РАСЧЕТ И КОНСТРУКЦИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТРАНСФОРМАТОРОВ ТОКА
15-1. Общие сведения
В изоляции трансформаторов тока различают:
А. Главную изоляцию — между первичной обмоткой и вторичной, а также между первичной обмоткой и землей.
Б. Междувитковую изоляцию как в первичной, так и во вторичной обмотках.
Для трансформаторов тока наружной установки, кроме того, различают:
а) внешнюю изоляцию, которая обычно представляет собою полый фарфоровый изолятор (покрышку), вмещающий обмотки трансформаторов тока;
б) внутреннюю изоляцию, т. е. изоляцию обмоток; она не подвержена атмосферным воздействиям, поскольку защищена внешней изоляцией.
Внешняя изоляция определяется требованиями к сухо- и мокроразрядному напряжениям трансформатора тока. Внутренняя изоляция его первичной обмотки должна иметь запас прочности по отношению к сухоразрядному напряжению, указанный в гл. I.
Требования к изоляции вторичных обмоток трансформаторов тока обычно сводятся к тому, что они должны выдерживать испытательное напряжение относительно земли (2 кВ, а для шинных трансформаторов тока на 0,5 кВ, у которых сердечник имеет потенциал шины, — 3 кВ; см. ГОСТ 1516-60 и ГОСТ 7746-55) и не должны иметь витковых замыканий.
В ряде конструкций трансформаторов тока на зажимах вторичной обмотки может появиться повышенное напряжение, опасное для обслуживающего персонала и для прочности изоляции обмотки (когда по первичной обмотке аппарата проходит ток, а вторичная обмотка по каким-либо причинам оказалась разомкнутой). Это напряжение достигает подчас нескольких киловольт.
В стандартах некоторых стран выдвигается требование, чтобы вторичные обмотки трансформаторов тока выдерживали режим холостого хода, т. е. собственное напряжение на разомкнутых концах, когда первичная обмотка находится под током. При этом иногда оговаривается допустимое время нахождения трансформатора тока в таком режиме.
Напряжение на зажимах первичной обмотки в рабочем режиме очень мало и может быть подсчитано по формуле:
(15-1)
где L1— индуктивность первичной обмотки.
Данные об этой индуктивности для некоторых трансформаторов тока приведены в табл. 15-1 [Л. 15-1].
Таблица 15-1
Индуктивности первичных обмоток некоторых типов трансформаторов тока
При падении на первичную обмотку трансформатора тока импульсной волны междувитковая изоляция обмотки подвергается воздействию значительных напряжений.
Для защиты от таких воздействий применялись шунтирующие нелинейные сопротивления (разрядники).
Однако сейчас от них отказались. Опыт эксплуатации показывает что случаи междувитковых замыканий в трансформаторах тока наблюдаются исключительно редко.
2. Фарфоровая изоляция трансформаторов тока
До последнего времени в качестве главной изоляции трансформаторов тока на относительно низкие и средние напряжения особенно широко применялась фарфоровая изоляция.
Можно было бы отметить, что по данным ОРГРЭС трансформаторы тока на напряжение 3—10 кВ составляют 92,5% всего количества трансформаторов тока на все напряжения [Л. 15-2]. Именно для трансформаторов тока на эти напряжения и используется в основном фарфоровая изоляция.
Широко распространенным типом трансформаторов тока (особенно для промышленной энергетики) являются катушечные трансформаторы тока. Один из выпускаемых нашей промышленностью катушечных трансформаторов тока (тип ТКФ) показан на рис. 15-1.
Рис. 15-1. Катушечный трансформатор тока типа ТКФ.
1 — первичная обмотка; 2 — фарфоровой изолятор; 3 — вторичная обмотка; 4 — сердечник; 5 — шайба с вырезом.
Выгодной особенностью катушечных трансформаторов тока, обеспечивающей их дешевизну, является то обстоятельство, что намотка как первичной, так и вторичной обмотки может быть механизирована.
Электрическая прочность данной изоляционной конструкции невелика. Это обусловлено весьма сжатыми габаритами, малыми расстояниями между первичной обмоткой и внутренней поверхностью окна сердечника, а также наличием в электрическом поле узких воздушных зазоров, включенных последовательно с фарфоровой изоляцией.
Прочность промежутка между первичной обмоткой и внутренней поверхностью окна сердечника может быть рассчитана так же, как для промежутка «острие — плоскость».
Электрическую прочность воздушных зазоров между обмоткой и фарфором, а также между фарфором и боковой внутренней поверхностью окна сердечника, можно рассчитать по формуле для плоского диэлектрика.
