Изоляция силовых трансформаторов

Общие сведения. В силовых трансформаторах изоляция состоит из ряда различных по конструкции элементов, работающих в не­одинаковых условиях и имеющих разные характеристики. Воздуш­ные промежутки между вводами и по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки, рас­положенные внутри бака, — внутреннюю изоляцию трансформа­тора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на глав­ную и продольную. К первой относится изоляция обмоток относи­тельно земли и между разными обмотками, например участками обмотки — магнитопровод или бак, обмотка низкого напряжения (НН) — обмотка высокого напряжения (ВН), отвод — стенка бака; между отводами разных обмоток. Продольная — это изоляция меж­ду разными точками одной и той же обмотки: между витками, сло­ями, катушками.

Требования к электрической прочности отдельных элементов изоляции определяются специфическими особенностями переход­ного процесса в трансформаторе при воздействии на него импульс­ных напряжений. При заземленной нейтрали трансформатора наи­большее импульсное напряжение на главной изоляции возникает на расстоянии приблизительно 1/3 длины обмотки от начала и мо­жет на 15—20% превышать действующее напряжение. При изоли­рованной нейтрали наибольшее импульсное напряжение возника­ет на конце обмотки и может превышать действующее напряжение на 50—80%.

Если импульс имеет крутой фронт, то на продольной изоляции могут возникать напряжения, более чем в 10 раз превышающие напряжения нормального режима. При внутренних перенапряже­ниях напряжения на продольной изоляции резко снижаются. Наи­большие напряжения на продольной изоляции наблюдаются при пробое какого-либо промежутка, расположенного поблизости от трансформатора.

На конструкцию изоляции трансформаторов сильное влияние оказывает то, 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 ее части.

В зависимости от расположения изоляции в трансформаторе ее разделяют на внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя изоляция — это изоляция частей (обмоток, отводов и др.), находящихся в баке трансформатора с маслом.

Внешняя изоляция — это изоляция частей, находящихся вне бака, т.е. в воздухе; это изоляция вводов в воздухе между собой и до за­земленных частей.

Внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную.

Главная изоляция — это изоляция обмотки относительно корпу­са (заземленных частей бака и магнитопровода), а также соседних обмоток.

В современных силовых трансформаторах маслобарьерная изо­ляция используется преимущественно в качестве главной изоляции, а на отдельных ее участках применяется изолирование.

Продольная изоляция — это изоляция между отдельными частя­ми самой обмотки, т.е. между соседними витками, катушками, сло­ями, отдельными отводами.

Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной с помо­щью изолирования и покрытия витков и катушек обмотки.

Использование трансформаторного масла как диэлектрика обус­ловливает ряд особенностей изоляции силовых трансформаторов. Электрическая прочность масла зависит от многих факторов: на­личия влаги и загрязнения в нем, его вязкости и температуры. В силовых трансформаторах масло сочетается с твердой изоляци­ей, пропитанной маслом (маслобарьерная изоляция).

Различают три вида твердой изоляции в масле:

покрытие — плотно прилегающий к электроду покров из твер­дого изоляционного материала, который принимает на себя опре­деленную долю напряжения, но не изменяет электрического поля и напряженности в масле;

изолирование — плотный, относительно толстый покров на поверхности электрода из твердой изоляции, который принимает на себя значительную долю напряжения и существенно изменяет картину электрического поля и напряженности в масле;

барьер (перегородка) — это изоляционная деталь определен­ной формы и протяженности, помещенная в масляном промежутке между двумя электродами, резко повышающая пробивную проч­ность изоляционной конструкции.

Для покрытия и изолирования применяются различные матери­алы: бумага, лакоткань, покрывные лаки, картон, бакелизированная бумага, изоляционные синтетические материалы с высокой электрической прочностью и большой теплостойкостью (эпоксид­ные и кремнийорганические лаки, высоковольтные эмали).

Барьеры выполняются из различных изоляционных материалов (бакелизированной бумаги, электроизоляционного картона, тка­ни и т.п.) в виде цилиндров, трубок, досок и других фасонных дета­лей. Форма барьера не зависит от формы электрода.

Маслобарьерная изоляция, как уже отмечалось ранее, 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 удается осуществить путем примене­ния цилиндрических барьеров. В трансформаторах такое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию из барьеров различной формы.

В трансформаторах в основном применяются три типа барье­ров: цилиндрический барьер, плоская шайба, угловая шайба. Ко­личество барьеров зависит от номинального напряжения.

Главная изоляция обмоток выполняется в виде маслобарьерной изоляции, изоляционный барьер помещается в масляном канале между двумя обмотками, находящимися в баке с маслом.

