Производство обмоток и изоляции силовых трансформаторов - Электроизоляционные и вспомогательные материалы в обмоточно-изоляционном производстве

1. 3. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основное назначение электроизоляционных материалов — надежно изолировать токоведущие части трансформатора между собой и ог заземленных частей, для чего эти материалы должны обладать определенными свойствами. Наиболее важными из них являются электрическая прочность, диэлектрические потери, электрическая проницаемость, электрическая проводимость, гигроскопичность, механическая прочность и нагревостойкость [20].
Электрическая прочность. Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет изоляционные свойства, если напряженность поля превысит некоторое критическое для данного диэлектрика значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности. Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным, а соответствующее значение напряженности поля — электрической прочностью диэлектрика.
Свойство электроизоляционного материала выдерживать высокое напряжение количественно выражается пробивным напряжением, отнесенным к единице толщины диэлектрика:
Enp=Uuv/h
где Eпр — электрическая прочность диэлектрика, кВ/м; Uaр — пробивное напряжение, кВ; /: — толщина электроизоляционного материала, м.
Электрическая прочность является одной из главных характеристик изоляционного материала и определяет возможность его применения в устройствах высокого напряжения. Она зависит от его предварительной обработки, температуры, влажности и других факторов. Материалы, применяемые в трансформаторах, в зависимости от места их установки и назначения имеют электрическую прочность при 20°С от 5*10+3 до 90 -103 кВ/м.
Диэлектрическими потерями называют потери энергии, возникающие в толще электроизоляционного материала (диэлектрика), находящегося в переменном электрическом поле. Вызываемое потерями нагревание приводит к старению материала (ухудшению изолирующих свойств). Диэлектрические потери принято оценивать тангенсом угла диэлектрических потерь tg б. Значение tg 6 определяет мощность, теряемую в диэлектрике, и зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного напряжения. Чем больше tg б, тем больше диэлектрические потери, нагрев диэлектрика и его старение.
Диэлектрическая проницаемость. Под действием приложенного напряжения в диэлектрике возникает электрическое поле, вызывающее его поляризацию. Для характеристики способности диэлектриков поляризоваться служит величина, называемая диэлектрической проницаемостью изоляции. Диэлектрическая проницаемость р. зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения.
Применяемые в трансформаторах электроизоляционные материалы имеют относительную диэлектрическую проницаемость в пределах 2—8 при 20°С и частоте 50 Гц. При выборе изоляционных материалов, работающих совместно, необходимо стремиться к тому, чтобы соотношение диэлектрических проницаемостей обеспечивало распределение напряженностей в последовательно включенных диэлектриках соответственно их прочности.
Электрическая проводимость. Электроизоляционные материалы обладают малой проводимостью. Способность диэлектрика проводить ток характеризуется его удельным объемным и поверхностным электрическими сопротивлениями. Чем больше удельное объемное и поверхностное сопротивление диэлектрика, тем выше его качество. При изготовлении трансформаторов качество изоляции проверяют приложением повышенного напряжения. При этом в изоляции возникает очень малый электрический ток, называемый током утечки или током проводимости. Он зависит от электрического сопротивления изоляции трансформатора Ru3- Сопротивление изоляции зависит от температуры, наличия влаги и загрязнений.
Повышение температуры и увлажненности резко понижает электрическое сопротивление изоляционного материала, увеличивает ток утечки и снижает качество изоляции. Большинство изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах обладает значительной гигроскопичностью, поэтому после изготовления трансформаторы подвергают тщательной сушке (удалению влаги из материала), в результате которой сопротивление их изоляции резко повышается.
Нагревостойкость. Различные материалы, применяемые в трансформаторостроении, по-разному реагируют на высокие температуры. Раньше всего при работе трансформатора разрушается его изоляция и в первую очередь — бумажная. Поэтому часто срок службы трансформатора определяется сроком службы той части его изоляции, которая подвергается наибольшему нагреву.