Указанные особенности катушечных трансформаторов тока приводят к тому, что они применяются при относительно низких напряжениях (500 3000 в).
С целью увеличения электрической прочности катушечных трансформаторов тока в зазор между катушкой и внутренней поверхностью окна сердечника вкладывается П-образный изоляционный барьер.
Соединение барьера с телом фарфоровой изоляции привело к тому, что появился новый тип изоляции трансформаторов тока — фарфоровый изолятор со взаимно перпендикулярными каналами (тип ТФФ, рис. 15-2).
Дальнейшее развитие этого принципа приводит к более сложным конфигурациям фарфора, в которых первичная обмотка находится в закрытом фарфоровом канале на всем своем протяжении. Так, рис. 15-3 показывает трансформатор тока типа ТФ-10 на 10 кВ с подобной фарфоровой изоляцией сложной формы. Рис. 15-4 дает представление о фарфоровом изоляторе для трансформатора тока указанного типа.
Изоляция подобного рода удовлетворительно работает при условии исключения из электрического поля узких воздушных зазоров, которые могут вызывать раннюю ионизацию.
Рис. 15-2. Схема катушечного трансформатора тока типа ТФФ.
1 — первичная обмотка: 2 — фарфоровый изолятор; 3 — вторичная обмотка; 4 — сердечник; 5 — изоляционная прокладка.
Рис. 15-3. Трансформатор тока ΤΦ-ΐυ.
Рис. 15-4. Фарфоровый изолятор для трансформатора тока ТФ-10.
Рис. 15-5. Трансформатор тока типа ТПФ-10.
Для этой цели близко лежащие к первичной обмотке поверхности фарфора должны быть металлизированы или покрыты проводящей краской, полупроводящей глазурью и т. п. Применяется также заполнение внутренней полости изолятора графитированным песком.
Для повышения напряжения скользящих разрядов на фарфоре сделаны «козырьки», т. е. выступы с закруглениями, покрытыми проводящим слоем. Таким образом, заземленная поверхность изолятора заканчивается закруглением относительно большого радиуса, прикрытым фарфором.
Рис. 15-7. Проходной изолятор для трансформатора тока типа ТПОФ-10.
Рис. 15-6. Электрическое иоле проходного изолятора трансформатора тока типа ТПФ-10. 1 — проводящая поверхность; потенциал земли; 2 — проводящая поверхность; потенциал первичной обмотки.
Перенесение электрической нагрузки полностью на фарфор повышает требования к электрической прочности фарфора и ограничивает применение подобной изоляции напряжениями 6—10 кВ.
Следует отметить, что в силу этого она не получила массового распространения.
Другой конструктивный принцип воплощен в проходных трансформаторах тока с фарфоровой изоляцией типа ТПФ-10 на 10 кВ. Чертеж такого трансформатора тока (рис. 15-5) показывает, что здесь используются два фарфоровых проходных изолятора, через которые последовательно пропускаются витки первичной обмотки.
Поскольку трансформаторы этого типа являются предметом массового выпуска, в конструкции их максимально сокращена длина изоляторов, что дает экономию меди первичной обмотки.
Развитие скользящих разрядов на этих изоляторах предотвращается наличием фарфоровых «козырьков» (А и Б, рис. 15-6) на краях электродов. На рис. 15-6 показана примерная форма электрического поля в изоляторах ТПФ-10 и поверхности, которые не глазуруются, а покрываются проводящей графитовой краской. Наружная поверхность фарфора в средней части изолятора заземляется.
На каждом конце изолятора также имеется проводящий слой. Он электрически соединяется с проводящим слоем на внутренней поверхности проходного изолятора и с первичной обмоткой трансформатора тока (ввод Л2). Эти проходные изоляторы весьма экономичны и производство их хорошо освоено, несмотря на сложную форму фарфора.
При больших номинальных токах (400—1500 а) широко применяются так называемые одновитковые или стержневые трансформаторы тока с фарфоровой изоляцией (типа ТПОФ на 10 и 20 кВ). Проходной изолятор трансформатора тока ТПОФ-10 показан на рис. 15-7. В этих трансформаторах тока первичной обмоткой является прямолинейный стержень (или труба), проходящий внутри изолятора и образующий часть единственного первичного витка трансформатора.
Фланец такого трансформатора тока при токах свыше 600— 750 а во избежание нагрева сильным магнитным полем стержня изготовляется из немагнитного материала и закрепляется на средней части изолятора при помощи механического крепления.
Длина изолятора у одновитковых трансформаторов тока может быть различной в связи с тем, что набор сердечников у них может иметь различную высоту, зависящую от их количества (1 или 2), от класса точности и от номинального тока.
