В течение нескольких десятков лет отечественная электропромышленность успешно выпускает трансформаторы тока для наружной установки с бумажномасляной изоляцией.
В настоящее время трансформаторы типа ТФН изготовляются на напряжения от 35 до 400 кВ. В довоенное время выпускались также подобные трансформаторы тока на 10 кВ (типа ТФН-10). В зарубежной практике изоляция указанного рода также находит широкое применение.
В трансформаторах тока типа ТФН принята следующая конструкция обмоток и их главной изоляции.
Комплект сердечников со вторичными обмотками и витки первичной обмотки выполнены в виде двух колец, сцепляющихся друг с другом как звенья цепи (рис. 15-8). Каждое из этих колец изолируется многослойной бумажной изоляцией, которая выполняется путем непрерывной намотки ленты из кабельной бумаги.
Указанная конструкция обмоток (и их изоляции) часто называется «звеньевой», «цепной» или «восьмерочной» (из-за некоторого сходства по форме на чертеже с цифрой 8).
Обмотки ТФН, изолированные бумажной лентой, помещаются внутрь фарфоровой покрышки, тщательно просушиваются под вакуумом и заливаются сухим трансформаторным маслом.
Расположение обмоток в конструкции ТФН показано на рис. 15-9 [Л. 15-4].
При изолировке таких тороидальных тел, как комплект сердечников со вторичными обмотками, приходится считаться с тем, что наружный диаметр кольца оказывается намного больше внутреннего его диаметра и что длины соответствующих окружностей также значительно различаются. В связи с этим величина нахлеста на витках изоляции не может оставаться одинаковой внутри окна кольца и на наружной поверхности кольца: если выдерживается полнахлеста снаружи, то внутри окна нахлест будет значительно больше и толщина изоляции там соответственно увеличится.
В трансформаторах тока типа ТФН принята следующая система изолировки комплекта сердечников со вторичными обмотками (где разница между внутренним и наружным диаметрами особенно велика):
- Выдерживается полнахлеста снаружи и нахлест внутри увеличен.
Рис. 15-8. Комплект обмоток трансформатора тока типа ТФН.
- Расчетная толщина изоляции выдерживается внутри окна кольца. Толщина изоляции на внешней стороне кольца оказывается меньше расчетной. Она повышается до расчетной толщины путем наложения так называемых «шуб», которые представляют собою несколько сложенных вместе широких полос кабельной бумаги с надрезанными краями; они накладываются на внешнюю сторону изолируемого тороида так, чтобы они огибали ее и плотно к ней прилегали (рис. 15-10). «Шуба» затем перекрывается несколькими слоями кабельной ленты. В зависимости от общей толщины изоляции может быть заложено несколько «шуб». Применение их, хотя и выравнивает толщину изоляции, вносит, однако, нарушение структуры изоляции и вызывает появление многочисленных масляных мешков.
Рис. 15-9. Разрез трансформатора тока типа ТФНД-35.
Рис. 15-10. Схема наложения «шубы» на внешнюю сторону тороида при изолировке комплекта сердечников трансформатора тока типа ТФН.
Рис. 15-11. Образование тройников при нанесении изоляции на обмотки трансформаторов тока типа ТФН.
а — тройники; 1 — вторичная обмотка; 2 первичная обмотка.
Рис. 15-12. Зависимость пробивного напряжения БМИ от толщины изоляции а для перекрещивающихся цилиндров и перекрещивающихся колец (данные ВЭИ). Толщина изоляции на каждом электроде
—
Изоляция в трансформаторах тока типа ТФН выполняется таким образом, что половина расчетной толщины изоляции накладывается на комплект сердечников со вторичными обмотками, а половина — на первичную обмотку.
Там, где кольца первичной и вторичной обмоток соприкасаются между собою, в электрическом поле работают одновременно та и другая половина изоляции, т. е. эффективною оказывается полная расчетная толщина изоляции. В других местах электрического поля между первичной и вторичной обмоткой также работают обе части этой изоляции (плюс больший или меньший слой масла). В поле первичной обмотки относительно земли работает лишь половина расчетной толщины изоляции (плюс масло); однако расстояние между первичной обмоткой и заземленными частями велико, и поэтому половинная толщина изоляции на электроде оказывается достаточной.
Что касается теплового поля, то как на первичной, так и на вторичной обмотке оказывается лишь половина общей толщины изоляции, что улучшает условия охлаждения и повышает устойчивость изоляции по отношению к тепловому пробою.
