4.5, Определение минимально допустимых изоляционных расстоянии для некоторых частных случаев (масляные трансформаторы)

Практические рекомендации этого и следующего параграфов по выбору изоляционных конструкций и минимально допустимых изоляционных расстояний даются для некоторых простейших общих и ряда частных случаев и охватывают элементы главной и продольной изоляции, необходимые для расчетов масляного и сухого силовых трансформаторов. В этих рекомендациях учтен необходимый запас прочности изоляции, представляющий собой отношение пробивного напряжения к испытательному и являющийся показателем большего или меньшего доверия к прочности и стабильности той или иной конструкции.

Для расчета изоляционных расстояний во всех таблицах даны значения для твердой изоляции из электротехнического картона или кабельной бумаги. При определении реальных допустимых расстояний необходимо учитывать помимо минимального промежутка, требуемого условиями электрической прочности изоляции, возможные допуски в отклонении действительных размеров токоведущих и заземленных частей от проектных. Эта поправка в явном или скрытом виде введена во все таблицы § 4.5 и 4.6. В § 4.5, 4.6 содержатся практические рекомендации, пользоваться которыми следует после ознакомления с конструкциями обмоток, приведенными в гл. 5.

Некоторые изоляционные расстояния, в частности вертикальные и горизонтальные масляные и воздушные каналы в обмотках, после выбора их по условиям электрической прочности изоляции должны быть проверены и по условиям охлаждения. Размеры этих каналов — соотношение ширины и длины канала — должны быть выбраны такими, чтобы они обеспечивали свободный доступ охлаждающего масла или воздуха ко всем частям (виткам или катушкам) обмотки (см. §9.5).

Минимально допустимые изоляционные расстояния в главной и продольной изоляции обмоток и отводов масляных трансформаторов обычно выбираются применительно к определенным конструкциям изоляции, для которых они проверены опытным путем. При распространении этих расстояний на какие-либо другие конструкции необходима новая опытная проверка. Так, изоляционные расстояния главной изоляции обмоток, указанные в табл. 4.4 и 4.5, можно принимать только при конструкции, изображенной на рис. 4.6, и применении изоляционных материалов, указанных в пояснениях к этому рисунку. При этом предполагается, что хранение изоляционных материалов, заготовка, обработка, сушка и пропитка маслом изоляционных деталей выполняются в строгом соответствии с установленным технологическим процессом

Таблица 4.4. Главная изоляция. минимальные изоляционные расстояния обмоток НН с учетом конструктивных требований.

Мощность трансформатора, кВА	Uисп для НН, кВ	НН от ярма l01, мм	НН от стержня, мм
			δ01	aц1	a01	lц1
25-250	5	15	Картон 2х0,5	-	4	-
400-630*	5*	Принимается равным найденному по испытательному напряжению обмотки ВН	То же	-	5	-
1000-2500	5		4	6	15	18
630-1600	18; 25 и 35		4	6	15	25
2500-6300	18; 25и 35		4	8	17,5	25
630 и выше	45		5	10	20	30
630 и выше	55		5	13	23	45
Все мощности	85		6	19	30	70

Для винтовой обмотки с испытательным напряжением U_исп= 5кВ размеры взять из следующей строки для мощностей 1000-2500 кВА

Таблица 4.5. Главная изоляция. минимальные изоляционные расстояния обмоток ВН (СН) с учетом конструктивных требований.

Мощность трансформатора S, кВА	Uисп для ВН (СН), кВ	ВН от ярма, мм		Между ВН (СН) и НН, мм		Выступ цилиндра (ц2), мм	Между ВН(СН) и НН, мм
		l01	δш	a12	δ12		a22	δ22
25-100	18;25 и 35	20	-	9	2,5	10	8	-
160-630	18;25 и 35	30	-	9	3	15	10	-
1000-6300	18;25 и 35	50	-	20	4	20	18	-
630 и выше	45	50	2	20	4	20	18	2
630 и выше	55	50	2	20	5	30	20	3
160-630	85 (прим.1)	75	2	27	5	50	20	3
1000-6300	85 (прим.1)	75	2	27	5	50	30	3
10000 и выше	85	80	3	30	6	50	30	3

Примечания: 1. Для цилиндрических обмоток минимальное изоляционное расстояние a₁₂= 27 мм. Электростатический экран с изоляцией 3 мм. При расчете по (3.17) и (7.32) принимать a₁₂=30 мм.

2.   При наличии прессующих колец (см. § 7.3 и 8.1) расстояние от верхнего ярма l0 принимать увеличенным против данных табл. 4.5 для трансформаторов 1000—6300 кВА на 45 мм; для двухобмоточных трансформаторов 10 000— 13 000 кВА на 60 мм и для трехобмоточных трансформаторов этих мощностей на 100 мм. Расстояние от нижнего ярма l0 и в этих случаях принимать по табл. 4.5.

