Изоляция силовых трансформаторов

В силовых трансформаторах изоляция состоит из ряда различных по конструкции элементов, работающих в неодинаковых условиях и имеющих разные характеристики. Воздушные промежутки между вводами и по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки, расположенные внутри бака, - внутреннюю изоляцию трансформатора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. К главной относится изоляция обмоток относительно земли и между разными обмотками. Это могут быть следующие участки: обмотка - магнитопровод или бак; обмотка НН - обмотка ВН; отвод - стенка бака; между отводами разных обмоток. К продольной относится изоляция между разными точками одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками.

Требования к электрической прочности отдельных элементов изоляции определяются специфическими особенностями переходного процесса в трансформаторе при воздействии на него импульсных напряжений.

При заземленной нейтрали трансформатора наибольшее импульсное напряжение на главной изоляции имеет место на расстоянии приблизительно 1/3 длины обмотки от начала и может на 15 - 20 % превышать воздействующее напряжение.

При изолированной нейтрали наибольшее импульсное напряжение возникает на конце обмотки и может превышать воздействующее напряжение на 50 - 80 %.

Если импульс имеет крутой фронт, то на продольной изоляции могут возникать напряжения, более, чем в 10 раз превышающие напряжения нормального режима. При пологих импульсах, например при внутренних перенапряжениях, напряжения на продольной изоляции намного ниже. Наибольшие напряжения на продольной изоляции возникают при срезах, т.е. при пробое какого-либо промежутка, расположенного поблизости от трансформатора. Из-за наличия индуктивности соединительных проводов напряжение на трансформаторе при срезе имеет колебательный характер, причем максимум напряжения в отрицательный полупериод может составить около 0,6 напряжения среза U_ср. Воздействие такого импульса на обмотку трансформатора приблизительно эквивалентно воздействию полного импульса, равного 1,6U_ср.

В связи с этими особенностями поведения трансформатора при импульсных воздействиях необходимые габаритные размеры и конструкция продольной изоляции определяются грозовыми перенапряжениями. Для снижения напряжения на продольной изоляции при импульсных воздействиях применяют емкостные экраны и так называемые переплетенные обмотки, в которых витки соединяются друг с другом в определенной последовательности. При этом соседние витки оказываются под существенно разными потенциалами, и снижение импульсных напряжений достигается путем увеличения рабочего напряжения на продольной изоляции. Однако это позволяет несколько уменьшить габаритные размеры продольной изоляции.

Основные габаритные размеры главной изоляции трансформаторов до последнего времени также определялись грозовыми перенапряжениями. Однако ситуация существенно изменилась в связи с широким внедрением в электрических системах номинальных напряжений 330 кВ и выше, для которых основное значение приобретают внутренние перенапряжения. Если перенапряжения этого вида удастся эффективно ограничить, на первый план выступит длительная электрическая прочность, которая, вероятно, станет определяющим фактором при выборе изоляционных расстояний в главной изоляции трансформаторов.

На конструкцию изоляции трансформаторов сильное влияние оказывает то обстоятельство, что в активных частях трансформатора, т. е. в меди обмоток и в магнитопроводе, при работе выделяется большое количество тепла. Это заставляет выполнять изоляцию так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части.

Конструкция изоляции трансформаторов. В современных силовых трансформаторах в качестве главной используется преимущественно маслобарьерная изоляция. Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной либо с помощью изолирования и покрытия витков и катушек обмотки.

Маслобарьерная изоляция, как уже отмечалось ранее, обладает достаточно высокой кратковременной электрической прочностью и позволяет интенсивно охлаждать конструкцию за счет циркуляции масла. Для того чтобы барьеры были эффективными, они должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В проходных изоляторах, где электрическое поле в основном радиальное, это без труда достигается путем применения цилиндрических барьеров. В трансформаторах электрическое поле имеет сложную конфигурацию, поэтому приходится применять комбинацию барьеров разной формы. Подробнее рассматривается в разделе 2.

Изоляция кабелей

Электрические кабели - это гибкие изолированные проводники, снабженные защитными оболочками, которые предохраняют изоляцию от внешних механических и иных воздействий. Основными элементами силовых кабелей являются проводники - жилы, изоляция по отношению к земле и между жилами, герметичная металлическая оболочка и защитные покровы.

Металлическая оболочка, выполняемая обычно из свинца или алюминия, предохраняет изоляцию главным образом от влаги и отчасти от механических повреждений. Защитные покровы включают броню из стальных проволок или лент и слои кабельной пряжи из джутового волокна, пропитанной битуминозными составами с антисептиками. Броня обеспечивает главную защиту оболочки кабеля и его изоляции от внешних механических воздействий, а джутовые покровы - защиту оболочки от коррозии.

Кабели в целом и все их элементы должны обладать достаточной гибкостью, чтобы их можно было наматывать на барабаны для транспортировки или хранения и изгибать при укладке по неровной трассе. Поэтому, в частности, жилы силовых кабелей выполняются из большого числа скрученных тонких проволок.

В кабелях изоляция воспринимает на себя массу токоведущих жил, а также значительные усилия, необходимые для изгибания жил при намотке на барабан или при прокладке. В связи с этим от изоляции кабелей требуется сочетание достаточной гибкости с высокой механической прочностью.

Обычное для изоляции оборудования высокого напряжения требование высокой электрической прочности применительно к силовым кабелям имеет особое значение. Дело в том, что при увеличении электрической прочности и соответственно при уменьшении толщины изоляции не только снижаются затраты на ее изготовление, но и улучшаются условия отвода тепла от жилы и увеличиваются допустимые рабочие токи, кабель становится более гибким, достигается экономия металла оболочки и покровных материалов.

К надежности кабельных линий и, следовательно, к их изоляции предъявляются повышенные требования, так как на отыскание места повреждения и особенно на его устранение в подземных линиях затрачивается много времени и средств. При этом следует иметь в виду, что кабельные линии выполняются обычно из нескольких отрезков ограниченной длины (строительная длина - от 250 до 750 м), соединяемых последовательно муфтами. Последние монтируются в полевых условиях, поэтому технология наложения в них изоляции значительно уступает заводской.

В силовых кабелях высокого напряжения преимущественно используется бумажно-масляная изоляция.