электроизоляционного картона 1; для возможности установки при намотке шайбы делают разрезными.

Концевая изоляция обмоток — один из элементов главной изоляции — служит для изоляции торцевых частей обмоток от ярма, ярмовых балок и стальных прессующих колец. В концевую изоляцию входит уравнительная и ярмовая изоляция.

Ярмовая изоляция 3, 9 (см. рис. 1) изолирует обмотки от ярм магнитной системы. Ярмовая изоляция трансформаторов 6—110 кВ представляет собой шайбу из электроизоляционного картона толщиной 2—3 мм с приклепанными или приклеенными к ней с обеих сторон прокладками. Прокладки образуют каналы для охлаждения ярма и прохода масла к обмоткам. Число и расположение прокладок ярмовой изоляции соответствуют числу и расположению прокладок в обмотке. 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 (см. рис. 2, и).

Уравнительная изоляция служит для выравнивания обращенной к обмоткам полки ярмовой балки с плоскостью ярма. В рассматриваемом случае она выполнена из дерева (бук) (см. рис. 2, б). В трансформаторах мощностью более 4000 кВ*А применяют уравнительную изоляцию из электроизоляционного картона, ее выполняют в виде сегментов или полуколец с наклепанными прокладками (см. рис. 2, а).

В трансформаторах небольшой мощности (до 250 кВ*А) и напряжением до 15 кВ размеры изоляционного промежутка от обмоток до ярма и смещение ярмовой балки относительно ярма невелики. Концевая изоляция может быть выполнена в виде деревянных подкладок или деталей из электрокартона достаточно простой формы, как бы совмещающих в себе ярмовую и уравнительную изоляцию (рис. 5).

Рис. 5. Размещение обмоток и изоляции трансформатора мощностью 160 кВ*А класса напряжения 6 кВ

Элементом изоляции обмоток является угловая шайба (см. рис. 2, в) — кольцевой Г-образный барьер, охватывающий край обмотки. Цилиндрическая и горизонтальная части угловой шайбы затрудняют развитие электрического пробоя как в радиальном направлении, так и в сторону ярма.

В настоящее время освоено производство угловых шайб из мягкого электроизоляционного картона методом формования и литья из целлюлозы.

КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ

При рассмотрении электрической прочности трансформатор представляют состоящим из системы частей, находящихся под напряжением, системы заземленных частей и изоляции.

Система частей, находящихся под напряжением, включает токоведущие части (проводники обмоток, отводы, проходные шины и др.), а также все гальванически связанные с ними детали (защитные экраны и т. п.), в которых рабочего тока нет. Токоведущие части, определяющие электрическое поле определенного элемента изоляции, называют электродами.

Система заземленных частей включает в себя магнитопровод с металлическими деталями его крепления, бак и систему охлаждения со всеми деталями и металлической арматурой в масляных трансформаторах или защитный кожух в сухих трансформаторах.

Вмасляных трансформаторах обмотки, отводы, переключающие устройства

исоединяющие их провода размещены в баке, залитом маслом. Вводы (проходные изоляторы) имеют две части: нижнюю, находящуюся в масле бака, и верхнюю, воздушную, находящуюся вне бака. В соответствии с этим различают внутреннюю (в масле) и внешнюю (в воздухе) изоляцию масляных трансформаторов.

Внутреннюю изоляцию подразделяют на главную и продольную.

Главная изоляция — изоляция каждой из обмоток относительно заземленных частей и других обмоток, электрически не связанных с данной обмоткой.

Продольная изоляция — изоляция между различными элементами данной обмотки (между витками, слоями, катушками, деталями емкостной защиты).

Аналогично можно подразделять также изоляцию отводов и переключателей.

К внешней изоляции трансформаторов относятся внешняя изоляция вводов, воздушные промежутки между вводами и от вводов до заземленных частей. Характерна зависимость электрической прочности внешней изоляции от атмосферных условий.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Изоляция должна без повреждений выдерживать весь комплекс воздействий, которым она подвергается при эксплуатации трансформатора.

Для проектирования изоляции отдельных частей и элементов трансформатора необходимо прежде всего определить электрические воздействия, которые изоляция испытывает в процессе эксплуатации. К ним относят длительное воздействие рабочего напряжения, допустимые продолжительные повышения напряжения, кратковременные перенапряжения, возникающие вследствие нормальных коммутационных процессов (достигающие иногда значений, близких к четырехкратному фазному напряжению), а также импульсные атмосферные перенапряжения.

Создание обобщенной теории электрической прочности затруднено тем, что напряжения промышленной частоты и импульсные оказывают на изоляцию различные воздействия. Нормальное рабочее напряжение и перенапряжение коммутационного характера действуют в основном на главную изоляцию, а воздействие атмосферных перенапряжений сказывается главным образом на продольной изоляции обмоток трансформатора.

Для упрощения расчетов и стандартизации требований, предъявляемых к электрической прочности изоляции изготовленного трансформатора, расчет изоляции производится так, чтобы она выдерживала испытания, предусмотренные соответствующими нормами. Нормы испытаний составлены с учетом возможных при эксплуатации электрических воздействий (по значению, длительности и характеру) и содержат необходимые запасы прочности.

