Изоляция силовых трансформаторов реферат

Обновлено: 19.05.2024

Изоляция силовых трансформаторов с металлическим баком разделяется на внешнюю и внутреннюю.

Внешняя изоляция составлена воздушными промежутками: между вводами; между вводами и заземленным баком; а также по поверхности фарфоровых покрышек вводов.

К внутренней изоляции относят изоляционные промежутки внутри бака: изоляцию обмоток, масляной части вводов, отводов и вспомогательных устройств.

Изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную.

Главная изоляция составлена изоляцией между обмотками; между обмотками и магнитопроводом; междуфазной изоляцией между наружными катушками двух соседних стержней; и изоляцией наружной катушки от стенки бака.

К продольной изоляции относят изоляционные промежутки между витками, между слоями витков и между катушками одной обмотки.

Габариты главной и продольной изоляции при напряжениях до 220 кВ включительно определяются грозовыми перенапряжениями. Конструкция изоляции должна обеспечивать охлаждение активных частей трансформатора.

Главная изоляция выполняется преимущественно маслобарьерного типа. Эта изоляция представляет собою трансформаторное масло с барьерами из электротехнического картона. Она обладает высокой импульсной электрической прочностью. Обеспечивает интенсивное охлаждение обмоток и магнитопровода. Общий вид такой изоляции показан на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Общий вид главной изоляции обмоток трансформаторов

Набор барьеров составляют из трех основных видов: цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба.

Барьеры разделяют один большой масляный промежуток на несколько меньших, что увеличивает общее пробивное напряжение. Для наибольшего эффекта барьеры должны располагаться перпендикулярно силовым линиям электрического поля.

Для обеспечения циркуляции масла и отвода тепла сооружают масляные каналы двух основных видов (рисунок 2.10):

вертикальные каналы между цилиндрическими барьерами и между барьерами и обмоткой с помощью вертикальных реек;

горизонтальные каналы между витками с помощью горизонтальных прокладок, которые служат одновременно для крепления вертикальных реек.

Рисунок 2.10 - Вертикальное (а) и горизонтальное (б) сечение масляных каналов

Характерное строение главной изоляции силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и 110 кВ показано на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Главная изоляция трансформаторов напряжением 35 кВ (а) и 110 кВ (б)

В трансформаторах 220 кВ и выше часто делают ввод в середину катушки, что приводит к уменьшению напряжения на краях катушки.

Продольная изоляция силовых трансформаторов выполняется обычно слоями электроизоляционной бумаги, накладываемой поверх провода.

В маслобарьерной изоляции электрически наиболее нагруженными оказываются прослойки масла, поскольку диэлектрическая проницаемость электрокартона составляет примерно 4, а у масла , к тому же электрическая прочность масла в 3-4 раза меньше электрической прочности пропитанного картона.

Нарушение маслобарьерной изоляции начинается с пробоя масляного канала без полного пробоя изоляции, при этом в месте пробоя образуются необратимые повреждения электрокартона или бумаги, снижающие ее электрическую прочность. Чтобы этого не происходило, в масляном канале рабочие напряженности электрического поля принимают от 2,5 кВ/мм до 5 кВ/мм в первом масляном канале, где напряженность поля наибольшая.

Изоляция силовых трансформаторов разделяется на внешнюю (воздушную) и внутреннюю. Внешняя изоляция трансформаторов состоит из воздушных промежутков: между вводами и заземленным баком, между вводами различных обмоток, а также вдоль фарфоровых покрышек вводов. Ее выбор производят аналогично выбору соответствующей изоляции любого другого подстанционного электрооборудования.

К внутренней изоляции относят:

− масляной части вводов;

− отводов и вспомогательных устройств (например, переключателей).

Изоляцию обмоток разделяют на главную и продольную. К главной изоляции относят:

− изоляцию между обмотками;

− изоляцию между обмоткой и магнитопроводом;

− изоляцию между наружными обмотками двух соседних стержней магнитопровода (междуфазовую);

− изоляцию наружной обмотки от стенки бака.

К продольной изоляции относят витковую изоляцию между катушками или слоями витков.

Габариты и конструкция продольной изоляции определяются грозовыми перенапряжениями. С целью 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 ценой увеличения рабочего напряжения на продольной изоляции. Однако это позволяет все же несколько уменьшить габариты продольной изоляции.

Основные габариты главной изоляции трансформаторов до последнего времени также определялись грозовыми перенапряжениями. Однако сейчас 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, видимо, уже в недалеком будущем 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.

В современных силовых трансформаторах в качестве главной используется преимущественно маслобарьерная изоляция, а на отдельных участках, например на отводах, применяется изолирование. Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной либо с помощью изолирования и покрытия витков и катушек обмотки.

