Виды повреждений изоляции
Повреждения изоляции силовых трансформаторов являются результатом сложных физико-химических процессов, проходящих под действием электрического и магнитного поля, газо- и гидродинамических процессов, температуры и различных внешних факторов — увлажнения, загрязнения и т.п.
Основным условием развития повреждения является превышение электрического воздействия (напряжения или напряженности) на изоляционный промежуток над его электрической прочностью. Если такое соотношение воздействия и прочности сохраняется кратковременно, то повреждение может иметь обратимый характер, т.е. после снижения напряжения электрическая прочность поврежденного участка может восстановиться без каких-либо следов повреждения. Это характерно в первую очередь для чисто масляных и. особенно, воздушных промежутков большой длины с резко неоднородным распределением поля, а также при кратковременных воздействиях, когда энергии недостаточно для необратимых разрушений изоляции, например, при грозовых импульсах.
Пробой или перекрытие всего изоляционного промежутка между электродами, когда возникает короткое замыкание обмотки или ее части, является завершающей стадией процесса повреждения, который начинается с возникновения в отдельных точках промежутка условий для спонтанного снижения электрической прочности и возникновения электрического разряда. Такие условия могут быть вызваны местным загрязнением, посторонними включениями, пузырьками воздуха в масле или в твердой изоляции и т.п. Если поле неоднородное, и в остальном объеме изоляции электрическая прочность значительно выше воздействия, то может возникнуть кратковременный искровой разряд, ограниченный только этим местом, — частичный разряд. В однородном поле частичный разряд может быстро перейти в полный пробой. Таким образом, переход частичного разряда в полный пробой промежутка зависит от степени однородности электрического поля, а также от длительности воздействия.
При переменном напряжении могут быть условия для возникновения большого числа частичных разрядов в течение длительного времени. Суммарная энергия частичного разряда может оказаться достаточной для возникновения необратимых повреждений твердой изоляции и развития полного пробоя всего изоляционного промежутка.
В случае полного пробоя промежутка при переменном напряжении обычно возникает электрическая дуга, сопровождающаяся большим выделением энергии и сильными разрушениями не только изоляции, но и электродов и всего устройства в целом. Однако при большой длине промежутка и недостаточной мощности источника напряжения не исключено, что произойдет лишь искровой разряд, который погаснет вследствие падения напряжения источника, а дуга не возникнет. Такой процесс особенно характерен для пробоя при импульсных напряжениях.
Возникновение и развитие повреждений
Целлюлозно-масляная изоляция
Условия для возникновения повреждения в целлюлозно-масляной изоляции имеются, прежде всего, в масле, поскольку его прочность ниже, чем твердой изоляции, а напряженность поля выше. Возможно также повреждение твердой изоляции электрода с большой кривизной, напряженность в которой может оказаться значительно выше, чем в масле.
Процессы в масле при воздействии электрического напряжения зависят от многих факторов: химического состава масла, увлажненности и наличия примесей, температуры. Эти факторы влияют на разложение молекул масла, газообразование, а также на ионизацию масла и появление в нем свободных электронов. В результате этих процессов в масляном промежутке появляется «слабое звено», в котором возникает частичный разряд. В резко неоднородном поле на электроде с большой кривизной может возникнуть коронный разряд. Частичный разряд и коронный разряд усиливают разложение масла и могут перейти в полный пробой изоляционного промежутка.
В маслобарьерной изоляции на границе раздела масла и твердой изоляции (электрокартона) при определенной напряженности поля возникает ионизация газовых включений. Повышение давления газов приводит к вытеснению масла из твердой изоляции. На поверхности картона появляются «белые следы» — участки без масла. При повышении напряженности поля или увеличении длительности воздействия на этих участках возникают частичные разряды с достаточно большой энергией, и в результате происходит обугливание волокон целлюлозы («черные следы»). На обугленном участке снижается электрическое сопротивление, и на его конце увеличивается напряженность поля. Создаются условия для развития т.н. «ползущего разряда» — постепенного прорастания и разветвления разряда по слоям барьера в виде обугленных «дорожек». Измеренный уровень частичного разряда при этом может даже снизиться, но в итоге процесс заканчивается полным пробоем (перекрытием по поверхности твердой изоляции).