В трехобмоточных трансформаторах при U_исп =85 кВ канал между об. мотками СН и НН увеличивается от 27 до 36—40 мм для вывода ответвлений от середины обмотки СН (из расчета изолированный прессованный отвод 20, цилиндр 6, канал 10—14 мм).

Рис. 4.6 Главная изоляция обмоток ВН и НН для испытательных напряжений от 5 до 85кВ

В соответствии с принятой выше классификацией изоляции трансформатора в дальнейшем будут рассмотрены изоляционные конструкции и допустимые расстояния для:

1)   главной изоляции обмоток (изоляции от заземленных частей и других обмоток);

2)   продольной изоляции обмоток (изоляции между витками, слоями и катушками);

3)  главной и продольной изоляции отводов.

1.Главная изоляция обмоток. Главная изоляция обмоток определяется в основном электрической прочностью при 50 Гц и соответствующими испытательными напряжениями, определяемыми по табл. 4.1. На рис. 4.6 показана конструкция главной изоляции обмоток масляных трансформаторов классов напряжения от 1 до 35 кВ (испытательные напряжения от 5 до 85 кВ).

Изоляция между обмотками ВН и НН осуществляется жесткими бумажно-бакелитовыми цилиндрами или мягкими цилиндрами, намотанными при сборке трансформатора из электроизоляционного картона. Размер выступа цилиндра за высоту обмотки (l_ц1 и l_ц2) обеспечивает отсутствие разряда по поверхности цилиндра между обмотками или с обмотки на стержень. Изоляция обмоток от ярма при испытательном напряжении 85 кВ усиливается шайбами и подкладками из электроизоляционного картона. Между обмотками ВН соседних стержней устанавливается междуфазная перегородка из электроизоляционного картона.

Минимально допустимые изоляционные расстояния от обмотки до стержня и ярма, между обмотками, а также главные размеры изоляционных деталей с учетом конструктивных требований и производственных допусков в зависимости от мощности трансформатора для испытательных напряжений 5—85 кВ приведены в табл. 4.4 и 4.5. Данными табл. 4.5 можно пользоваться также при определении изоляционных расстояний между обмотками СН и НН или ВН и СН в трехобмоточном трансформаторе.

При классе напряжения 35 кВ и испытательном напряжении 85 кВ в трансформаторах мощностью 1000—6300 кВ-А некоторые изоляционные расстояния могут быть уменьшены, если эти трансформаторы при окончательной сборке на заводе заполняются под вакуумом предварительно просушенным, дегазированным и подогретым до 80—85 °С маслом. В этом случае изоляционные расстояния могут быть приняты: а₁₂ = 20 мм; l₁₂ = 60 мм и а₂₂=20 мм по рис. 4.5,б.

В трансформаторах класса напряжения 110 кВ структура и размеры главной изоляции существенно зависят от принятой схемы регулирования напряжения обмотки ВН. Более компактной обмотка ВН с РПН получается при регулировании по схеме рис. 6.9, в, где главная часть обмотки рассчитывается на номинальную мощность, а регулировочная часть — на напряжение, равное половине диапазона регулирования, и включается ступенями, согласно или встречно, последовательно с основной частью обмотки ВН.

Некоторый выигрыш в размерах изоляции дает также разделение обмотки ВН на две параллельные части с вводом линейного конца в середину высоты обмотки и обращением нейтрали обмотки к верхнему и нижнему ярмам (рис. 2.10, г).

При указанной схеме обмотки ВН структура и размеры главной изоляции могут быть приняты по рис. 4.7 с учетом размещения между верхним торцом обмотки и верхним ярмом остова металлического заземленного или неметаллического прессующего кольца обмотки.

Размеры прессующих колец по рис. 4.7, склеенных из древесно-слоистого материала, H_к = 60 и 80 мм при мощностях до 25 000 и 40 000—80 000 кВА соответственно. Стальные кольца имеют Н_к=35 и 55 мм при тех же мощностях. При стальных кольцах расстояние от торца обмотки до кольца составляет 90 мм.

Изоляция главной части обмотки ВН от обмотки НН и от регулировочной части обмотки ВН определяется испытательным напряжением 200 кВ. Изоляция нейтрали — верхнего и нижнего концов обмотки ВН, так же как и включаемой в нейтраль регулировочной части обмотки ВН, рассчитывается по испытательному напряжению 100 кВ.

Изоляция между обмотками ВН и НН, а также ВН и регулировочной частью обмотки ВН осуществляется масляным каналом с размером 50 мм и двумя цилиндрами из электроизоляционного картона толщиной 4 мм каждый. Один из цилиндров между главной частью обмотки ВН и ее регулировочной частью из соображений механический прочности бумажно-бакелитовый толщиной 6 мм.