Изоляционные барьеры делят масло на ряд каналов и тем са­мым затрудняют образование проводящих мостиков в нем, что зна­чительно повышает пробивную прочность изоляционной конструк­ции при промышленной частоте. При воздействии импульсных напряжений проводящие мостики не успевают образовываться (так как импульсные напряжения характеризуются малым временем действия), поэтому импульсное разрядное напряжение оказывает­ся выше разрядного напряжения промышленной частоты. Однако барьерный эффект при импульсах сказывается слабее, особенно в однородном электрическом поле.

Изоляция обмотки высшего напряжения по отношению к сосед­ним обмоткам и ярму является основной и наиболее сложной изо­ляцией обмоток трансформатора. Класс напряжения и схема об­мотки определяют конструкцию главной изоляции. Вывод обмот­ки высокого напряжения делается с края (рис. 4.2, а, б) или от середины (рис. 4.2, в). Первые две схемы применяют для трансфор­маторов на напряжение до 150 кВ включительно, а третью — для трансформаторов 220—500 кВ.

Изоляция отводов обмотки выполняется проводниками, кото­рые при высоких напряжениях имеют покрытия — относительно толстый слой бумажно-масляной изоляции (рис. 4.3). В местах из­гиба с малым радиусом закругления применяется лакоткань. Кон­цевые отводы обмотки прокладываются через ярмовую изоляцию в пространстве между обмоткой и баком.

Рис. 4.3. Отвод от внутренней обмотки трансформатора:

1— ярмовая балка; 2 — уравнительная изоляция; 3 — ярмовая изоляция; 4 — опорное кольцо внутренней обмотки; 5 — внутренняя обмотка; С — величина изоляционного расстояния

При проходе отвода против острой конструктивной части трансформатора величина изоля­ционного расстояния С в масле

выбирается независимо от толщины слоев бумажной изоляции от­вода.

Продольная изоляция между непрерывными катушечными обмот­ками имеет вид масляных каналов между катушками. В обмотках на напряжение 35 кВ используется чередование масляных каналов и изоляционных шайб. Начальная и концевая группы катушек об­мотки высокого напряжения, а также начальная и концевая катуш­ки у линейного конца выполняются с относительно большим сло­ем твердого изоляционного материала, так как они воспринимают на себя наиболее опасные величины перенапряжений — импульс­ные волны крутого фронта.

Для уменьшения действия на продольную изоляцию импульс­ных волн перенапряжений применяются различные типы внутрен­ней защиты, обеспечивающей равномерное распределение напря­жения в обмотке.

На рис. 4.4, а представлена схема главной изоляции трансфор­матора напряжением 3—35 кВ с вводом на конце обмотки. Изоля­ция между обмотками высокого напряжения (ВН) и низкого на­пряжения (НН) обычно выполняется в виде масляного канала, раз­деленного изолирующим цилиндром.

Разрядные пути по барьерам увеличены выполнением изолиру­ющих цилиндров, которые выступают за края обмоток. Такое уве­личение разрядного пути устраняет опасность поверхностного раз­ряда по барьерам при возникновении опасной напряженности поля на концах обмоток вследствие его неоднородности.

На рис. 4.4, 6 представлена схема главной изоляции трансфор­матора напряжением 110 кВ с линейным выводом на конце обмот­ки высокого напряжения. На схеме указаны соответствующие раз­меры изоляции.

Изоляция этого класса напряжений имеет между обмотками два цилиндра. Обмотка выполнена в виде ступенчатой формы — изо­ляционное расстояние у наиболее напряженного края обмотки уве­личивается по сравнению с расстоянием в средней части. Кольце­вые катушки изолируются. Изоляция снабжена угловыми изоля­ционными шайбами и выравнивающими емкостными кольцами (ме­таллическими).

При напряжениях от 110 кВ и выше основные трудности в ис­полнении изоляции связаны с концами обмотки, где поле более неравномерно и вследствие этого возможны поверхностные раз­ряды вдоль краев изолирующих цилиндров на магнитопровод или соседние обмотки. Для снижения напряженности поля на торце обмотки помещается емкостное кольцо (металлическое разрезан­ное кольцо с закругленными краями). Усиление концевой изоля­ции осуществляется угловыми шайбами, значительно удлиня­ющими путь поверхностного разряда. Вместо этих шайб может применяться отбортовка краев изолирующих цилиндров. У об­моток напряжением до ПО кВ выводы имеют одинаковый класс изоляции.

Изоляция нейтрали, выведенной у трансформаторов напряже­нием 20—35 кВ и частично 110 кВ, осуществляется применительно к тому же классу напряжения, что и изоляция линейного конца, и рассчитывается согласно испытательным напряжениям, установ­ленным для оборудования.