Опасность развития разряда возрастает, если имеется сплошной путь между потенциальным электродом и землей по поверхности твердой изоляции вдоль слоев электрокартона, например, по барьеру, рейке или клину. В слабонеоднородном поле при большой длине изоляционного промежутка разряд может развиваться при относительно небольших средних напряженностях вдоль поверхности. Такие условия имеют место в шунтирующих реакторах высших классов напряжения — 500-1 150 кВ. Катушечные обмотки реакторов состоят из одного концентра, причем расстояние вдоль обмотки от линейного до нейтрального конца не превышает 1,5-2 м. Наблюдались перекрытия обмотки вдоль поверхности твердой изоляции как при приемо-сдаточных испытаниях импульсным напряжением, так и при рабочем напряжении в условиях эксплуатации. В большинстве случаев разряд происходил вдоль прошивной рейки, прилегающей к обмотке. Вероятно, в эксплуатации разряд начинался с повреждения, вызванного коммутационными или грозовыми перенапряжениями, и затем развивался при рабочем напряжении. Высказывалось также предположение, что другой возможной причиной начала повреждения могли быть токи утечки по твердой изоляции и вызванное ими искрение в месте опоры рейки или барьера на другие детали изоляции вследствие ненадежного контакта между ними, чему способствовала вибрация реакторов. Для повышения электрической прочности сплошные прошивные рейки, идущие вдоль всей обмотки, были заменены разрезными короткими рейками, каждая из которых прошивает несколько катушек. Кроме того, такие рейки выполнялись из толстого картона, изготовляемого путем горячего прессования, электрическая прочность которого выше, чем длинных реек, получаемых склеиванием полос тонкого картона.
В бумажно-масляной изоляции частичные разряды начинаются между слоями бумаги и сразу повреждают твердую изоляцию. Рассеивание продуктов распада масла и твердой изоляции из зоны частичного разряда затруднено из-за плотной намотки слоев твердой изоляции, и развитие пробоя происходит быстро. Пробой может происходить как вдоль слоев твердой изоляции, так и сквозь них.
Воздушная изоляция сухих трансформаторов
В сухих трансформаторах изоляционные промежутки могут быть в виде воздушных промежутков с небольшой долей твердых изоляционных материалов (изоляция электродов, барьеры), а также в виде твердой изоляции, представляющей собой слои бумаги или других твердых материалов с воздушными включениями между ними. Повреждение во всех случаях начинается с ионизации воздуха и возникновения в нем частичного разряда. Как и в случае масла, на эти процессы влияют влажность и загрязнение воздуха, его температура и давление. Дальнейшее развитие повреждения зависит от однородности поля.
Сплошная твердая изоляция применяется в качестве межслоевой и иногда главной изоляции многослойных цилиндрических обмоток, при относительно небольшой неоднородности поля. В этом случае частичные разряды возникают в воздушных включениях сразу во многих местах, но интенсивность и энергия частичного разряда невелики, и твердая изоляция не повреждается даже при достаточно большой длительности воздействия — порядка десятков часов. По-видимому, такое поведение изоляции объясняется тем, что в отличие от масла частичные разряды в воздушных включениях не приводят к изменению состава воздуха, а состав масла меняется принципиально — появляются газы и продукты сгорания углеводородов. Кроме того, после погасания частичного разряда происходит деионизация воздуха, и его прочность восстанавливается. При повышении напряжения интенсивность частичного разряда плавно возрастает, и лишь перед полным пробоем происходит скачок уровня частичного разряда. Напряжение полного пробоя значительно выше напряжения появления частичных разрядов.
В больших воздушных промежутках неоднородность поля обычно значительно больше, чем в твердой изоляции. Ионизация и частичный разряд возникают в небольшой области высокой напряженности поля. В остальной части промежутка напряженности малы. Для развития полного пробоя требуется еще большее, чем при твердой изоляции, повышение напряжения по сравнению с напряжением появления частичного разряда. При резко неоднородном поле возможно развитие стримеров.
Аналогичный характер имеет процесс пробоя в резко неоднородном поле промежутков, где разряд происходит по поверхности твердой изоляции на границе с воздухом.
