Колганов С. Н.
В энергосистемах нашей страны используются каскадные трансформаторы напряжения НКФ с масляной изоляцией, а в элегазовых комплектных распределительных устройствах (КРУЭ) - трансформаторы напряжения производства Запорожского завода высоковольтных аппаратов.
Выпускаемые каскадные трансформаторы напряжения недостаточно надежны вследствие явления феррорезонанса, возникающего при коммутации выключателя, и в большинстве случаев требуют замены. Крупнейшим зарубежным производителем элегазовых трансформаторов практически на все классы напряжения является фирма Haefely. Поэтому разработка и производство новых трансформаторов напряжения с элегазовой изоляцией - актуальная проблема для нашей страны. Это позволит заменить импорт и в определенной степени начать замену каскадных трансформаторов с масляной изоляцией.
Изоляция трансформатора должна соответствовать требованиям ГОСТ 1516.3-96. Определяющим видом испытаний изоляции для трансформатора являются испытания грозовыми импульсами: полным и срезанным. Кроме этих воздействий, изоляция трансформатора напряжения в составе КРУЭ подвергается воздействию высокочастотных перенапряжений, которые являются причиной их выхода из строя.
Причина возникновения перенапряжений - многократные повторные зажигания дуги в межконтактном промежутке разъединителя в процессе коммутации емкостной нагрузки. Из-за относительно медленного движения контактов разъединителя имеют место большие кратности перенапряжений.
Максимальные частоты переходных процессов, которые связаны с функционированием разъединителей КРУЭ, могут составлять 50 МГц. Реальная максимальная амплитуда перенапряжений при коммутации емкостной нагрузки может достигать 2,8 фазного напряжения (по данным МЭК).
Для классов напряжения 110 - 330 кВ значения испытательного напряжения срезанным грозовым импульсом превышают максимальные значения напряжения высокочастотных перенапряжений, и только для класса 500 кВ и выше они становятся практически равными.
При воздействии импульсов с крутыми фронтами (срезанный и высокочастотный) распределение напряжения вдоль обмотки носит резко неоднородный колебательный характер (рис. 1). Специфика распределения напряжения вдоль обмотки обусловлена наличием емкостей между соседними витками и между витками соседних слоев, а также индуктивностей витков, связанных сильными взаимоиндуктивными связями. Кроме того, необходимо учитывать емкости витков относительно земли и нелинейность активного сопротивления провода вследствие скин-эффекта.
Рис. 1. График распределения напряжения по слоям макета катушки
Рис. 3. График зависимости напряжения перекрытия от давления элегаза (толщина слоя изоляции 0,9 мм)
В ВЭИ проведены расчеты численным методом и экспериментальные исследования макетов катушек. Эти исследования выявили хорошую сходимость результатов расчетов и экспериментов. Кроме того, они показали, что при воздействии импульсов с крутым фронтом в первый момент времени распределение напряжения имеет чисто емкостный характер.
Изоляция обмотки трансформатора напряжения подразделяется на межслоевую и межвитковую (рис. 2).
Возможны два вида повреждения межслоевой изоляции: пробой слоя изоляции и развитие разряда по поверхности изоляции с последующим перекрытием между слоями.
Развитие разряда вдоль поверхности изоляции происходит в три стадии:
- возникновение частичных разрядов у края слоя обмотки. Напряжение частичных разрядов определяется по формуле
Рис. 2. Изоляция обмотки ТН
где к1 - коэффициент, зависящий от материала изоляции и окружающей изоляционной среды; р - давление элегаза; δ - толщина межслоевой изоляции;
- возникновение скользящих поверхностных разрядов как с преобладающей нормальной составляющей, так и в резко неоднородном поле;
- перекрытие по поверхности.
Межслоевую изоляцию, очевидно, необходимо выбирать исходя из следующих условий:
отсутствие частичных разрядов при рабочем напряжении, так как при длительном режиме воздействия происходят разложение элегаза и деструкция твердой изоляции;
отсутствие скользящих разрядов при испытательном напряжении промышленной частоты;
отсутствие перекрытия изоляции при импульсных испытательных воздействиях и высокочастотных перенапряжениях.
Рис. 4. График зависимости напряжения перекрытия от толщины слоя изоляции (давление элегаза 2 кгс/см )
Рис. 5. Конструкция обмотки ТН
Рис. 7. Трансформаторы напряжения 110 кВ: а - для КРУЭ; б - отдельно стоящий ТН
Согласно проведенным расчетам определено, что максимальное витковое напряжение независимо от числа слоев обмотки равно
Число слоев обмотки трансформатора напряжения определяется по формуле
где U1,2/50 - испытательное напряжение срезанного грозового импульса; Кнер.с.р - коэффициент неравномерности распределения напряжения по слоям по отношению к чисто емкостному; ∆Uм/сл - допускаемое напряжение на слое, равное ΚзапΙUповр (Кзап - коэффициент запаса по напряжению; Uповр - напряжение повреждения слоя изоляции, зависящее от давления элегаза, толщины слоя, материала изоляции, длины уступа).
