Глава вторая
ИЗОЛЯЦИЯ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
- 1. ИЗОЛЯЦИЯ В ТРАНСФОРМАТОРАХ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИЗОЛЯЦИИ
В трансформаторах токоведущая система состоит из обмоток, отводов от обмоток, вводов и переключающего устройства.
В масляных трансформаторах обмотки, отводы, переключающие устройства и провода, их соединяющие, находятся внутри бака, залитого маслом. Вводы (проходные изоляторы) имеют две части — нижнюю, более короткую, находящуюся в масле бака, и верхнюю, воздушную, находящуюся вне бака. Поэтому изоляцию масляного трансформатора можно разделить на внутреннюю (в масле) и внешнюю (в воздухе).
На рис. 2-1 приведена классификация изоляции масляного трансформатора, согласно которой внутренняя изоляция масляного трансформатора подразделяется на главную и продольную.
Главная изоляция представляет собой изоляцию данной обмотки (вместе с электрически соединенным с ней экранами, отводами и переключателями) относительно корпуса, т. е. по отношению к заземленным частям магнитопровода и бака, а также по отношению к соседним обмоткам, электрически с нею не соединенным.
Продольной изоляцией называют изоляцию между различными точками и частями данной обмотки (между витками, слоями, катушками и элементами емкостной защиты), имеющими разные потенциалы.
В процессе работы трансформатора изоляция в различных ее частях может подвергаться различным воздействиям, а именно:
электрическим;
тепловым;
механическим;
физико-химическим.
В период эксплуатации трансформатор постоянно находится во включенном состоянии и на его изоляцию длительно воздействует электрическое поле, соответствующее номинальному рабочему напряжению. Это напряжение изоляция должна выдерживать, не повреждаясь неограниченно долгое время.
Рис. 2-1. Классификация изоляции.
Однако в процессе эксплуатации изоляция трансформатора подвергается также и кратковременным перенапряжениям, которые вызываются явлениями атмосферного характера (грозовыми разрядами), коммутационными процессами (включение и выключение трансформаторов) и процессами аварийного характера (короткими замыканиями). Атмосферные перенапряжения наиболее опасны для продольной изоляции.
Поскольку воздействие указанных перенапряжений проявляется по-разному [6, 7, 13], большое внимание уделяется координации внутренней изоляции для достижения, достаточной прочности при всех этих воздействиях. В соответствии с этим стандартизованы импульсные испытательные напряжения, воспроизводящие воздействия на изоляцию, могущие возникать на отдельных изоляционных промежутках при атмосферных перенапряжениях на линии, и испытания повышенным напряжением промышленной частоты, которыми проверяется способность изоляции выдерживать длительное воздействие рабочего напряжения, а также воздействие перенапряжений, возникающих при коммутационных процессах. Оно служит тоже контролем технологии и качества использованных материалов.
Весьма серьезным вопросом при обеспечении длительной безотказной работы трансформаторов является исключение местных чрезмерных перегревов, ведущих к преждевременному старению изоляции. Решение этой задачи связано с тщательным изучением магнитных полей трансформатора и путей отвода тепла, выделяющегося в его обмотках и конструкционных деталях [3, 7, 15].
Как было сказано выше, обмотки и все токоведущие части трансформатора нагреваются при его работе протекающими по ним токами. Воздействие высоких температур на изоляцию трансформатора вызывает ее старение, вследствие чего она постепенно теряет эластичность, становится хрупкой, разрушается, при этом снижается ее электрическая прочность. При правильной эксплуатации масляного трансформатора, когда температура изоляции в наиболее нагретой точке не превышает 105°С, изоляция может служить 20—25 лет. Повышение температуры на 6—8°С приводит к сокращению срока службы трансформатора примерно в 2 раза.
Так как старение изоляции обмоток вызывается как длительным, так и кратковременным воздействием высоких температур, то длительность допустимых перегрузок и коротких замыканий трансформаторов регламентируется ГОСТ 11677-75.