Принципы конструирования изоляции. Рассмотрим основные изоляционные промежутки главной изоляции для трансформаторов с концентрическими и чередующимися обмотками (рис. 6, а, б). В трансформаторе стержневого типа с концентрическими обмотками основными промежутками главной изоляции являются осевые каналы между обмоткой НН и стержнем, между обмотками ВН и НН, промежутки между обмоткой ВН и стенкой бака, между торцами обмоток ВН и НН и ярмами и др. Этим промежуткам соответствуют вполне определенные электрические воздействия при

импульса при импульсных напряжениях). На рис. 7 показана картина электрического поля двухобмоточного трансформа тора с концентрическими обмотками при испытании изоляции обмотки ВН приложенным напряжением: всей обмотке ВН сообщен один и тот же потенциал, обмотка НН и магнитопровод заземлены.

Рис 6. Основные изоляционные промежутки главной изоляции трансформаторов с концентрическими (а) и чередующимися (б) обмотками

На рис. 8 показана общая картина электрического поля в главной изоляции трансформатора класса напряжения 110 кВ. Здесь представлена конструкция изоляции трансформатора, предназначенного для питания промышленной электрической печи.

Для удобства выполнения отводов обмотки НН, рассчитанной на большие рабочие токи, эту обмотку размещают снаружи. Обмотку ВН располагают внутри, а непосредственно у стержня магнитной системы — регулировочную обмотку (РО), являющуюся регулировочной частью обмотки ВН.

Картина поля в рассмотренных случаях является примером неоднородного несимметричного поля. Здесь можно выделить две зоны: среднюю часть обмоток, в которой электрическое поле близко к однородному, и у торцов обмоток, где поле неоднородно. Наибольшая напряженность, как видно, например, из рис. 7, имеет место в торцевых зонах обмоток.

Конструкция и расположение изоляционных деталей должны соответствовать картине электрического поля. Наиболее вероятным нарушением изоляции трансформатора является разряд по поверхности диэлектрика, причем эта поверхность в большинстве случаев повреждается от разряда. Поэтому наиболее правильным решением вопроса о конструкции главной изоляции является размещение ее слоями в направлении эквипотенциальных поверхностей. В этом случае изоляция будет подвергаться воздействию пробивного напряжения, а не разряду по поверхности.

Таким образом, главная изоляция стержневых трансформаторов с концентрическими обмотками получает вид цилиндров, а также простых и угловых шайб, как и показано на рис. 9.

Главная изоляция силовых масляных трансформаторов может иметь следующие исполнения:

-маслобумажная барьерная (маслобарьерная) изоляция, образующаяся при пропитке трансформаторным маслом бумажной изоляции обмоток и электроизоляционного картона и заполнении маслом изоляционных промежутков между элементами обмоток, остовом и баком;

-бумажно-масляная изоляция, состоящая из бумаги, пропитанной маслом. Достоинством маслобарьерной изоляции является более простая (по

сравнению с бумажно-масляной) технология изготовления обмоток, изоляции, сборки активной части, ее сушки и пропитки маслом. Этими свойствами и обусловлено широкое применение маслобарьерной изоляции. Конструктивно главная изоляция представляет собой комбинацию масляных промежутков с барьерами в виде цилиндров и угловых шайб из электрокартона или кабельной бумаги.

При расчете изоляции для каждой части, находящейся под напряжением, необходимо выявить наиболее нагруженные в электрическом отношении изоляционные промежутки, определить напряженность электрического поля в промежутке и затем по допустимой напряженности выбрать размер промежутка, обеспечивая определенный коэффициент запаса электрической прочности. Определение напряженности производят либо аналитически, либо моделированием поля на математической модели, используя для этого электропроводящую бумагу или электролитическую ванну.

Определение минимально допустимых изоляционных промежутков тесно связано с теми изоляционными конструкциями, которыми заполнены эти промежутки. Внутренняя изоляция масляных трансформаторов может быть представлена в виде комбинаций из нескольких простых элементов. Это сплошная твердая изоляция (между соседними витками, расположенными вплотную, изолированными проводниками отводов и т. п.); чисто масляные промежутки (между неизолированными проводниками отводов или токоведущими частями ввода и стенкой бака и т. д.); комбинированная изоляция (главная изоляция обмоток, изоляция между катушками и т. д.).

Рис. 9 Главная изоляция обмотки ВН класса напряжения 110 кВ с вводом в верхнем конце обмотки

Так как диэлектрическая проницаемость большинства твердых диэлектриков, применяемых в трансформаторостроении, выше, чем масла, то установка между обмотками изоляционных цилиндров вызывает некоторый рост напряженности электрического поля в масляных промежутках. Эффект от применения барьеров может быть получен при сравнительно небольшой их толщине, которая определяется в, основном их механической прочностью и технологическими соображениями.

Размеры изоляционных промежутков главной изоляции существенно возрастают с ростом класса напряжения трансформатора, что приводит к увеличению расхода изоляционных материалов, а также увеличению массы и габаритов обмоток и активной части. Для сравнения на рис. 10 показаны размеры изоляционных промежутков и их конструкция для трансформаторов условно одинаковой мощности классов напряжения 35 и 500 кВ. (Под дробью указаны испытательные напряжения; размеры даны в сантиметрах.)