Маслобарьерная изоляция 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.

В трансформаторах в основном применяют три типа барьеров: цилиндрический барьер, плоская шайба и угловая шайба. Количество картонных барьеров и их расположение различаются в зависимости от номинального напряжения и от конструкции трансформатора. Для улучшения конфигурации электрического поляна краюобмотки ивыравнивания начального распределения напряжения вдоль по обмотке при грозовых перенапряжениях у катушек входной зоны обмотки ставят емкостное кольцо, увеличивающее емкость между этими катушками и точкой входа в обмотку. Емкостное кольцо должно иметь разрыв с целью устранения тока в контуре кольца.

На рис. 2.5 приведена конструкция маслобарьерной изоляци трансформатора 35 кВ. Главная изоляция между обмотками низшегоНН высшего ВН напряжений трансформаторов 3−35 кВ состоит из двух масляных каналов, разделенных барьером – бакелитовым цилиндром толщиной 3–6 мм. Главное изоляционное расстояние между обмотками обычно составляет 15–27 мм и определяется конструктивными и технологическими требованиями.

Рис. 2.5. Конструкция изоляции трансформатора 35 кВ: 1 – магнитопровод: 2 – бакелитовые цилиндры; 3 – щитки из электрокартона

Распределение импульсного напряжения по обмотке при грозовых перенапряжениях может быть улучшено также за счет увеличения продольной емкости между катушками и витками обмотки. Это достигается путем использования переплетенной обмотки.

Более высокой электрической прочностью по сравнению с маслобарьерной изоляцией обладает бумажно-масляная изоляция. В связи с этим в последние годы интенсивно изучается возможность использования бумажно-масляной изоляции в качестве главной изоляции трансформаторов, что позволило бы уменьшить габариты изоляции и трансформаторов в целом. Последнее обстоятельство имеет особо важное значение для наиболее мощных трансформаторов, габариты которых затрудняют их транспортировку. Основная трудность применения бумажно-масляной изоляции в силовых трансформаторах − охлаждение.

Силовой

При передаче электроэнергии от источника переменного тока к какому-нибудь потребителю, по соображениям безопасности необходимо изолировать конечное устройство от источника питания. Таким образом, изоляция у трансформаторов предотвращает генерацию вредных гармоник напряжения на распределительную шину.

Назначение изоляции в силовом трансформаторе

Распределение напряжения должно быть рассчитано между различными частями обмотки.
Величина диэлектрических напряжений должна учитывать геометрические параметры трансформатора.
Для определения расчетного запаса фактические напряжения необходимо сравнивать со значениями напряжения пробоя.

При установившемся потоке напряжения в сердечнике распределение напряжения является линейным. Это происходит во время всех испытаний частоты и рабочих условий, а также в значительной степени – в импульсных условиях переключения, когда время фронта составляет десятки и сотни микросекунд. В подобных условиях всегда наблюдается тенденция к усилению основной изоляции, а не внутренней.

Для более коротких по длительности импульсов (таких как двухполупериодная, прерывистая или фронтальная волна), напряжение не делится линейно внутри обмотки и должно определяться расчётом или измерением низкого напряжения. Начальное распределение определяется емкостной сетью обмотки.

Классификация

Изоляция силовых трансформаторов подразделяется на главную, продольную и уравнительную. Эксплуатация каждой их них имеет свою специфику.

Главная

Разделяет обмотки высокого и низкого напряжения и обмотки сердечника. Форма обмотки сердечника влияет на равномерность начального распределения импульсов напряжения. Поэтому при изготовлении обмотки используются электростатические экраны на клеммах катушки. Статические экраны обычно используются с целью предотвращения чрезмерных концентраций напряжений в линии.

После начального периода электрические колебания происходят уже только внутри обмоток. Эти колебания создают большие напряжения от средних частей обмоток к земле, которые прямо пропорциональны длине волны. Очень быстрые импульсы создают самые большие напряжения между витками и частями катушки.

Для главных обмоток трансформатора важен тип импульсных переходных напряжений, которые могут быть двух типов: апериодические и колебательные. В отличие от апериодических волн, колебательные могут возбуждать собственные частоты обмотки и вызывать опасные напряжения во внутренней изоляции обмотки.

Продольная

Концевые повороты, которые возникают при увеличении эффективной ёмкости внутри катушки, определяют надёжность продольной изоляции. Для увеличения последовательной ёмкости катушки и увеличения диэлектрической прочности используют либо чередование витков, либо предусматривают плавающие металлические экраны.

