Трансформаторы подвергаются воздействию тех же перенапряжений, что и другое станционное оборудование и базисные импульсные уровни, например указанные в Joint Committee AIEE EEI и ΝΕΜΑ [Л. 69 и 72], применяются как к трансформаторам, так и к распределительным устройствам. Имеются два аспекта изоляционной проблемы, которые относятся только к трансформаторам: внутреннее распределение напряжения и физическое объединение нейтральных точек.
Для напряжений ниже 115 кВ едва ли будут делаться попытки установить связь между изоляцией трансформатора и способом заземления нейтрали, за исключением изоляции самой нейтрали. В английском стандарте (British Standard Specification № 171 —1936) поставлены условия, что для всех трансформаторов, за исключением работающих в негрозовых районах, индуктированное испытательное напряжение для трехфазных трансформаторов с глухим заземлением нейтрали должно быть повышено по 2Е по отношению к земле, т. е. до той же самой величины, которая применяется при испытании трансформаторов с изолированной нейтралью.
Американский стандарт (ASAC 57.11 —1949) рассматривает вопрос о классе изоляции нейтральной точки. Вплоть до 8,66 кВ включительно класс изоляции нейтрали такой же, как для линейного конца, независимо от способа заземления нейтрали. От 15 до 34,5 кВ для заземленной нейтрали требуется минимальный класс изоляции 8,66 кВ; нейтраль, заземленная через сопротивление (импульсная защита), должна иметь класс изоляции на одну ступень ниже, чем линейная изоляция (приблизительно равный соответствующему фазному напряжению). Ст 46 до 92 кВ минимальный класс изоляции при глухо заземленной нейтрали равен 15 кВ,причем тенденция выбора изоляции нейтрали на одну ступень ниже класса линейной изоляции (т. е. между 66 и 75 % последнего) сохраняемся для трансформаторов, заземленных через импедансы (активно-индуктивное сопротивление), при условии, что нейтраль достаточно защищена от импульсов.
Так как заземления нейтрали во многих точках редко используются в сетях таких классов напряжения, дальнейшее снижение изоляции нейтрали не представляется возможным для большинства трансформаторов, не имеющих постоянного заземления. Это обстоятельство не является решающим экономическим фактором в пользу глухого заземления.
Необходимо заметить, что (например, согласно ASA.57—11,037) все трансформаторы, включая трансформаторы с пониженной изоляцией в нейтрали, должны подвергаться некоторым испытаниям, производимым между линейными выводами и землей, по крайней мере таким же испытательным напряжением, как и между линейными выводами. Междуфазная изоляция на выводах при нормальных рабочих условиях постоянно подвергается воздействию 1/2 испытательного, т. е. линейного, напряжения. Если при наличии устойчивого замыкания на землю напряжение относительно земли достигает той же величины, это допустимо только для усиленной междуфазной изоляции со сплошным покрытием.
В Германии полное признание нашла точка зрения, согласно которой изоляция на землю должна выдерживать те же напряжения, что и междуфазная изоляция. Главная изоляция не вызывает особых затруднений; большее внимание уделяют междукатушечной изоляции, для которой применяются 5-минутные испытания индуктированным напряжением (VDE0532, статья 48).
Так как низкочастотные испытания изоляции лучше всего позволяют установить доброкачественность конструкции, они применяются и как мера способности изоляции противостоять коммутационным перенапряжениям, которые создают напряжения, равномерно распределенные вдоль обмотки. 1-минутное испытание индуктированным напряжением, 3,5- кратным Εф, может считаться эквивалентным 1-секундному испытанию напряжением приблизительно 5,5-кратным Εф. Отсюда следует, что даже наивысшие коммутационные перенапряжения не опасны для внутренней изоляции трансформатора, и поэтому любые мероприятия по ограничению этих перенапряжений не имеют отношения к трансформаторам стандартной конструкции.
Системы, использующие трансформаторы со ступенчатой изоляцией, должны обязательно работать с глухо заземленными нейтралями трансформаторов, за исключением тех случаев, когда класс изоляции нейтрали по крайней мере равен нормальному фазному напряжению.
Глухое заземление необходимо также в тех случаях, когда две системы объединяются через автотрансформаторы, имеющие коэффициент трансформации, превышающий 1,33 (1,1—для систем с напряжением свыше 30 кВ).
Рассмотрим теперь трансформаторы с номинальным напряжением 115 кВ и выше. Следует рассмотреть два пути экономии изоляции. применение ступенчатой изоляции и использование уровней изоляции на ступень ниже класса напряжения сети.