На напряжения 220 кВ и выше применяется ввод линейного кон­ца в середину обмотки высокого напряжения (рис. 4.4, в). В этом случае облегчаются условия изолирования обмотки, так как элек­трическое поле в середине обмотки близко к равномерному. Изо­ляция нейтральных вводов, присоединяемых к торцам обмотки, имеет пониженный класс изоляции. Главная изоляция обмоток вы­полнена как ступенчатая — изоляционные расстояния между об­мотками уменьшаются по мере приближения к нейтрали. Число цилиндров между обмотками и число угловых шайб увеличивает­ся по сравнению с классом изоляции на напряжение 110 кВ.

На напряжения от 150 кВ и выше, а также частично на напряже­ние 110 кВ трансформаторы выполняются с выведенной нейтра­лью, имеющей пониженный класс изоляции. Для более высоких классов изоляции на напряжение 330—500 кВ число цилиндров между обмотками и число угловых шайб возрастает, и конструк­ция главной изоляции усложняется.

Изоляция автотрансформатора 220/110/6—10 кВ с вводом в сере­дину обмотки высокого напряжения в основном аналогична изоля­ции трансформатора на соответствующие напряжения (см. рис. 4.4).

Отличительной особенностью автотрансформатора является вы­полнение отводов — внешних соединений обмоток между собой и с вводами. Верхний конец обмотки среднего напряжения (нейт­раль А') выведен наружу с обеспечением требуемой изоляции ее от заземленных частей, от обмотки низшего напряжения и конца об­мотки высшего напряжения. В нижней части концы обмоток высо­кого напряжения и среднего напряжения (СН) электрически соеди­няются между собой и их общая точка Ат может быть выведена непосредственно от обмотки высокого напряжения, что упрощает конструкцию ввода. В случае трансформатора с раздельными об­мотками вывод нижнего конца обмотки имеет устройство анало­гичное верхнему концу. Если трансформатор является повышаю­щим и его обмотка СН располагается ближе всех к стержню, а не между обмотками высокого напряжения и низкого напряжения, то изоляция вывода обоих ее концов одинакова с обычным трансфор­матором. В однофазном автотрансформаторе высоковольтных вво­дов на один меньше по сравнению с обычным трансформатором. Все автотрансформаторы, а также обмотки трансформаторов на напряжение 330—500 кВ предназначаются для работы с глухим заземлением нейтрали. Уровни изоляции нейтрали в этих случаях не нормируются.

Внешняя (воздушная) изоляция трансформаторов, т.е. изоляцион­ные расстояния в воздухе между токоведущими частями вводов и отводов и до заземленных частей, включающие допуски, приведе­ны в табл. 4.2.

Трансформаторное масло для маслонаполненного оборудования относится к нефтяным электроизоляционным маслам. Их полу­чают путем дробной перегонки нефти. Это сложный процесс, со­стоящий из ряда операций, в результате которых получают соля­ровое масло. Последовательной обработкой серной кислотой и щелочью из него удаляют химически нестойкие соединения. Пос­ле очистки и фильтрации получают электроизоляционное масло для трансформаторов, конденсаторов и кабелей. Конденсаторные и кабельные масла отличаются более глубокой очисткой от при­месей, поэтому обладают более высокими электрическими харак­теристиками.

Химический состав трансформаторного масла определяется составом нефти.

Нефтяные электроизоляционные масла —

это сложные смеси углеводородов нафтенового, парафинового и ароматического рядов с небольшой примесью других компо­нентов.

Все масла в процессе их эксплуатации находятся под воздействи­ем повышенных температур, электрического поля, а также сопри­касаются с металлическими частями электрооборудования. Это вызывает старение масла, в основе которого лежит окисление. Ста­рение масла ускоряется в присутствии металлических катализато­ров: меди, латуни, железа и других металлов. Присутствие воды в масле также способствует процессу старения. В ходе этого процес­са в масле образуются твердые смолообразные примеси, которые выпадают в виде осадков на обмотках и других частях трансфор­матора, что затрудняет теплоотвод от нагретых частей и приводит к ухудшению его электрических характеристик. Чтобы замедлить процесс старения масла, в него вводят вещества, задерживающие окисление, — ингибиторы.

Электроизоляционные масла следует хранить и перевозить в сухой таре, перекачивать по чистым металлическим трубопрово­дам. В условиях эксплуатации масло необходимо защищать от про­никновения в него воздуха и влаги. Крышки маслонаполненного аппарата должны закрываться герметически.

В трансформаторах масло является средой, пропитывающей волокнистую изоляцию, заполняющей пространство между отдель­ными конструктивными элементами и охлаждающей из-за нали­чия естественной и принудительной циркуляции.