При воздействии переменного электрического поля в сложном диэлектрике (в изоляции трансформатора) также происходят выделение тепла и нагревание изоляции. Это явление носит название диэлектрических потерь. Температура изоляции оказывает влияние на ее
свойства. При повышении температуры возрастают диэлектрические потери в твердой изоляции и снижается ее электрическая прочность, падает также сопротивление изоляции. Так как полные потери в диэлектрике зависят не только от напряженности электрического поля, но и от геометрических размеров изоляции, то для оценки ее состояния принято измерять не сами потери, a tg6 диэлектрических потерь.
При протекании тока по проводам обмоток и другим токоведущим частям между отдельными обмотками и между проводами одной обмотки возникают механические усилия. При номинальных токах в обмотках эти усилия невелики и не оказывают заметного воздействия на обмотки и их изоляцию. Но при коротких замыканиях механические усилия возрастают пропорционально квадрату тока и могут вызвать повышенные деформации и даже повреждения обмоток и их изоляции.
Согласно ГОСТ 11677-75 трансформаторы должны выдерживать без повреждений и остаточных деформаций внезапные короткие замыкания на выводах вторичной обмотки при значениях установившегося тока короткого замыкания, обусловленных собственным сопротивлением трансформатора, но не превышающим 25-кратного номинального тока обмотки.
Сложные физико-химические воздействия на изоляцию возникают в масляных трансформаторах в результате наличия в изоляции посторонних примесей и воздействия температуры. Наиболее вредными примесями являются влага, оставшаяся в изоляции при сушке трансформатора, остатки растворителя пропиточного лака, не удаленного при запекании пропитанных обмоток или при сушке трансформатора, воздушные или газовые включения в изоляции, оставшиеся при заполнении трансформаторным маслом, загрязнения посторонними примесями (например, волокнами) твердой и жидкой изоляции.
С увеличением содержания влаги в твердой изоляции снижается ее электрическая прочность, воздействие электрического поля вызывает в ней возрастание диэлектрических потерь. Недостаточное удаление растворителей или неполная полимеризация лака после пропитки повышает диэлектрические потери и снижает электрическую прочность изоляции обмоток, а также вызывает ускоренное окисление и старение изоляционного масла в процессе эксплуатации трансформатора.
Воздушные или газовые включения в бумажно-масляной изоляции трансформатора являются также вредными и не должны оставаться в изоляции при заполнении трансформаторным маслом. При воздействии электрического поля на изоляцию в местах скопления воздушных (газовых) пузырьков, например между слоями бумажной изоляции, возникает корона, т. е. слабые частичные разряды, которые повреждают органическую изоляцию. Кроме того, наличие воздушных включений в масле снижает его электрическую прочность. Поэтому высоковольтные трансформаторы заполняют дегазированным маслом под вакуумом, применяют прогрев трансформатора для удаления воздушных включений из лабиринтов изоляции.
Присутствие механических примесей (волокон) в масле способствует переходу растворенной в масле воды в дисперсное состояние и вызывает этим снижение пробивного напряжения масла. Кроме того, механические примеси, оседая, создают «мостики», по которым возможен пробой.
Расчет изоляции и проверка ее прочности в готовом трансформаторе для всех возможных случаев затруднены ввиду того, что воздействия на изоляцию многообразны. Поэтому в трансформаторостроении выработаны определенные нормы и методы приемо-сдаточных, периодических и типовых испытаний, соблюдение которых позволяет получить надежную изоляцию.
Необходимую электрическую прочность изоляции в трансформаторах обеспечивают выбором материала изоляции, изоляционных конструкций и размеров изоляционных промежутков, а нагревостойкость изоляции — ограничением допустимой температуры. Рациональная конструкция и расположение обмоток обеспечивают необходимую механическую прочность. Изоляционные материалы, применяемые в трансформаторостроении, не вступают в химическое взаимодействие с маслом. Поэтому они не разрушаются и не способствуют разложению или загрязнению масла.
Значительную роль в обеспечении электрической прочности изоляции играет правильная технология ее обработки. Одной из важнейших технологических операций обработки изоляции является вакуумная сушка активной части трансформатора по окончании сборки перед заливкой его маслом.
Выполнение защиты силовых трансформаторов, методы испытания изоляции и нормы испытательных напряжений приведены в [13—19].
