ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
а) Основные элементы изоляции
Согласно ГОСТ 1516.1-76 [Л. 1-4] изоляция трансформатора подразделяется на внутреннюю и внешнюю.
Внешней изоляцией называют внешнюю часть изолирующей конструкции, где изолирующей средой является атмосферный воздух или сочетание поверхности твердого диэлектрика с воздухом.
Внутренней изоляцией называют внутреннюю часть изолирующей конструкции, где изолирующей средой является жидкий, полужидкий, твердый или газовый, диэлектрик или их комбинации, не подвергающиеся непосредственному воздействию внешних условий (загрязнения, влага и т. п.).
Внутренняя изоляция в свою очередь подразделяется на изоляцию главную и продольную.
Главной изоляцией называют изоляцию данной обмотки вместе с электрически соединенными с ней экранами, отводами и устройствами переключения относительно корпуса.
Продольной изоляцией называют изоляцию между электрически соединенными частями обмоток, отводов, экранов и устройств переключения, имеющих разные потенциалы.
Междуфазной изоляцией называют изоляцию между обмотками разных фаз трансформатора, расположенными на соседних стержнях магнитной системы.
На рис. 8-1 показана схема классификации изоляции трехфазных трансформаторов согласно [Л. 8-1].
При классификационных, периодических и приемосдаточных испытаниях трансформаторов состояние главной изоляции проверяют определением ее параметров на основании результатов измерений при пониженном напряжении, а также испытанием нормированным напряжением промышленной частоты (гл. 9). Продольную изоляцию трансформатора при приемо-сдаточных испытаниях проверяют только испытанием нормированным индуктированным напряжением повышенной частоты (гл. 9), так как измерениями при пониженном напряжении невозможно определить состояние продольной изоляции. При квалификационных и периодических испытаниях главную и продольную изоляции трансформатора проверяют испытанием нормированными грозовыми импульсами, а также импульсными обмерами.
Рис. 8-1. Классификация изоляции силовых трансформаторов.
б) Основные электроизоляционные материалы и их свойства.
В современных мощных силовых трансформаторах применяется твердая изоляция в сочетании с электроизоляционным нефтяным маслом и главным образом маслобарьерная изоляция.
В качестве основных твердых электроизоляционных материалов внутренней изоляции в современных масляных трансформаторах используют волокнистые материалы из целлюлозы. К их числу относятся: 1) кабельная и телефонная бумаги; 2) электроизоляционный картон; 3) бумажно-бакелитовые изделия в виде цилиндров и трубок, а также в виде листового материала.
Так как волокнистые электроизоляционные материалы гигроскопичны, т. е. поглощают влагу из воздуха, для защиты от увлажнения сухих трансформаторов их пропитывают лаками. У трансформаторов, заполненных маслом или другой изолирующей жидкостью, внутренняя изоляция не имеет непосредственного контакта с окружающим воздухом и поэтому менее подвержена увлажнению. Обмотки масляных трансформаторов иногда пропитывают лаками (на масляной основе) с целью увеличения их механической прочности.
В качестве жидкого изоляционного материала применяют главным образом электроизоляционное нефтяное (трансформаторное) масло.
Свойства электроизоляционных материалов, применяемых при изготовлении трансформатора, оказывают существенное влияние на параметры его изоляции [Л. 8-2—8-4].
в) Эквивалентная схема замещения и методы определения параметров изоляции.
Рис. 8-2. Эквивалентная схема замещения изоляции (из четырех ветвей).
Сг — геометрическая емкость изоляции; Савс и r — абсорбционная ветвь изоляции; rп — сопротивление сквозному току проводимости; S — эквивалентный искровой промежуток, характеризующий электрическую прочность изоляции.
Главную изоляцию трансформатора можно представить в виде эквивалентной схемы из параллельных ветвей, содержащих емкости и активные сопротивления, включенные между двумя электродами. Такая схема называется параллельной схемой замещения (рис. 8-2) диэлектрика (изоляции). Ее элементы характеризуют состояние изоляции. Ветвь с абсорбционной емкостью и сопротивлением, характеризующая степень неоднородности диэлектрика (наличие расслоений, увлажнения, загрязнения и т. п.), определяет диэлектрические потери в изоляции при переменном напряжении. Третья ветвь, имеющая сопротивление, определяет сквозной ток проводимости или сопротивление изоляции постоянному току.
Рис. 8-3. Изменение во времени составляющих тока в диэлектрике.
— зарядный ток; ίз п— затухающий ток проводимости; iабc—ток абсорбции;
iп — сквозной ток проводимости; ί∑— суммарный ток диэлектрика; i — ток, через сопротивление изоляции спустя 60 с.
Применяя различные методы испытаний постоянным и переменным напряжением, можно определить отклонение значений отдельных элементов схемы от нормальных, т. е. судить о наличии и характере дефектов в изоляции. При подключении диэлектрика, помещенного между двумя электродами, к источнику постоянного напряжения, через диэлектрик протекает суммарный ток, изменяющийся во времени (рис. 8-3).
Этот ток согласно схеме замещения имеет следующие составляющие: 1) нормальный зарядный ток ic, обусловленный в основном геометрической емкостью Сг (зависящей только от геометрических размеров электродов конденсатора с идеальным- диэлектриком, т. е. без потерь); 2) плавно спадающий до нуля ток абсорбции, размер и длительность протекания которого обусловлены параметрами и эквивалентной схемы замещения; 3) неизменный во времени сквозной ток проводимости или ток утечки, вызванный наличием в диэлектрике свободных ионов; 4) в жидких диэлектриках, кроме того, затухающий ток проводимости, обусловленный наличием ионов электролитического типа.
