Электрическая прочность — важнейшая характеристика трансформатора— определяет его надежность в эксплуатации и обеспечивается соответствующим устройством изоляции обмоток, отводов и других частей трансформатора, находящихся под напряжением, от заземленных элементов конструкции.
Заземленными частями конструкции являются остов и бак, в котором размещается активная часть трансформатора.
В СССР трансформаторы изготовляют с обмотками стандартных классов напряжения — 3, 6, 10, 20, 35, 110 кВ и т. д. Для каждого класса установлены наибольшие рабочие напряжения (частоты 50 Гц), длительное воздействие которых не нарушает электрическую прочность изоляции. Например, для классов напряжения 6 кВ это 7,2 кВ, для 10 кВ —12 кВ, для 110 кВ — 126 кВ и т. д.
Напряжения, воздействующие на изоляцию. В эксплуатации на трансформатор длительно воздействует номинальное рабочее напряжение, на которое он рассчитан. Однако под влиянием различных причин напряжение на короткое время может значительно превысить даже наибольшее рабочее, что создает опасность для изоляции трансформатора и заставляет принимать меры для ее усиления и защиты.
Напряжения, которые превосходят наибольшее рабочее напряжение и опасны для изоляции, называют перенапряжениями. Различают внутренние и внешние перенапряжения. Внутренние перенапряжения возникают при включении или отключении трансформатора, аварийном отключении какого-либо элемента электрической сети (двигателей, генераторов, других трансформаторов), несимметричном режиме работы и т. д. Внешние перенапряжения возникают в результате электрических разрядов (молний). При прямом ударе молнии, например в опору линии электропередачи, возникает ток главного разряда, создающий напряжение, равное силе тока, умноженной на сопротивление, которое он встречает. Это напряжение во много раз превосходит внутренние перенапряжения.
Перенапряжение может появиться и при разряде молнии в землю вблизи линии электропередачи. Такие перенапряжения называют наведенными или индуктированными. Как при прямом ударе молнии, так и при разряде вблизи линии вдоль проводов в обе стороны от места разряда будет распространяться волна высокого потенциала. Достигнув подстанции, волна вызовет на ее шинах значительные перенапряжения, которые будут воздействовать на трансформаторы. Эти внешние перенапряжения, несмотря на их ничтожную длительность, измеряемую микросекундами, являются наиболее опасными для изоляции трансформатора.
Волны внешних перенапряжений воздействуют, в первую очередь, на изоляцию «входных» витков и катушек, при этом вся «входная» (начальная) часть обмотки оказывается под действием максимальных градиентов, т. е. максимальной разности потенциалов между соседними витками и катушками. Эти максимальные напряжения проникают в глубину обмотки и во много раз превышают напряжения, действующие на витки и катушки в нормальном режиме работы, поэтому атмосферные перенапряжения особенно опасны для межкатушечной и межвитковой изоляции обмоток.
Итак, требования к прочности изоляции трансформатора определяются номинальным напряжением сети, а также внешними и внутренними перенапряжениями.
Виды изоляции.
В трансформаторе различают внутреннюю и внешнюю изоляции.
Внешней называют изоляцию снаружи бака трансформатора. Изолирующей средой для нее является воздух, а ее электрическая прочность зависит от атмосферных условий (давления, температуры, влажности и осадков). К внешней относят и воздушную изоляцию между вводами обмоток и наружными элементами конструкции (расширителем, патрубками, газовым реле), а также внешние поверхности вводов ВН и НН.
Внутренней называют изоляцию токопроводящих частей (обмоток, отводов, переключателей) между собой внутри бака и заземленными частями трансформатора. Изолирующей средой для нее является трансформаторное масло (или другой жидкий диэлектрик), твердый диэлектрик или их комбинация. К внутренней относят главную и продольную изоляцию обмоток.
Изоляцию обмотки от остова и других обмоток, гальванически не соединенных с ней, называют главной, а между частями одной и той же обмотки (соседними витками, катушками, слоями) — продольной. Твердую изоляцию выполняют в виде покрытий, изолирования и барьеров.
Покрытием называют сравнительно тонкий (не более 1—3 мм) слой изоляции (бумага, лак), плотно охватывающий проводник, например витковая изоляция обмоточных проводов.
Изолирование отличается от покрытия большей толщиной слоя изоляции (до десятков миллиметров), улучшающей распределение электрического поля вокруг проводника, например бумажная (или лакотканевая) изоляция концов внутренней обмотки трансформатора.
Барьерами называют прямые или фасонные перегородки из электрокартона, бумажно-бакелитовых цилиндров или трубок, разделяющих масляные промежутки между токопроводящими и заземленными частями трансформатора. Изоляцию, состоящую из масляных промежутков, разделенных барьерами, называют маслобарьерной. Главную изоляцию обмоток выполняют, как правило, маслобарьерной, а продольную — чисто масляной (катушки между собой) или твердой (между соседними витками).
Факторы, влияющие на электрическую прочность изоляции.
При эксплуатации изоляция трансформатора должна выдерживать, не разрушаясь, электрические и тепловые воздействия, механические усилия при коротком замыкании, а также быть стойкой к химическим процессам, которые могут возникнуть из-за содержания в ней посторонних примесей, влаги и воздействия повышенной температуры.
От качества сборки во многом зависит способность изоляции сохранять электрическую прочность. Сборщик трансформаторов должен знать, что любая небрежность при установке изоляционных деталей, монтаже обмоток или отделке активной части может стать причиной повреждения изоляции. Обрыв полоски бумаги, изолирующей обмоточный провод, может вызвать витковое замыкание, недостаточная толщина изоляции, наложенной на конец обмотки,— пробой главной изоляции, посторонние предметы (волокна ткани, куски бумаги, пыль, грязь, влага) — загрязнение масла. Посторонние примеси, воздух, влага создают «мостики», по которым возможен пробой изоляции, что резко снижает электрическую прочность масла.
Очень вредными являются воздушные включения в изоляции, возникающие после заполнения бака маслом в различных полостях и «лабиринтах» внутренней изоляции. Под воздействием электрического поля в местах скопления воздуха возникают разряды, постепенно разрушающие органическую изоляцию. Необходимо удалить воздушные включения, для чего трансформатор перед испытаниями (или включением в работу) прогревают, и воздух, расширяясь, покидает изоляцию.
Конструкция изоляции и ее деталей.
Конструкция главной и продольной изоляций обмоток различается в зависимости от мощности и класса напряжения трансформатора. Однако принципиальное строение изоляции и типовые элементы конструкции одинаковы для большинства трансформаторов со стержневой магнитной системой. Размещение обмоток и основных изоляционных деталей трехфазного трансформатора показано на рис. 24. Обмотки высшего 5 и низшего 21 напряжений намотаны на бумажно-бакелитовые цилиндры 7 и 19, которые кроме механической опоры выполняют роль барьеров, изолирующих обмотку НН от магнитной системы обмотки ВН и НН друг от друга.
Рис. 24. Расположение обмоток и изоляции трансформатора мощностью 6,3 МВ-А (разрез): 1 — уравнительная изоляция, 2, 10 — нижний и верхний концы обмотки НН, 3, 9 — нижняя и верхняя ярмовые изоляции, 4, 8 — нижнее и верхнее опорные кольца обмотки ВН, 5, 21 — обмотки ВН и НН, 6 — опорный клин (рейка) обмотки ВН, 7, 19 — цилиндры, 11 — бумажная изоляция верхнего конца обмотки НН, 12 — шинка заземления прессующего кольца, 13 — прессующий винт, 14 — ярмовая балка, 15, 16 — стальной и изоляционный стаканы, 17 — прессующее кольцо, 18, 23 — верхнее и нижнее опорные кольца обмотки НН, 20 — клин (рейка), 22 — прокладка между катушками
Другим элементом главной изоляции служит концевая изоляция обмоток — это изоляционные детали и конструкции, изолирующие торцовые части обмоток от ярма, ярмовых балок и стальных прессующих колец. На рис. 24 концевой изоляцией являются уравнительная 1, нижняя 3 и верхняя 9 ярмовые изоляции. Уравнительная изоляция выравнивает плоскости,ярма и ярмовой балки, создавая надежную опору для обмоток.
Ее изготовляют из электрокартона в виде полуколец и сегментов с прокладками или дерева для трансформаторов мощностью до 6,3 МВ-А.
Ярмовую изоляцию трансформаторов выполняют в виде шайбы из электрокартона (рис. 25, и, к) с приклепанными или приклеенными к ней с двух сторон прокладками 2, образующими каналы для прохода масла к ярму и обмоткам. Обычно число каналов соответствует числу и расположению прокладок между катушками обмоток. Прокладки 2 прикрепляют к шайбе 1 «заклепками» из электрокартона. Во избежание снижения электрической прочности прокладки сверлят не насквозь, а лишь на часть толщины.
Рис. 25. Детали изоляции силовых трансформаторов:
а и б — электрокартонная и деревянная уравнительные изоляции трансформаторов, в — угловая шайба, г — клин (рейка), д — двойная прокладка, е — опорное кольцо, ж — прокладка между катушками, з — барьер, и — ярмовая изоляция, к — нижняя ярмовая изоляция; 1 — шайба из листового электрокартона, 2 — прокладки из прессованного электрокартона, 3, 5 — деревянные детали, 4 — отверстие для прессующих шпилек, 6 — сегмент ярмовой изоляции
Для прохода концов внутренних обмоток в шайбе 1 делают вырезы, а в мощных трансформаторах ее разрезают, выделяя сегмент 6 в зоне выхода концов.
Для обмоток 110 кВ и выше обязательным элементом концевой изоляции является угловая шайба (рис. 25, в), которая представляет собой кольцевой Г-образный барьер, охватывающий край обмотки. Цилиндрическая и горизонтальная части угловой шайбы затрудняют развитие электрического пробоя как в радиальном направлении, так и в сторону ярма. На рис. 25 показаны различные детали изоляции обмотки: между отдельными катушками (рис. 25, же, д) обмотки и между соседними обмотками (рис. 25, г, з).
