В 50—60-х годах расчет маслобарьерной изоляции между обмотками базировался на исследованиях масштабных моделей. Масштабные модели воспроизводили конструкцию и размеры первого масляного канала у обмоток, электрическая прочность которых определяет электрическую прочность всего промежутка маслобарьерной изоляции. Исключительно важным результатом этих многолетних исследований явилось получение экспериментальной, зависимости пробивной напряженности в первом масляном канале от размера канала.
В скобках — отношение испытательных напряжений к наибольшему рабочему.
Однако, масштабные модели не могли воспроизводить всего многообразия изоляционных конструкций и не учитывали в полной мере рост объемов изоляции трансформаторов высших классов напряжения. Кроме того, прогресс в применении вычислительной техники открывал новые возможности совершенствования методов расчета. Требовали решения вопросы электрической прочности при длительном воздействии рабочего напряжения. С 60-х годов были развернуты обширные исследования электрической прочности различных изоляционных конструкций.
Работы производились в следующих направлениях:
а) совершенствование методов расчета воздействий на изоляционные промежутки и напряженностей в масляных каналах;
б) уточнение допускаемых напряженностей в масляных каналах при воздействии испытательных и длительного рабочего напряжений;
в) совершенствование конструкции и технологических процессов обработки изоляции.
Первое направление было обусловлено, главным образом, развитием вычислительной техники и было направлено на усовершенствование методов расчетов переходных процессов в обмотках при воздействии импульсных напряжений и методов расчета напряженностей в первом масляном канале у обмотки.
Наиболее сложную проблему представляло уточнение допускаемых напряженностей для различных изоляционных конструкций. Их уточнение производили на базе испытания полномасштабных моделей и опытных образцов.
На первом этапе при создании автотрансформаторов 750 кВ при разработке нового трансформатора производилась проверка выбранной изоляции путем испытания специальной комплексной модели. Комплексная, модель воспроизводила в натуральную величину конструкцию и размеры главной и продольной изоляции, установку ввода 750 кВ. Модель собиралась на инвентарном магнитопроводе. Проектирование модели основывалось на допускаемых напряженностях, полученных на масштабных моделях. Модель изготавливалась и обрабатывалась по той же технологии, что и проектируемый трансформатор, после чего испытывалась до выдерживаемого уровня напряжениями, превышающими испытательные.
Однако испытание комплексной модели давало информацию только о достаточности электрической прочности данного трансформатора, но не позволяло определить электрическую прочность масляных каналов различных конструкций главной изоляции и оценить соотношения электрической прочности при различных видах испытательных напряжений.
Это потребовало проведения исследований изоляции на полномасштабных моделях, воспроизводивших конструкцию и размеры, характерных зон изоляции, до повреждения.
Наиболее характерными зонами главной изоляции, отличающиеся степенью неоднородности электрического поля и конструктивным выполнением изоляции являются:
а) середина между обмотками;
б) середина между обмоткой и стенкой бака;
в) край между обмотками и ярмом остова;
г) край между обмоткой ВН, баком и ярмовой балкой остова. Исследования проводились как на моделях трансформаторов, так и на специальных моделях зон изоляции в натуральную величину.
Модели испытывались напряжениями промышленной частоты, одноминутным, коммутационным и полным грозовым импульсом. Как правило, модели доводились до повреждения воздействиями, определяющими электрическую прочность зоны.
В процессе проведения исследований были выявлены недостатки ранее применяемых изоляционных конструкций, выработаны направления совершенствования конструкции, созданы и испытаны модели усовершенствованных конструкций зон изоляции. Эти усовершенствования позволили уменьшить размеры главной изоляции между обмотками на 20—25 %, а снаружи обмотки ВН на 30—40 %. Всего было испытано 17 полномасштабных моделей, включая 4 модели установки вводов 750 и 1150 кВ.
Эти исследования в частности подтвердили, что в ряде случаев отношение электрической прочности изоляции при воздействии напряжения полного грозового импульса к прочности при одноминутном напряжении значительно меньше отношения испытательных напряжений, т. е. размеры изоляции в этих случаях определяются воздействием испытательных напряжений грозовых импульсов.