Уравнительная

Используется для защиты от скачков напряжения в линиях электропередачи, сигнальных и питающих линиях. Если скачок переходного напряжения является случайным, то энергия кратковременного электрического возмущения характеризуется временем нарастания, которое не превышает 10 мкс.

первый класс предусматривается для главных распределительных плат, защищая электроустановки от прямых ударов молнии;
второй класс предотвращает распространение перенапряжения;
третий класс предусматривается как дополнение к уравнительной изоляции второго класса в местах особо чувствительных нагрузок.

Требования

Нормируемые параметры устанавливаются согласно ГОСТ 8865-93.

До 35 кВ

Для маломощных трансформаторов размер зазора между изоляционными прокладками обычно не превышает 6 мм, при этом расстояние от обмотки до наружной стенки резервуара с трансформаторным маслом не должно быть меньше 65 мм. Изоляционный промежуток, который определяется конфигурацией токоведущей и заземляющей частей трансформатора устанавливается размером от 40 мм на каждую сторону.

110 кВ

При дальнейшем увеличении мощности требовании к качеству изоляции увеличиваются. Так, размер масляного канала возрастает до 10 мм, расстояние от обмотки до стенки масляного бака должно быть не менее 90 мм (если толщина изоляционного слоя превышает 20 мм, то это достояние допустимо уменьшать, но не меньше, чем на 15 мм).

150 кВ

Для трансформаторов средней мощности характерно увеличение расстояния между токопроводящими и заземлёнными элементами – оно составляет 840 мм и должно строго выдерживаться на протяжении всего участка ввода.

220 кВ

Обязательному контролю подлежат следующие элементы конструкции:

Соединительная арматура.
Целостность свинцовой оплётки.
Зазоры в намотке.
Фактическое заземляющее напряжение.
Изоляция нейтрали.
Индуцирующее напряжение.

Испытания проводят при тестовых значениях напряжений, которые не менее чем на 15 % превышают номинальные.

330 кВ

Контролируются те же параметры, что и в предыдущем случае, с учётом нормативных значений, определяемых стандартом.

500 кВ

Дополнительно принимаются во внимание следующие факторы:

Исполнение трансформатора – открытое или закрытое.
Тип циркуляции воздуха – естественный или принудительный.
Высота установки над уровнем моря.
Колебания внешней температуры воздуха.
Наибольшие колебания нагрузки.
Степень загрязнённости окружающей среды.
Возможные механические воздействия.

Данные проверки сравниваются с нормативными величинами, которые приводятся в ГОСТ Р 52719-2007.

Какие материалы используются

Системы изоляции в силовых трансформаторах состоят из жидкости (либо газа) вместе с твердыми материалами. Жидкости должны иметь высокую температуру вспышки (силиконы, некоторые виды углеводородов, хлорированные бензолы).

Газовые системы включают азот, воздух и фтор газ. Флюорогазы используются, чтобы избежать воспламеняемости и ограничить вторичные эффекты внутренней недостаточности. Иногда используется фреон, который позволяет улучшить теплопередачу с использованием двухфазной системы охлаждения.

Внешняя

Низкая стоимость, высокая диэлектрическая прочность, отличные характеристики теплопередачи и способность восстанавливаться после перенапряжения в диэлектрике делают минеральное масло наиболее широко используемым изоляционным материалом для внутренней изоляции трансформаторов. Газ выгоднее использовать в системах, имеющих продолжительный режим работы при номинальной мощности.

Внутренняя

Проводники обмотки обычно изолируются эмалированной или обёрточной бумагой на основе дерева или нейлона. Использование таких материалов увеличивает прочность конструкции. При этом предел диэлектрической прочности обычно равен маслу.

Для проводов, идущих от обмотки, обычно используется материал высокой плотности. В этом случае снижаются механические напряжения в масле путём перемещения границы раздела от поверхности проводника к его периферии. Изоляция из целлюлозы выполняет три функции:

Действует как диэлектрик, накапливая электрический заряд.
Поддерживает обмотки.
Способствует улучшению теплоотвода.

Сроки испытания изолирующих материалов трансформаторов регламентируются приложением 3 Правил технической эксплуатации потребительских электроустановок (ПТЭЭП).

Виды изоляции.