Изоляция обмотки НН от стержня выбирается по ее испытательному напряжению по табл. 4.4. В трансформаторах класса напряжения 110 кВ с обмотками по схеме рис. 2.9, г по соображениям электродинамической стойкости рекомендуется наматывать эту обмотку на жестком бумажно-бакелитовом цилиндре толщиной 6—10 мм при мощностях 6300—80 000 кВА. При вводе линейного конца обмотки ВН в середину ее высоты обмотка НН также разделяется на две параллельные части или расщепляется на две самостоятельные обмотки.

Рис 4.8 Продольная изоляция обмотки ВН класса напряжения 110кВ у входа линейного конца; ЕК – емкостное кольцо. Структура и размеры изоляции даны ориентировочно.

Рис. 4.7. Главная изоляция обмотки ВН класса напряжения ПО кВ с вводом линейного конца в середину высоты обмотки:

1 - Прессующее кольцо склеенное древесно-слоистое; 2 — цилиндр бумажно-бакелитовый; 3 — цилиндр из электроизоляционного картона. Структура изоляции и изоляционные расстояния даны ориентировочно шириной 25—30 мм. Изоляция между регулировочными обмотками соседних фаз осуществляется масляным каналом не менее 35 мм с перегородкой из электроизоляционного картона толщиной 3 мм.

Продольная изоляция обмотки ВН обеспечивается собственной изоляцией провода толщиной δ = 1,35 мм (на две стороны), установкой вблизи линейного конца двух емкостных колец с дополнительной изоляцией кабельной бумагой 2 мм (на одну сторону) и увеличением высоты части радиальных масляных каналов между катушками непрерывной катушечной обмотки, при размере их в основной части обмотки 4 мм, до 6—8 мм (рис. 4.8).

2. Продольная изоляция обмоток. Под продольной изоляцией обмоток понимается изоляция между витками, между слоями витков и между катушками. Эта изоляция может определяться как электрической прочностью при 50 Гц, так и прочностью при импульсах. Воздействие на обмотку импульса существенно отличается от воздействия напряжения при 50 Гц, однако те и другие испытательные напряжения связаны с рабочим напряжением обмотки. В дальнейшем для отдельных конкретных случаев все рекомендации даны с учетом импульсной прочности, но исходят из рабочего напряжения обмотки или испытательного при 50 Гц.

Изоляция между витками обычно обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Дополнительная изоляция между витками применяется обычно только на входных катушках обмоток фаз. Данные обмоточных проводов и их изоляции представлены в § 5.2.

Выбор изоляции провода может быть сделан по табл. 4.6. В этой таблице дана изоляция провода (витковая) для большей части катушек трансформатора с нормальной изоляцией. Рекомендации по выбору изоляции витков входных (крайних) катушек обмотки даны ниже.

Междуслойная изоляция в обмотках из круглого провода определяется главным образом из условий импульсной прочности. Рекомендации по междуслойной изоляции для входных катушек обмотки даны особо. В табл. 4.7 даны рекомендации по выбору междуслойной изоляции в многослойных цилиндрических обмотках из круглого и прямоугольного провода. Материалом является кабельная бумага марки К-120 толщиной 0,12 мм. Число слоев кабельной бумаги между двумя слоями витков определяется по суммарному рабочему напряжению двух слоев обмотки. Высота междуслойной изоляции для увеличения пути разряда по поверхности между слоями делается большей, чем высота слоя витков.

В многослойной цилиндрической катушечной обмотке из круглого провода междуслойная изоляция имеет высоту слоя и может быть выбрана по суммарному рабочему напряжению двух слоев катушки по табл. 4.8.

В двухслойной цилиндрической обмотке из прямоугольного провода в масляных трансформаторах при суммарном рабочем напряжении двух слоев не более 1 кВ достаточной междуслойной изоляцией служит осевой масляный канал не менее 4 мм шириной или прокладка из двух слоев электроизоляционного картона по 0,5 мм. При рабочем напряжении двух слоев более 1 кВ и до 6 кВ — масляный канал 6—8 мм и два слоя картона по 1 мм.

Таблица 4.7. Нормальная междуслойная изоляция в многослойных цилиндрических обмотках

Суммарное рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Число слоев кабельной бумаги на толщину листов, мм	Выступ междуслойной изоляции на торцах обмотки (на одну сторону), мм
До 1000	2х0,12	10
От 1001 до 2000	3x0,12	16
От 2001 до 3000	4x0,12	16
От 3001 до 3500	5x0,12	16
От 3501 до 4000	6x0,12	22
От 4001 до 4500	7x0,12	22
От 4501 до 5000	8x0,12	22
От 5001 до 5500	9x0,12	22

Примечание: Данные таблицы приведены для трансформаторов мощностью до 630 кВА включительно. При мощности от 1000 кВА и выше междуслойную изоляцию следует принимать по таблице, но не менее 4х0,12 мм; выступ изоляции не менее 20мм.