Когда впервые была применена ступенчатая изоляция в трансформаторах 230 кВ, обнаружились слабые места вблизи заземленной нейтрали, связанные с большими напряженностями при импульсных воздействиях. Напряжения по отношению к земле, которым подвергаются катушки вблизи нейтрали, делают ступенчатость изоляции опасным мероприятием, если только устройство обмотки не обеспечивает линейного распределения напряжения. Трансформаторы со слоевыми обмотками имеют благоприятное распределение напряжения, приближающееся к распределению напряжения в нерезонирующих обмотках, состоящих из экранированных дисковых катушек или концентрических слоев. Последний тип был принят германской промышленностью в 1934 г.; видная американская фирма использует это устройство с 1940 г. во всех проектируемых трансформаторах для импульсных уровней 750 кВ и выше. Этот принцип применялся к трансформаторам с заземлением нейтрали через активно-индуктивное сопротивление (Германия, резонансное заземление систем) и к трансформаторам с глухим заземлением нейтрали (США, Канада).
В системах с глухо заземленной нейтралью выводы трансформаторов могут защищаться грозовыми разрядниками соответствующего типа нейтрали. Широко распространено мнение, что при напряжениях 115 кВ и выше разрядник должен составлять единое целое с трансформатором. При таком устройстве считается допустимым снижение изоляции трансформатора на одну ступень. Клем и сотрудники [Л. 64] без колебания рекомендуют для глухо заземленных систем применение пониженных базисных импульсных уровней, приведенных в последней колонке табл. 10. Надежная грозозащита при этом сохраняется и достигается определенная экономия. Нс делается никаких оговорок, относительно трансформаторов (в противоположность распределительным устройствам, см. § 12.2), работающих в системах с напряжениями в пределах 115—161 кВ.
Динамические перенапряжения, возникающие при замыканиях, должны допускать безопасное использование грозовых 80%-ных разрядников. Если коммутационные напряжения могут превышать разрядное напряжение грозовых разрядников, последние должны иметь достаточную пропускную способность.
Используются грозовые разрядники станционного типа с падением напряжения IR, не превышающим 110% принятого стандартом среднего (ΝΕΜΑ).
Прямые удары в станцию должны быть исключены: близкие удары в провода преобразуются в блуждающие волны; защита тросами на всех линиях осуществляется на подходах длиной 0,8—1,6 км.
Современные распределительные устройства должны обеспечить ограничение коммутационных перенапряжений.
Принимая пониженный уровень изоляции для трансформаторов системы, инженер идет на определенный риск. Повреждения разрядника являются одним из наиболее неприятных типов аварий в системе. Трансформаторы с пониженной изоляцией имеют меньший запас для динамических и коммутационных перенапряжений, и большой процент всех волн приближается к уровню прочности. При этом возникает вопрос о более частом появлении импульсной короны, ослабляющей твердую изоляцию повторными неполными пробоями. Хотя в настоящее время нет полностью достоверных по этому вопросу знаний, есть основание полагать, что повреждающая корона не возникает при напряжениях ниже 80% однократного пробивного значения комбинированной изоляции [Л. 75]. Совершенно очевидна важная роль, которую играют грозовые разрядники в этом случае. Если они обеспечивают, чтобы воздействующие на трансформатор напряжения не превышали 80% базисного импульсного уровня изоляции, нет причин для беспокойства. Разрядники, предназначенные для работы в системах с заземленной нейтралью, удовлетворяют этому требованию, давая необходимый запас даже для классов изоляции, сниженных на одну ступень.
Так как системы, работающие при напряжении 230 кВ и выше, как правило, имеют отношение —в пределах 0—1, они могут быть названы системами с «весьма эффективным заземлением нейтрали». Использование 75%-ных грозовых разрядников в таких системах является дальнейшим шагом в деле экономии изоляции.
Даже при номинальном напряжении 230 кВ некоторые системы для уменьшения токов короткого замыкания работали с определенным числом трансформаторов, Нейтрали которых оставались незаземленными, если, конечно, при этом удовлетворять требованиям глухого заземления нейтрали всей системы в целом. Такие трансформаторы, несмотря на требование иметь на нейтрали изоляцию, прочность которой составляет по крайней мере 58% класса изоляции их линейного конца, могут все же иметь пониженный импульсный уровень изоляции, если они достаточно защищены от колебаний в нейтрали. Такие колебания могут быть вызваны непосредственно грозовыми волнами, амплитуды которых недостаточны для пробоя искровых промежутков грозовых разрядников.
При номинальных напряжениях выше 230 кВ тенденция к снижению уровней изоляции поощрялась как инженерами системы, так и промышленниками, причем первые были заинтересованы в снижении стоимости, а вторые— в упрощении ряда проблем, в частности проблемы транспорта. Глухое заземление нейтрали является в настоящее время бесспорным для систем с напряжением выше 230 кВ.
В системах с заземлением через дугогасящие катушки или другие активно-индуктивные сопротивления снижение уровня изоляции нейтрали приблизительно до 70% уровня линейной изоляции вполне закономерно при условии наличия 70%-ного разрядника, включенного между нейтралью и землей.
Рис. 69. Коэффициенты диэлектрических потерь. а — катушка генератора 10,5 кВ; б — катушка проходного изолятора конденсаторного типа.