Причина возникновения тока абсорбции (абсорбция диэлектрика) связана с явлением внутрислоевой поляризации диэлектрика вследствие его неоднородности, т. е. с явлением перераспределения и накопления зарядов в пограничных (неоднородных) слоях диэлектрика. Полученные диэлектриком заряды удерживаются тем большее время, чем больше сопротивление и чем более длительное время будет происходить спад тока или увеличение сопротивления изоляции во времени.
При воздействии переменного электрического поля в сложном диэлектрике (например, в изоляции трансформатора) происходит выделение тепла и нагревание изоляции. Это явление носит название диэлектрических потерь; они состоят из трех составляющих:
- Потери, обусловленные током проводимости, как при постоянном, так и при переменном напряжении. Они изменяются пропорционально квадрату напряжения и обратно пропорционально сопротивлению, т. е. P=U2/rn.
- Потери, обусловленные абсорбционными токами, и дипольные потери, вызванные наличием в волокнистой изоляции и в масле полярных молекул, которые стремятся ориентироваться и следовать за переменным электрическим полем. Эти потери, пропорциональные квадрату напряжения, связаны с остаточной поляризацией диэлектрика. После каждого полупериода переменного тока в диэлектрике сохраняется остаточный заряд. При изменении направления электрического поля в следующий полупериод затрачивается известная энергия для нейтрализации этого заряда и накопления заряда противоположной полярности, т. е. на движение зарядов в диэлектрике.
Рис. 8-4. Векторная диаграмма токов в диэлектрике.
а— полная; б— упрошенная; i — результирующий ток;
iq — зарядный ток геометрической емкости; iабс — ток абсорбции; i — активная и реактивная составляющие тока абсорбции; iп — ток сквозной проводимости.
Это явление подобно явлению остаточного намагничивания в стали (магнитный гистерезис). По аналогии с ним явление остаточного заряда называют иногда электрическим гистерезисом [Л. 8-5]. Абсорбционные и дипольные потери не вызывают разрушения изоляции, однако они дополнительно нагревают ее и снижают допустимые электрические нагрузки на нее.
- Потери на ионизацию в газовых включениях, особенно при сплошной бумажной изоляции кабельного типа. Эти потери возникают не сразу, а при определенном значении приложенного напряжения, которое называется напряжением начала ионизации. При дальнейшем повышении напряжения в некотором диапазоне потери на ионизацию изменяются пропорционально напряжению. Они действуют разрушающе на органическую изоляцию.
На рис. 8-4 показаны полная и упрощенная векторные диаграммы токов в диэлектрике при его включении на переменное напряжение с угловой частотой ω. Полная диаграмма соответствует эквивалентной схеме замещения на рис. 8-2. На упрощенной диаграмме (рис. 8-4,б) активная составляющая абсорбционного тока и ток проводимости объединены в один ток Iа, а ток через геометрическую емкость Iсг и реактивная составляющая абсорбционного тока Iр объединены в ток Iс. Из упрощенной диаграммы следует, что мощность, теряемая в диэлектрике при переменном напряжении,
(8-1)
Выразив суммарный емкостный ток через физическую емкость С=Сr+Сабc, получим: Ic=ωCU и
(8-2)
Из (8-2) следует, что потери в диэлектрике пропорциональны tg δ, который называют тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как полные потери в диэлектрике зависят от геометрических размеров изоляции, для оценки ее состояния принято измерять не сами потери, a tg δ, который не зависит от размеров изоляции. При испытании трансформаторов tg δ принято выражать не в абсолютных значениях, а в процентах: tg δ % = 100 tg δ.
При значениях tgδ<0,l можно считать: tgδ~cosφ.
В некоторых странах (например, США) для оценки изоляции вместо tg δ принят коэффициент мощности cos φ.
Для оценки состояния изоляции трансформатора в условиях производства на заводе применяют следующие методы испытаний: 1) измерение сопротивления изоляции обмоток под напряжением постоянного тока; 2) измерение tg δ и емкость обмоток под напряжением переменного тока 50 Гц; 3) испытание пробы трансформаторного масла или другой изолирующей жидкости; 4) испытание электрической прочности изоляции обмоток напряжением промышленной частоты.
Испытания и измерения по пп. 1—3 выполняют в процессе производства для проверки технологических режимов обработки изоляции (сушка, пропитка), а также после окончательной сборки трансформатора перед испытанием изоляции обмоток по п. 4. Результаты этих испытаний являются также исходными данными при оценке состояния изоляции трансформатора по результатам измерений на монтаже перед вводом его в эксплуатацию.
Параметры изоляции трансформаторов измеряют при температуре изоляции не ниже 10°С. При этом за температуру изоляции принимают: а) температуру обмотки, измеренную по ее активному сопротивлению, — для всех трансформаторов, которые подвергались подогреву или не остыли после отключения, а также для трансформаторов, находящихся на открытом воздухе; б) температуру масла в верхних слоях — для масляных трансформаторов класса напряжения 35 кВ и ниже (находящихся внутри помещения), длительно отключенных и не подвергавшихся подогреву.
При контроле состояния изоляции трансформаторов перед вводом в эксплуатацию [Л. 8-12] используют также следующие методы: емкость — частота; емкость — время.
Измерения по п. 1 рекомендуется производить до измерений по п. 2.