Таблица 4.8 Нормальная междуслойная изоляция в многослойных цилиндрических катушках обмотки.

Рабочее напряжение двух слоев обмотки, В	Толщина изоляции, мм	Материал изоляции
До 150	2х0,05	Телефонная бумага
От 151 до 200	1x0,2	Кабельная бумага или электроизоляционный картон
От 201 до 300	2x0,2 или 1x0,5

В сухих трансформаторах двухслойная цилиндрическая обмотка применяется для напряжений не более 1 кВ. Осевой междуслойный канал шириной 15—20 мм, необходимый при этом по условиям охлаждения, оказывается достаточным и как изоляционный промежуток.

В обмотках из прямоугольного провода — винтовой и непрерывной — междуслойная изоляция не применяется.

Междукатушечная изоляция обычно осуществляется радиальными масляными каналами (рис. 4.9, б, в), а также простыми (рис. 4.9, в) или угловыми шайбами (рис. 4.9, а).

Осевой размер масляного канала h_к, м, по рис. 4.9, б или в может быть определен по формуле

(4.1)

где U_кат — рабочее напряжение одной катушки, В.

Найденный размер канала округляют до 0,5 мм и проверяют по условиям отвода тепла от обмотки (см. § 9.5). Из соображений нормального охлаждения обмотки в масляных трансформаторах размер h_к следует брать не менее

Рис 4.9 Междукатушечная изоляция

4 мм. При широких катушках минимальное значение h_к по условиям отвода тепла может быть значительно больше 4 мм.

Междувитковая изоляция в винтовых и междукатушечная в непрерывных катушечных обмотках (высота радиальных каналов h_к) сухих трансформаторов выбирается из условий нормального охлаждения обмотки по § 9.5 и обычно оказывается достаточной для обеспечения прочности изоляции.

При применении для междукатушечной изоляции шайб из электроизоляционного картона, простых (рис. 4.9, в) или угловых (рис. 4.9, а), между каждыми двумя соседними катушками укладываются две шайбы. Толщина шайб 0,5 мм, выступ шайбы а принимается обычно не менее 6 мм. Этот способ изоляции применяется для класса напряжения не выше 35 кВ (U_всп<=85 кВ) в тех случаях, когда по условиям охлаждения обмотки можно закрыть шайбами все охлаждающие каналы (рис. 4.9, а) или половину каналов (рис. 4.9, в). В трехфазных трансформаторах классов напряжения 10 и 35 кВ с потерями короткого замыкания по ГОСТ и во всех трансформаторах с алюминиевыми обмотками в ряде случаев половина каналов может быть закрыта при мощности трансформатора до 6300 кВА.

Угловые шайбы (рис. 4,9, а) применяются только в малоупотребительной многослойной цилиндрической катушечной обмотке из круглого провода. В обмотках из прямоугольного провода междукатушечная изоляция осуществляется по рис. 4.9, б или в.

В месте расположения регулировочных витков обмотки ВН в трансформаторе ПБВ в обмотке обычно выполняется разрыв и увеличенный против нормального канал между катушками. Размер этого канала и его заполнение (шайбы) должны обеспечивать обмотку ВН от разряда по поверхности между двумя половинами обмотки. Выбор размеров канала должен производиться исходя из гарантированной импульсной прочности трансформатора с учетом схемы регулирования напряжения обмотки ВН и принятой конструкции изоляции в канале. Допустимые размеры канала с учетом этих условий приведены в табл. 4.9 для схем регулирования, изображенных на рис. 4.10, и конструкции изоляции по рис. 4.11, а—г. По рис. 4.10, б и г выполняются обмотки с выводом нулевой точки на крышку трансформатора.

Таблица 4.9. минимальные размеры канала h_крв месте расположения регулировочных витков обмотки ВН

Класс напряжения ВН, кВ	Схема регулирования по рис. 4.10	Изоляция в месте разрыва		Размер канала, мм
		Способ изоляции	По рис. 4.11
6	а	Масляный канал	а	8
	б	То же	а	12
10	а	То же	а	10
	б	То же	а	18
	а	Угловые и простые шайбы	б	6
	б	То же	в	18
35	в и г	Масляный канал	а	12
	а	То же	а	25
	а	Угловые и простые шайбы	б	20
110	а	То же	в	25
	г	Масляный канал с барьером из шайб	г	30 (в том числе шайба 5 мм)

Примечания: 1. В многослойной цилиндрической обмотке с регулированием по схеме рис. 4.10, д разрыв не выполняется

2.  Минимальный выступ шайбы за габарит обмотки а=6 мм.

3.  Ширина бортика шайбы b = 6-8 мм.