В трансформаторе различают внутреннюю и внешнюю изоляции.
Внешней называют изоляцию снаружи бака трансформатора. Изолирующей средой для нее является воздух, а ее электрическая прочность зависит от атмосферных условий (давления, температуры, влажности и осадков). К внешней относят и воздушную изоляцию между вводами обмоток и наружными элементами конструкции (расширителем, патрубками, газовым реле), а также внешние поверхности вводов ВН и НН.
Внутренней называют изоляцию токопроводящих частей (обмоток, отводов, переключателей) между собой внутри бака и заземленными частями трансформатора. Изолирующей средой для нее является трансформаторное масло (или другой жидкий диэлектрик), твердый диэлектрик или их комбинация. К внутренней относят главную и продольную изоляцию обмоток.
Изоляцию обмотки от остова и других обмоток, гальванически не соединенных с ней, называют главной, а между частями одной и той же обмотки (соседними витками, катушками, слоями) — продольной. Твердую изоляцию выполняют в виде покрытий, изолирования и барьеров.
Покрытием называют сравнительно тонкий (не более 1—3 мм) слой изоляции (бумага, лак), плотно охватывающий проводник, например витковая изоляция обмоточных проводов.
Изолирование отличается от покрытия большей толщиной слоя изоляции (до десятков миллиметров), улучшающей распределение электрического поля вокруг проводника, например бумажная (или лакотканевая) изоляция концов внутренней обмотки трансформатора.
Барьерами называют прямые или фасонные перегородки из электрокартона, бумажно-бакелитовых цилиндров или трубок, разделяющих масляные промежутки между токопроводящими и заземленными частями трансформатора. Изоляцию, состоящую из масляных промежутков, разделенных барьерами, называют маслобарьерной. Главную изоляцию обмоток выполняют, как правило, маслобарьерной, а продольную — чисто масляной (катушки между собой) или твердой (между соседними витками).

Факторы, влияющие на электрическую прочность изоляции.

Конструкция изоляции и ее деталей.

Конструкция главной и продольной изоляций обмоток различается в зависимости от мощности и класса напряжения трансформатора. Однако принципиальное строение изоляции и типовые элементы конструкции одинаковы для большинства трансформаторов со стержневой магнитной системой. Размещение обмоток и основных изоляционных деталей трехфазного трансформатора показано на рис. 24. Обмотки высшего 5 и низшего 21 напряжений намотаны на бумажно-бакелитовые цилиндры 7 и 19, которые кроме механической опоры выполняют роль барьеров, изолирующих обмотку НН от магнитной системы обмотки ВН и НН друг от друга.

Рис. 24. Расположение обмоток и изоляции трансформатора мощностью 6,3 МВ-А (разрез): 1 — уравнительная изоляция, 2, 10 — нижний и верхний концы обмотки НН, 3, 9 — нижняя и верхняя ярмовые изоляции, 4, 8 — нижнее и верхнее опорные кольца обмотки ВН, 5, 21 — обмотки ВН и НН, 6 — опорный клин (рейка) обмотки ВН, 7, 19 — цилиндры, 11 — бумажная изоляция верхнего конца обмотки НН, 12 — шинка заземления прессующего кольца, 13 — прессующий винт, 14 — ярмовая балка, 15, 16 — стальной и изоляционный стаканы, 17 — прессующее кольцо, 18, 23 — верхнее и нижнее опорные кольца обмотки НН, 20 — клин (рейка), 22 — прокладка между катушками

Другим элементом главной изоляции служит концевая изоляция обмоток — это изоляционные детали и конструкции, изолирующие торцовые части обмоток от ярма, ярмовых балок и стальных прессующих колец. На рис. 24 концевой изоляцией являются уравнительная 1, нижняя 3 и верхняя 9 ярмовые изоляции. Уравнительная изоляция выравнивает плоскости,ярма и ярмовой балки, создавая надежную опору для обмоток.

Рис. 25. Детали изоляции силовых трансформаторов:
а и б — электрокартонная и деревянная уравнительные изоляции трансформаторов, в — угловая шайба, г — клин (рейка), д — двойная прокладка, е — опорное кольцо, ж — прокладка между катушками, з — барьер, и — ярмовая изоляция, к — нижняя ярмовая изоляция; 1 — шайба из листового электрокартона, 2 — прокладки из прессованного электрокартона, 3, 5 — деревянные детали, 4 — отверстие для прессующих шпилек, 6 — сегмент ярмовой изоляции

Для прохода концов внутренних обмоток в шайбе 1 делают вырезы, а в мощных трансформаторах ее разрезают, выделяя сегмент 6 в зоне выхода концов.
Для обмоток 110 кВ и выше обязательным элементом концевой изоляции является угловая шайба (рис. 25, в), которая представляет собой кольцевой Г-образный барьер, охватывающий край обмотки. Цилиндрическая и горизонтальная части угловой шайбы затрудняют развитие электрического пробоя как в радиальном направлении, так и в сторону ярма. На рис. 25 показаны различные детали изоляции обмотки: между отдельными катушками (рис. 25, же, д) обмотки и между соседними обмотками (рис. 25, г, з).

Читайте также: