Изоляция силовых трансформаторов
Силовой трансформатор является одним из основных устройств в сетях передачи и распределения электроэнергии. Таким образом, важно обеспечить оптимальную работу силового трансформатора для обеспечения бесперебойного и эффективного энергоснабжения. Одним из основных компонентов силового трансформатора является система изоляции.
Назначение изоляции в трансформаторах, классификация и требования к материалам
Изоляционные материалы являются одним из наиболее важных элементов трансформатора. Они используются для электрического разделения проводящих частей трансформатора друг от друга и от других компонентов. Нарушения внутренней изоляции являются основной причиной отказов трансформаторов.
Ниже приведены наиболее важные свойства изоляционных материалов, используемых в трансформаторах:
- Очень высокое объемное сопротивление или удельное сопротивление.
- Низкая относительная диэлектрическая проницаемость.
- Высокая диэлектрическая прочность.
- Низкие диэлектрические потери.
В качестве изоляционного материала в трансформаторах могут использоваться только те материалы, которые удовлетворяют указанным выше свойствам.
Материалы для изоляции трансформаторов
Изоляция большинства силовых трансформаторов состоит как из масла, так и из целлюлозы (бумага и картон). Твердая изоляция делится на основные и второстепенные изоляционные конструкции. Основная система изоляции включает перегородки, распорки и зажимы, а второстепенная изоляция состоит из изоляции обмоток.
Целлюлозная изоляция трансформатора выполняет три функции. Прежде всего, он действует как диэлектрик, накапливая электрический заряд, когда трансформатор находится под напряжением, и, таким образом, изолирует компоненты трансформатора, находящиеся под разными напряжениями.
Она также выполняет механическую функцию, поддерживая обмотки, и способствует улучшению теплового состояния трансформатора, создавая охлаждающие каналы для масла.
Масло должно обеспечивать достаточную диэлектрическую прочность, обеспечивать достаточное охлаждение, сохранять сборку сердечника и катушки, заполняя пустоты в изоляционных материалах, и минимизировать контакт кислорода с целлюлозой и другими материалами, подверженными риску окисления.
Изоляция лучше всего выполняет свои функции, когда она чистая, сухая, относительно свободная от пустот и используется в пределах определенного температурного диапазона.
Внутренняя и внешняя изоляция
Итак, как и любое другое установленное на подстанции электротехническое оборудование, силовые трансформаторы не в последнюю очередь нуждаются в надежной электрической изоляции. И если говорить конкретно о трансформаторах, то у них можно четко разделить внутреннюю изоляцию и внешнюю изоляцию.
Внешняя изоляция (воздушные промежутки)
Ко внешней изоляции трансформатора относятся главным образом воздушные промежутки. Практически это все возможные промежутки между внешними проводящими частями трансформатора, так или иначе связанными с вводами:
- между вводами обмоток;
- вдоль фарфоровых покрышек данных вводов,
- а также между вводами и заземленным баком трансформатора.
Внутренняя изоляция (продольная и главная)
Ко внутренней изоляции трансформатора относятся:
- изоляция масляной части выводов;
- изоляция между отводами и вспомогательными устройствами (такими как переключатели),
- а также изоляция обмоток, которая подразделяется на главную и продольную.
Продольная изоляция обмоток
Продольная изоляция обмотки — это изоляция между соседними слоями ее витков. Она может иметь различные габариты и быть выполнена в форме различных конструкций, определяемых грозовыми перенапряжениями.
Чтобы напряжение на продольной изоляции было возможно более низким при импульсных воздействиях, дополнительно устанавливают специальные емкостные экраны и применяют переплетенные обмотки с соединением витков в определенной последовательности. Для снижения импульсных напряжений приходится увеличивать рабочее напряжение на продольной изоляции: между соседними витками получается значительная разность потенциалов. Но габариты продольной изоляции оказываются все же не слишком большими.
Главная изоляция обмоток
Главная изоляция обмоток — это:
- изоляция между обмоткой и магнитопроводом;
- между обмотками, принадлежащими одному стержню магнитопровода;
- между наружными частями обмоток, установленных на соседних стержнях магнитопровода,
- а также изоляция между наружной частью обмотки и стенкой бака трансформатора.
До недавних времен, главная изоляция обмоток была обязана своими габаритами прежде всего грозовым перенапряжениям. Сегодня же, когда номинальные напряжения в электрических сетях составляют сотни киловольт, определяющим фактором для построения главной изоляции обмоток трансформатора являются внутренние перенапряжения.