Все электроизоляционные материалы разделяют по их нагревостойкости на классы (ГОСТ 886 >-70). Для каждого класса изоляции установлена предельно допустимая температура нагрева, при которой материал может длительно работать. Большинство изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, относится к классу А, предельная длительно допустимая температура которого составляет 105°С. К ним относятся волокнистые электроизоляционные материалы из целлюлозы или шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик, изоляция эмалированных проводов на основе масляных или полиамидных лаков, полиамидные пленки, а также дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для изоляции класса А обычно являются трансформаторное масло, масляные лаки, битумные составы с температурой размягчения не ниже 105°С и другие вещества соответствующей нагревостойкости.
В современных силовых трансформаторах применяется твердая изоляция в сочетании с электроизоляционным (нефтяным) маслом. Жидкие диэлектрики, т. е. минеральное трансформаторное масло или синтетические жидкости (совтол 10), кроме изоляции, служат также охлаждающей средой.
В качестве основной твердой изоляции масляных трансформаторов в настоящее время применяют волокнистые материалы из целлюлозы. К ним относятся электрокартоны и бумага.

Электроизоляционные картоны. Важнейшими характеристиками электроизоляционного картона для главной изоляции являются высокие электрические показатели (стойкость к воздействиям поверхностных разрядов и электрическая прочность). Особенности конструкции трансформаторов, механические и электрические воздействия, имеющие место при их работе, приводят к необходимости применять для деталей изоляции электроизоляционный картон с различными свойствами. Так, для цилиндров главной изоляции трансформаторов и изоляционных перегородок нужен мягкий картон. Он должен быть эластичен, иметь повышенную масловпитываемость и минимальную усадку по длине при высокой механической прочности на разрыв. Основными электрическими характеристиками мягкого картона должны быть его стойкость к поверхностному разряду и высокая электрическая прочность на пробой по толщине.
Для элементов продольной изоляции — дистанционных прокладок, ярмовой и уравнительной изоляции — нужен твердый картон, хорошо работающий на сжатие. Он должен иметь минимальную усадку по толщине, улучшенную механическую прочность на сжатие и хорошо обрабатываться методом вырубки (штамповки) и резания. Кроме электроизоляционных картонов, обрабатываемых методом резки и штамповки, нужно иметь картон специальных марок для изготовления деталей сложной конфигурации методом горячей формовки на прессах или вытяжки в пресс-формах с предварительным увлажнением заготовки.
Электроизоляционный картон, выпускаемый промышленностью, изготовляется в соответствии с ГОСТ 4194-68 разных марок и толщин:

Картон выпускается в листах размером: при толщине листа 1,0 мм: марки Б —3000X4000; 3000X2000; 1500X1000; 1000Х Х1000; марки Г —350x1100; 350X1000; 850X950; при толщине листа более 1,0 мм: марок А и В — 3000X4000; 3000X2000; 1500Х X1000; 1000X1000; марки Б —3000X4000; 3000X2000; 1500Х Х1000 и 1000X1000; марки Г— 1850X3850; 1650x3800; 850X1100; 850X1000 и 850X950.
Картон марки Г толщиной 0,5 мм выпускается в рулонах шириной не менее 980 мм.
Картон марки А — эластичный, гибкий, с высокой стойкостью к действию поверхностных разрядов в масле. Этот картон предназначен для изготовления деталей главной изоляции высоковольтных масляных трансформаторов с напряжением до 1200 кВ включительно.
С 1974 г. Серпуховская бумажная фабрика (СБФ) изготавливает электрокартон марки М с добавкой в композицию картона хлопковой целлюлозы. Этот картон с более высокими показателями (в 2 раза выше марки А) по стойкости к воздействию поверхностных разрядов предназначен для главной изоляции трансформаторов свыше 750 кВ переменного напряжения и ±750 кВ постоянного [22]. Картон марки М обладает также лучшими электромеханическими характеристиками, чем картон марки А, более эластичен, технологичен, лучше поддается деформации растяжения, что является важным условием при изготовлении цилиндров, жестких угловых шайб и других деталей методом прессования.
Применение электроизоляционного картона марки М для изготовления деталей главной изоляции улучшает качество, надежность работы высоковольтных трансформаторов и реакторов и в целом снижает уровень частичных разрядов трансформаторного оборудования.
Картон марки Б — средней плотности с повышенными электрическими свойствами — применяется для изготовления деталей главной изоляции масляных трансформаторов напряжением до 220 кВ включительно.
Используемый в настоящее время электроизоляционный картон марки Б для изготовления деталей продольной изоляции с плотностью 950—1100 кг/м3 не обеспечивает надежную электродинамическую стойкость обмоток, особенно трансформаторов, подвергающихся частым электродинамическим воздействиям.
Для обеспечения необходимой эксплуатационной надежности трансформаторов следует применять для элементов продольной изоляции разработанный бумажной промышленностью «жесткий» картон плотностью 1250—1350 кг/м3 и сжимаемостью при давлении 20 МПа до 3,5% без остаточных деформаций после снятия давления.
Картон марки В—твердый, с малой сжимаемостью под давлением, высокой электрической прочностью (перпендикулярно к поверхности), используется для изготовления деталей продольной изоляции трансформаторов.
Картон марки Г — средней плотности с повышенным сопротивлением расслаиванию, применяется как основа для получения склеенного картона и изготовления изоляционных деталей масляных трансформаторов. Основные технические данные электроизоляционного картона приведены в ГОСТ 4194-68.
Электроизоляционные бумаги и ткани. Изоляционные бумаги применяются в трансформаторах в качестве витковой изоляции обмоточного провода, дополнительной катушечной изоляции в виде лент различной ширины. Наиболее важным параметром изоляционных бумаг (кроме диэлектрической проницаемости, угла диэлектрических потерь и электрической прочности) является стойкость бумаг к старению под воздействием температуры, электрического поля, влаги, кислорода и каталитического воздействия металлов в масле. В мировой практике применяются изоляционные бумаги и картон, характеристики которых улучшены путем специальной обработки (ацетилирование и цианэтилирование), что позволяет повысить температуру па поверхности проводникового материала на 15—20°С против допускаемой для обычной кабельной бумаги.
Положительные результаты получены в области разработки бумаг повышенной нагревостойкости для витковой изоляции обмоток отечественных трансформаторов. Уже освоен в настоящее время выпуск кабельной нагревостойкой бумаги марок КМТ-125 и КМТУ-80 ГОСТ 18448-73 [22]. По нагревостойкости они превосходят обычные кабельные бумаги по ГОСТ 645-67 и могут быть отнесены к классу нагревостойкости Е (120°С). Электрические характеристики нагревостойкости бумаг сохраняются на уровне соответствующих марок обычных кабельных бумаг:

Нагревостойкие кабельные бумаги (120°С) допускают при равном сроке службы с обычной кабельной бумагой класса нагревостойкости А температуру на 15—20°С выше.
За счет применения нагревостойких бумаг для витковой изоляции обмоток нагрузочная способность выпускаемых трансформаторов может быть увеличена на 10—15%, что эквивалентно увеличению мощности [22].
Кабельная бумага (ГОСТ 645-67) вырабатывается из сульфатной целлюлозы натурального цвета и имеет следующие марки: К-080, К-120, К-170, толщиной соответственно 0,08, 0,12, 0,17 мм и КВУ (уплотненная) толщиной 0,08 мм; она поставляется в рулонах шириной 450—800 мм.
Кабельную бумагу пропитывают трансформаторным маслом, что придает ей малую пористость и большую плотность и повышает ее электрическую прочность. Электрическая прочность кабельной бумаги в воздухе составляет 6-103—9-103 кВ/м, а после пропитки в сухом трансформаторном масле в зависимости от толщины 70X Х103—90*103 кВ/м. Диэлектрическая проницаемость сухой бумаги равна 2,2—2,7, плотность 800 кг/м3. Она обладает достаточно высокой маслостойкостью при работе в горячем трансформаторном масле. Благодаря высокой электрической и достаточной механической прочности ее применяют как изоляцию между слоями обмоток и для изолирования концов обмоток и отводов.
Телефонная бумага (ГОСТ 3553-73) изготовляется из сульфатной целлюлозы натурального цвета марок КТ-04 и КТ-05. Бумага выпускается в рулонах шириной 500 мм. Механические свойства телефонной бумаги ниже, чем кабельной. Ее применяют для витковой изоляции и изоляции между слоями обмоток трансформаторов.
Крепированная электроизоляционная бумага марки ЭКТМ (ГОСТ 12769-76) изготовляется из сульфатной целлюлозы. Благодаря поперечному крепу (гофрировке) она дает удлинение до 70% при натяжении. Поставляется в рулонах шириной 1000 мм. Толщина бумаги 0,44+0,09 мм. Масса 130+10 г/м2. По своим электрическим свойствам она несколько уступает кабельной.
Освоен выпуск крепированной бумаги улучшенного качества с мелким крепом марки ЭКТУ-70, которая имеет более высокие в 2,0—2,5 раза электрическую прочность ив 1,5 раза механическую прочность, чем крепированная бумага по ГОСТ 12769-76.
Для изолирования бумагу нарезают лентами шириной от 20 до 40 мм в направлении поперек крепа.
Благодаря высокой электрической прочности, маслостойкости, эластичности и хорошему вытягиванию крепированная бумага успешно применяется для изолирования отводов, мест соединений и изгибов вместо лакоткани.
Лакоткань электроизоляционная (ГОСТ 2214-70) представляет собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком; изготовляется в рулонах шириной 700—1000 мм. Хлопчатобумажная или шелковая ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая пленка — высокую электрическую прочность. По нагревостойкости лакоткани относятся к классу А.

Лакоткани

Применяется в виде лент шириной 20—40 мм, разрезается на ленты по диагонали (под углом 45°). Такая резка дает максимальное удлинение ленты при растяжении (до 30%), а это обеспечивает выполнение наиболее плотной изолировки. Лакоткани разделяют на черные и цветные (желтые) в зависимости от рода пропитывающего лака.
ЛХСМ — лакоткань хлопчатобумажная, пропитанная в светлом лаке, маслостойкая, толщиной 0,17; 0,2 и 0,24 мм. Плотность 1100 кг/м3, электрическая прочность около 60*103 кВ/м, применяется для изоляции концов обмоток и отводов масляных трансформаторов.
ЛШСС — лакоткань шелковая, пропитанная в светлом лаке, специальная, толщиной 0,04—0,06 и 0,1—0,15 мм, применяется для изолирования концов обмотки, отводов масляных трансформаторов.
Вспомогательные материалы — ленты хлопчатобумажные (ГОСТ 4514-71), применяемые в трансформаторостроении, имеют следующие переплетения: саржевое (киперная) и полотняное (тафтяная). В саржевом переплетении перекрытие нитей идет в виде наклонных узких полосок при одинаковой основной и уточной плотности под углом 45°, вследствие чего в ткани образуются диагональные рубчики. В полотняном переплетении перекрытие нитей идет под углом 90° при одинаковой основной и уточной плотности.
В масляных трансформаторах применяют тафтяную ленту толщиной 0,25 мм, шириной 10—50 мм и киперную толщиной 0,45 и шириной 10—60 мм. Ленты поставляют в рулонах, длина ленты в рулоне 50 м.
Хлопчатобумажные Ленты имеют большую механическую прочность, поэтому их применяют для механического крепления или защиты основной изоляции — силовых бандажей, для покрытия поверх основной изоляции катушек, отводов и мест соединений.
Электроизоляционные лаки в зависимости от назначения разделяются на пропиточные, покровные и клеящие: они изготовляются как воздушной, так и печной сушки.
Наиболее широкое применение при изготовлении обмоток и изоляции масляных трансформаторов имеют следующие лаки.
Лак ГФ-95 (ГОСТ 8018-70) масляно-глифталевый, электроизоляционный, пропиточный, печной сушки. Пленка лака светлая, твердая, обладает высокой маслостойкостью. Длительно сохраняет свою эластичность в процессе теплового старения. Электрическая прочность пленки лака 70-103 кВ/м лри 20°С, 30• 103 кВ/м при 90°С и 20-103 кВ/м после действия воды в течение 24 ч. Лак применяется для пропитки обмоток масляных трансформаторов и обеспечивает высокую механическую прочность обмоток. Время перехода лака в нерастворимое состояние при температуре 100— 115°С составляет примерно 18 ч.
Для ускорения процесса запекания в глифталево-масляные лаки часто вводится меламиноформальдегидная смола, при этом время запекания лака сокращается соответственно до 8—10 ч. Такой лак называется меламиноформальдегидным (МЛ-92). Растворителями глифталево-масляных лаков являются бензол и толуол.
Бакелитовый лак (ГОСТ 901-71) — раствор феноло- или крезолоформальдегидной смолы в спирте. Высыхает на воздухе, но требует запекания для перевода смолы в нерастворимое состояние. Во избежание образования пузырей перед запеканием необходимы воздушная сушка и постепенное повышение температуры в печи.

Бакелитовые лаки токсичны, так как содержат в своем составе свободный фенол, горючи, взрывоопасны. Работу с бакелитовыми лаками проводят в помещениях, обеспеченных проточно-вытяжной вентиляцией, с соблюдением санитарных правил по технике безопасности, принятых для работы с химическими веществами.
Применяется в производстве трансформаторов для склейки деталей из электроизоляционного картона и бумаги.
Клей КМЦ приготовляется на основе натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы Na КМЦ МРТУ 6-05-1098-67. Рецептура клея: 100 г Na КМЦ, 4 л воды. Клей наносится на одну или обе склеиваемые поверхности. Применяется при изготовлении ярмовой и уравнительной изоляции. Клей не токсичен.
Из вспомогательных материалов в обмоточно-изоляционном производстве характерными являются припои и парафин.
ГОСТ 1499-70 устанавливает несколько марок припоя: ПОС-10, ПОС-40, ПОС-61 и др.
Припой ПОС-40 применяется при пайке емкостных колец. Это оловянисто-свинцовый припой, являющийся сплавом олова со свинцом в пропорции: 39—41% олова, остальное свинец. В качестве флюса служит канифоль.
Кроме указанных, применяются и другие припои.
Припой ПМФ-7 — медно-фосфористый сплав, состоящий из 93% меди и 7—7,5% фосфора. Пайка этим припоем обеспечивает высокую механическую прочность соединения. Припой применяется при пайке отводов.

Припой ПСР-15 — серебряный сплав, включающий следующие компоненты: 80% меди, 15% серебра, 5% фосфора. Отличается высоким качеством спаев и большой механической прочностью. Применяется для пайки медных обмоточных проводов при намотке обмоток.
Парафин применяется для обеспечения лучшего скольжения деталей при насадке обмоток. Им натирают торцы картонных реек, на которых перемещаются дистанционные прокладки, технологические деревянные планки, куда вкладывают рейку при намотке обмоток трансформаторов IV—VIII габаритов на металлических цилиндрах. Во время намотки обмотки иногда натирают парафином обмоточный провод для более плотной затяжки витков, при изолировке дисковых катушек и отводов кабельной бумагой также парафинируют изолируемую поверхность для уменьшения трения.