На рис. 3 и 4 построены графики зависимости напряжения перекрытия (повреждения) слоя изоляции от давления элегаза и толщины слоя изоляции. Повышение давления эффективно до 3,5-4 кгс/см2, дальнейшее его увеличение не вносит существенного вклада в напряжение перекрытия.
Рис. 6. Емкость слоя обмотки трансформатора напряжения на землю при наличии высоковольтного экрана
где Kнер.в.р - коэффициент неравномерности распределения напряжения по виткам.
Это напряжение позволяет выбрать тип провода по значениям электрической прочности его изоляции.
Максимальные градиенты напряжения в обмотке зависят от емкостного распределения напряжения по слоям, поэтому оно должно быть как можно более равномерным. Решение этой задачи сводится к оптимизации числа слоев, длины слоя и числа витков, емкости слоев на землю.
Расчетными методами установлено, что емкость на землю зависит от конструкции обмотки. Так, для обмотки рис. 5, а емкость слоя на землю в 2 раза больше аналогичной емкости в конструкции обмотки рис. 5, б.
Наличие высоковольтного экрана, нависающего над обмоткой, уменьшает на определенную глубину емкость на землю слоев, находящихся под ним (рис. 6), и выравнивает распределение напряжения по слоям обмотки.
Выбор главной изоляции элегазового трансформатора напряжения включает в себя расчет основных газовых промежутков, таких как:
изоляционный газовый промежуток между экранами магнитопровода и обмоткой;
Рис. 8. Отдельно стоящий ТН 110 кВ
Номинальная вторичная нагрузка основной обмотки с коэффициентом мощности cos φ = 0,8, Β·Α: |
|
в классе точности 0,2 | 100 |
в классе точности 0,5 | 400 |
в классе точности 1 | 600 |
Номинальная вторичная нагрузка дополнительной обмотки с коэффициентом мощности cos φ = 0,8, в классе точности 3,0, В-А | 1200 |
Предельная мощность трансформатора, В-А Номинальное давление элегаза при 20°С, МПа | 3200 |
газовый промежуток между высоковольтным экраном и экранами фланца; газовый промежуток между высоковольтным экраном и корпусом.
Расчет изоляционных промежутков выполнялся с помощью интегральных уравнений для расчета электростатических полей, в которых источники поля моделируются совокупностью потенциалов простого, двойного слоя и объемных зарядов.
Как отмечалось ранее, при использовании выпускаемых трансформаторов напряжения с масляной изоляцией возможно возникновение режима феррорезонанса. Один из способов борьбы с этим явлением - снижение номинального значения индукции, что оказывает влияние на конструкцию трансформатора и приводит к увеличению числа витков обмотки.
К другим особенностям электромагнитного расчета трансформатора напряжения относятся их малая мощность (порядка сотен вольт-ампер) и коэффициент трансформации от 1000 до 5000. В процессе электромагнитного расчета трансформатора напряжения основные размеры магнитопровода определяются исходя из допустимой мощности вторичной нагрузки при заданном классе точности и предельной мощности. Кроме того, учитываются необходимые размеры окна магнитопровода для допустимых по электрической прочности изоляционных расстояний.
Поскольку трансформатор напряжения является средством измерения, то он должен удовлетворять заданному классу точности, поэтому коэффициент трансформации выбирается с учетом погрешности по напряжению. Это достигается коррекцией числа витков вторичной обмотки.
ВЭИ им. В. И. Ленина совместно с ПО “Машиностроительный завод “Молния” разработаны трансформаторы напряжения с элегазовой изоляцией ЗНОГ 110, 220 кВ. Они имеют следующие основные технические характеристики.
Климатическое исполнение - УХЛ, категория исполнения 4 по ГОСТ 15150.
В качестве межслоевой изоляции выбрана полимерная лавсановая пленка, что позволяет находиться трансформатору в разгерметизированном состоянии долгое время.
Размеры присоединительного фланца позволяют использовать трансформатор как отдельно стоящий аппарат или в составе КРУЭ (в этом случае ввод заменяется литым проходным изолятором).
В 2000 г. ЗНОГ 110 кВ (рис. 7, 8) успешно прошел все типовые испытания, которые подтвердили его технические характеристики.