В связи с применением в трансформаторах 500 кВ и выше переплетенных обмоток размеры витковой изоляции стали оказывать заметное влияние на характеристики трансформаторов. Поэтому в 70-х годах были проведены исследования электрической прочности межвитковой изоляции различных конструкций обмоточных проводов в диапазоне толщин от 1,35 мм до 4,4 мм, а также и воздействий от 1 мкс до 1000 часов.
Исследование длительной электрической прочности при длительном воздействии рабочего напряжения проводились на моделях изоляции, а проверка принятых решений путем опытно-промышленной эксплуатации образцов электрооборудования.
Так до промышленного освоения автотрансформаторов 750 кВ в опытно-промышленную эксплуатацию было установлено две группы однофазных автотрансформаторов 417 МВ-А, 750/500 кВ.
Длительной эксплуатации были подвергнуты: одна фаза опытного автотрансформатора 210 МВ-А, 1150/500 кВ, три фазы автотрансформаторов 667 МВ-А, 1150/500 кВ и одна фаза генераторного трансформатора 417 МВ-А, 1150/20 кВ.
Однако наибольшую научную ценность представляет промышленная эксплуатация специально разработанного однофазного блочного трансформатора 135 МВ-А, 500 кВ с резко сниженными испытательными напряжениями.
Три фазы этих трансформаторов установлены в 1979 г на Волжской ГЭС в Самаре. Еще 12 фаз таких трансформаторов в 1987— 1990 гг. установлены на Волгоградской ГЭС. Защита трансформаторов от перенапряжения осуществляется специальными ограничителями перенапряжений. В этом трансформаторе по сравнению со стандартными трансформаторами 500 кВ рабочие напряженности во всех элементах изоляции (главная, до бака, установка ввода 500 кВ, продольная) увеличены на 30—55%. Эти напряженности были также выше, чем в автотрансформаторах и генераторных трансформа торах 1150 кВ.
За все время эксплуатации этих трансформаторов с 1979 г. ни одного случая повреждения изоляции не зафиксировано. Этот уникальный эксперимент, не имеющий аналогов в мировой практике, показал возможность реализации сниженных уровней испытательных напряжений для трансформаторов высших классов напряжения без снижения их надежности, что является одним из важных направлений повышения технического уровня трансформаторов.
Важным аспектом методологии разработки изоляции силовых трансформаторов высших классов напряжения является внедрение конструктивных и технологических мер, обеспечивающих высокое качество изоляции и сохранение изоляционных характеристик в процессе обработки на заводе-изготовителе, транспортирования, монтажа и эксплуатации.
Многочисленные исследования у нас в стране и за рубежом показали, что влага, ia-зы и механические примеси при определенных условиях и концентрациях оказывают значительное влияние на электрическую прочность изоляции трансформаторов.
Поэтому необходимо было решить задачу разработки таких технологических процессов обработки изоляции, которые позволили бы получить на заводе, при монтаже и в эксплуатации как можно меньшие значения остаточного влагосодержания в твердой изоляции и в масле; особое внимание удалялось очистке и дегазации масла, заливаемого в трансформатор.
Новые технологические процессы и конструкторские решения были разработаны и внедрены при освоении первых трансформаторов 750 кВ в конце 50-х—начале 70-х годов, затем усовершенствованы в 80-х годах.
Отметим основные решения:
• модернизированы термовакуумное оборудование и дегазационные установки;
• транспортировка трансформаторов осуществляется с маслом и автоматической подпиткой азотом;
• предъявлены жесткие требования к монтажу, который контролируется специалистами;
• применена пленочная защита масла и термосифонные фильтры.
В результате были достигнуты следующие характеристики изоляции.
Влагосодержание твердой изоляции при сушке на заводе не превышало 0,5%, в эксплуатации — не более 1 %. Масло, заливаемое в трансформатор на заводе и при монтаже, имеет электрическую прочность не менее 70 кВ, tgδ при температуре 90° — не более 0,5, влагосодержание — не более 10 г/т, содержание механических примесей — не более 5 г/т.
Таким образом, разработана и внедрена методология разработки изоляции силовых трансформаторов высших классов напряжения, включающая исследования электрической прочности на полномасштабных моделях и опытных образцах, совершенствование методов расчета и испытаний, разработку конструктивных и технологических мер, обеспечивающих сохранение характеристик изоляции в процессе изготовления, монтажа и эксплуатации, что позволило обеспечить их высокую надежность в эксплуатации.