Когда внутренние перенапряжения эффективно ограничены, встает вопрос об электрической прочности главной изоляции на протяжении длительного времени, а также об изоляционном расстоянии.
Одним из немаловажных факторов, влияющих на конструкцию изоляции в силовом трансформаторе является тема отвода тепла. Суть в том, что медные обмотки и железный магнитопровод во время работы трансформатора ощутимо нагреваются. Это значит, что изоляция должна быть такой, чтобы она позволяла осуществлять непрерывное охлаждение нагревающихся частей внутри бака трансформатора.
Современным способом реализации главной изоляции в силовом трансформаторе, с учетом требований касательно охлаждения, является применение маслобарьерной изоляции. Что же касается отводов, то они изолируются отдельно.
Продольная изоляция обмоток может быть бумажно-масляной, либо катушки и витки могут быть покрыты собственным изоляционным материалом.
Преимущество именно маслобарьерной изоляции заключается в том, что благодаря циркуляции масла в баке, автоматически осуществляется достаточно эффективное охлаждение конструкции трансформатора. К тому же такая изоляция демонстрирует высокую кратковременную электрическую прочность.
Барьер и его особенности
Для эффективного действия диэлектрического барьера, он должен быть расположен поперек направления линий напряженности электрического поля.
Для проходного изолятора данное условие выполняется легко — применением цилиндрического барьера, поскольку электрическое поле там направлено радиально.
Но непосредственно в силовом трансформаторе электрическое поле направлено сложно, поэтому здесь комбинируют барьеры различных форм: цилиндр, плоская шайба, угловая шайба.
Чем выше номинальное напряжение — тем больше устанавливают картонных барьеров. А для того, чтобы выровнять распределение напряжения вдоль обмотки при грозовом перенапряжении, а также оптимизировать конфигурацию электрического поля скраю обмотки, у входной ее зоны устанавливают проводящее кольцо с разрезом, повышающее емкость между точкой входа в обмотку и остальной катушкой.
Кроме того, продольную емкость между витками увеличивают применением переплетенной обмотки. Это делается для улучшения распределения импульсного напряжения от явления грозового перенапряжения.
Бумажно-масляная изоляция обладает более высокой электрической прочностью, чем маслобарьерная и позволяет уменьшить габариты силовых трансформаторов при использовании ее в качестве главной изоляции обмоток, что крайне важно для мощных трансформаторов в силу удобства их транспортировки.
Но у бумажно-масляной изоляции есть один серьезный минус — она не позволяет достичь такого же эффективного охлаждения, как с маслом.
Трансформаторное масло является наиболее важным из всех изоляционных материалов, используемых в трансформаторах. Оно служит изолятором, а также охлаждающей жидкостью. Кроме того, оно защищает токоведущие части от коррозии.
Трансформаторное масло, как правило, состоит из четырех основных соединений, а именно парафинов, нафтенов, ароматических углеводородов и олефинов.
Хорошее трансформаторное масло должно содержать больше насыщенных парафинов, меньше ароматических соединений и нафтенов и совсем не должно содержать олефинов. Трансформаторное масло широко известно как углеводородное минеральное масло.
Трансформаторное масло также помогает выявить неисправности, возникающие в тех проводящих частях, которые в него погружены (смотрите — Признаки неисправности работы силовых трансформаторов при эксплуатации).
Электротехническая бумага – крафт-бумага
Электротехническая бумага или крафт-бумага — один из самых дешевых и лучших изоляционных материалов, используемых в трансформаторах. Он должен иметь высокую диэлектрическую прочность и не содержать проводящих частиц.
Крафт-бумага изготавливается из небеленой хвойной целлюлозы, производимой сульфатным способом. Используется небеленая хвойная древесина, поскольку остаточные отбеливающие вещества могут изменить ее электрические свойства.
Бумага должна иметь достаточную прочность на растяжение, чтобы выдерживать натяжение, оказываемое на нее при намотке на рулоны. Она также должна выдерживать термические нагрузки во время эксплуатации.
Прессборд для трансформаторов
Как и крафт-бумага, картон также является одним из широко используемых изоляционных материалов. Прессборд представляет собой не что иное, как толстую бумагу, изготовленную путем укладки нескольких слоев бумаги на мокрой стадии производства.
Прессованный картон (изоляционный картон, прессборд) можно изготавливать либо путем размещения слоев бумаги на мокром этапе без какого-либо связующего вещества, либо путем склеивания отдельных листов с помощью подходящего клея.
Хлопчатобумажные ленты, хлопчатобумажные неварные ленты, стеклотканые ленты, тканые териленовые ленты и пропитанные полиэфирной смолой стеклянные ленты используются в трансформаторах для связывания сердечников трансформаторов, болтов и других деталей, требующих более высокой диэлектрической прочности.
Изоляционные материалы, используемые в трансформаторах, классифицируются в зависимости от их способности выдерживать температуру. Ниже приведен список всех классов изоляции, используемых в трансформаторах, и примеры.
| Класс изоляции | Температурный предел | Изоляционные материалы |
| Y | 90 град. Цельсия | Хлопок, шелк, бумага и дерево без пропитки. |
| A | 105 град. Цельсия | Ламинированная древесина, лакированная бумага и хлопок, шелк и бумага при пропитке натуральными смолами, эфирами целлюлозы или изоляционным маслом. |
| B | 130 град. Цельсия | Стекловолокно, слюда и асбест с подходящей пропиткой или покрытием. |
| C | Выше 180 град. Цельсия | Стекло, слюда, асбест, фарфор и кварц с неорганическим связующим или с силиконовыми смолами высокой термостойкости. |
| E | 120 град. Цельсия | Синтетическая смола, эмаль, бумага и хлопок, связанные формальдегидом. |
| F | 155 град. Цельсия | Стекловолокно, слюда и асбест с подходящей пропиткой или покрытием. |
| H | 180 град. Цельсия | Стекловолокно, слюда и асбест с кремниевыми смолами. |
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Электрическая прочность изоляции трансформатора
Электрическая прочность — одна из важнейших характеристик трансформатора, определяющая его надежность и пригодность в эксплуатации. Электрическая прочность обеспечивается соответствующим устройством изоляции токопроводящих частей от заземленных элементов конструкции трансформатора.
Токопроводящими частями являются проводники обмоток и все электрически связанные с ними металлические части (детали переключающих устройств, вводы трансформатора, отводы обмоток). Заземленными элементами конструкции являются магнитопровод с его деталями и бак, в котором размещается активная часть трансформатора.
Трансформаторы выполняют с обмотками следующих стандартных классов напряжения: 3, 6, 10, 15, 20, 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ. Для каждого класса ГОСТ 1516.1—76 и ГОСТ 20690—75 (для 750 кВ) установили наибольшие рабочие напряжения, т. е. наибольшие напряжения частоты 50 Гц, длительное воздействие которых допустимо по условиям электрической прочности изоляции. Например, для класса 3 кВ — 3,6 кВ, для класса 10 кВ — 12 кВ, для 35 кВ — 40,5 кВ и т. д. Если для трансформатора нет дополнительных ограничений, определяемых насыщением активной стали, он должен нормально работать при указанных для данного класса наибольших напряжениях.
Напряжения, воздействующие на изоляцию. Перенапряжения
В эксплуатации трансформатор подвергается длительному воздействию номинального рабочего напряжения, на которое он рассчитан. Однако под влиянием различных факторов напряжение может значительно превысить номинальное значение, что в свою очередь может привести к повреждению изоляции трансформатора. Напряжения, значения которых превосходят наибольшее рабочее напряжение и имеют, поэтому опасную для изоляции величину, называют перенапряжениями. Различают внутренние и внешние перенапряжения.
Внутренние перенапряжения возникают при оперативных переключениях, внезапных (аварийных) отключениях отдельных элементов электрической сети (генераторов, трансформаторов, двигателей), дуговых замыканиях на землю, несимметричном режиме работы и т. д. Величину внутренних перенапряжений принято характеризовать кратностью по отношению к номинальному фазному напряжению. Она не превосходит 2,5—4 Uфаз, а ее длительность измеряется от сотых долей секунды до нескольких секунд и более.
Внешние перенапряжения в электрических установках возникают в результате электрических разрядов (молний) с грозовых облаков. При прямом ударе молнии, например, в опору линии электропередачи по ней протекает ток главного разряда, создающий напряжение, равное силе тока, умноженной на сопротивление, которое он встречает на своем пути.
Перенапряжение может появиться и при разрядах молнии в землю вблизи линии электропередачи или трансформатора. Такие перенапряжения называют наведенными или индуктированными. Величина индуктированных перенапряжений может достигать 500— 600 кВ и зависит от удаленности разряда от линии электропередачи, от величины тока молнии, высоты подвески проводов и т. п.
Как при прямом ударе молнии в линию электропередачи, так и при разряде вблизи нее вдоль проводов в обе стороны от места разряда будет распространяться волна высокого потенциала (рисунок 1). Достигнув подстанции, эта волна вызовет на ее шинах значительные, хотя и ограниченные разрядниками, перенапряжения, которые будут воздействовать на трансформаторы и всю подключенную к шинам аппаратуру. Эти внешние перенапряжения, несмотря на их ничтожную длительность, измеряемую микросекундами, являются наиболее опасными воздействиями на изоляцию трансформатора. Дело в том, что когда волна перенапряжения, двигаясь вдоль линии электропередачи, достигает трансформатора, на его линейных вводах быстро нарастает напряжение. Скорость при этом столь велика, что в обмотке трансформатора возникает сложный выравнивающий процесс колебательного характера, при котором распределение напряжения по виткам становится крайне неравномерным. Объясняется это тем, что для волн перенапряжений обмотка представляет собой комбинацию емкостей (между соседними катушками и витками, между катушками и заземленными частями трансформатора), и волна распределяется по обмотке в соответствии с величиной емкости ее отдельных частей.
1 — линия электропередачи, 2 — трансформаторы, 3 — опора линии
Рисунок 1 — Распространение волны перенапряжений вдоль линии электропередачи
Волны перенапряжений приходят с линии и поэтому воздействуют в первую очередь на изоляцию входных витков и катушек. При этом вся «входная» часть обмотки оказывается под воздействием максимальных градиентов, т. е. максимальной разности потенциалов между соседними витками. Эти максимальные напряжения проникают и в глубину обмотки. Таким образом, при внешних перенапряжениях на изоляцию между соседними катушками и витками обмотки воздействует во много раз большее напряжение, чем при нормальной рабочей частоте. Это делает атмосферные перенапряжения особенно опасными для межкатушечной и межвитковой изоляции обмоток. Статистический анализ повреждений изоляции показывает, что для трансформаторов с номинальным напряжением до 220 кВ наиболее опасными являются именно внешние перенапряжения.
Итак, требования к прочности изоляции трансформатора определяются номинальным напряжением сети, а также внутренними и внешними перенапряжениями.
Классификация и виды изоляции трансформатора
В трансформаторе различают внутреннюю и внешнюю изоляции.
Внешней называют воздушную изоляцию между вводами обмоток различных напряжений и фаз. К внешней, кроме того, относят воздушную изоляцию между вводами обмоток и наружными элементами конструкции бака — расширителем, патрубками, газовым реле и т. п., а также воздушную изоляцию самих вводов.
Внутренней называют изоляцию токоведущих частей, расположенных в баке трансформатора. К внутренней, кроме того, относят изоляцию отводов и переключателей внутри бака между собой и заземленными частями трансформатора.
Внутреннюю изоляцию подразделяют на главную и продольную. К главной относят изоляцию обмотки от остова, бака и других заземленных частей, а также от других обмоток, электрически не соединенных с нею. К продольной относят изоляцию между отдельными элементами (витками, катушками) данной обмотки.
Схема классификации изоляции силового трансформатора показана на рисунке 2.
Рисунок 2 — Схема классификации изоляции силового трансформатора
Внутренняя изоляция масляных трансформаторов может быть твердой (между соседними витками или рядом лежащими изолированными отводами); чисто масляной (между катушками, неизолированными отводами или между токоведущими частями вводов и стенкой бака) и комбинированной, т. е. масляной изоляцией в сочетании с твердой.
Твердая изоляция применяется в виде покрытий, изолирования и барьеров. Покрытием называется сравнительно тонкий (не более 1—2 мм) слой изоляции (бумага, лак), плотно охватывающий проводник. Примером покрытия является витковая изоляция обмоточных проводов.
Изолирование отличается от покрытия большей толщиной слоя изоляции (до десятков миллиметров), что позволяет существенно улучшить распределение электрического ноля вокруг проводника. Примером изолирования может служить бумажная изоляция проводов ПБОТ, широко применяемых для отводов трансформаторов.
Барьерами называют прямые или фасонные перегородки из электрокартона, бумажно-бакелитовых цилиндров или трубок, установленных в масляных промежутках между токоведущими и заземленными частями трансформатора.
Изоляция, состоящая из масляных промежутков, разделенных барьерами, называется маслобарьерной.
Главная изоляция масляных трансформаторов выполняется, как правило, маслобарьерной и состоит из цилиндров, перегородок, угловых и круглых шайб из электрокартона, промежутки между которыми заполнены маслом.