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.