При намотке бумажно-масляной изоляции звеньевого типа отдельные участки изолируемых тороидальных тел не могут быть перекрыты непрерывным повивом ленты и получаются так называемые тройники (рис. 15-11) [Л. 15-5].
Там, где по ходу изолировки образуются тройники, закладываются фасонные вкладки из кабельной бумаги, которые затем прихватываются бумажной лентой. «Отростки» тройников обматываются бумажной лентой, край которой имеет ряд надрезов; образующиеся лепестки при намотке отгибаются в сторону и перекрывают стык между «отростком» и основным кольцом. Изоляция на тройниках не может быть столь же плотной, как основная, и является слабым местом данной изоляционной конструкции.
Расчет электрического поля звеньевой изоляции представляет известные затруднения, так как это поле двух накрест лежащих тороидальных тел, каждое из которых имеет сечение неправильной формы.
Последний способ может оказаться практически пригодным, несмотря на его крайнюю примитивность.
Рис. 15-14. Схема каскадного трансформатора тока.
Так, опытные данные, по которым построена кривая рис. 15-12, показывают, что при суммарной звеньевой изоляции 25 мм пробивное напряжение ее оказалось равным 250 кВ, что дает средний пробивной градиент 10 кВ/мм. Испытания на цилиндрических образцах показали, что бумажно-масляная изоляция при тщательной намотке пробивается при максимальных градиентах поля 26—32 кВ/мм, следовательно, в данном случае коэффициент неравномерности будет около трех.
В табл. 15-2 приведены данные относительно толщины изоляции для различных типов трансформаторов тока серии ТФН, средних градиентах напряжения в этой изоляции и данные о предполагаемых максимальных градиентах (при коэффициенте неравномерности, равном 3).
Трансформаторы тока звеньевого типа изготовляются также в виде каскада из нескольких конструктивно самостоятельных трансформаторных единиц (обычно не более двух). Принципиальная схема двухступенчатого каскада звеньевых трансформаторов тока показана на рис. 15-14.
Таблица 15-2
Толщина бумажно-масляной изоляции на обмотках трансформаторов тока типа ТФН и градиенты поля
1 Коэффициент неравномерности k = 3.
Рис. 15-15. Схема емкостей каскадного трансформатора тока из двух единиц А, В — первичная и вторичная обмотки первой ступени; С, D — первичная и вторичная обмотки второй ступени; АВ — арматура верхняя; АП — арматура промежуточная.
Здесь имеются две конструктивные ступени — верхняя А и нижняя Б. Это по существу два трансформатора тока, поставленные друг на друга. В каждом из них имеются комплекты сердечников с обмотками (а, б), что дает две ступени трансформации I1/I2 и I 2/ I 3. При этом вторичная обмотка ступени А включается на первичную обмотку ступени Б и питает ее.
Выполнение трансформаторов тока в виде каскада оказывается выгодным при наиболее высоких напряжениях, где удается не только более просто решить проблему главной (внутренней) изоляции, но одновременно решить и транспортную проблему. Действительно, при этих напряжениях одноступенчатые трансформаторы тока могут оказаться уже нетранспортабельными из-за слишком большой высоты, превосходящей железнодорожные габариты. Если такой трансформатор выполнить в виде каскада из двух конструктивно независимых единиц, то каждая из них транспортируется уже без затруднений.
Распределение напряжения между ступенями каскада является несколько неравномерным. По результатам измерений на трансформаторе ТФНКД-400 оказалось, что на верхнюю ступень приходится. 55% приложенного напряжения, а на нижнюю — 45%. Распределение напряжения между ступенями может быть определено и расчетным путем, если известны емкости элементов ступеней. Рисунок 15-15 представляет примерную схему емкостей двухступенчатого каскадного трансформатора тока. Все эти емкости можно разделить на три группы: а) главные емкости аппарата — между первичными и вторичными обмотками соответствующих ступеней — C1 и С2; б) емкости элементов каскада на землю — Сз1, СзА, Сз2. Сюда же следует отнести емкости со вторичной обмотки первой ступени на вторичную обмотку второй ступени С1_2. Так как на все эти емкости действует одна и та же разность потенциалов, то их можно объединить в одну емкость «на землю» Сз:
в) третью группу емкостей составляют емкости с верхней арматуры аппарата на все элементы его, у которых потенциал ниже потенциала линии, — Сп1, СпА, Сп2.
Рис. 15-16. Схема замещения для емкостей каскадного трансформатора тока.
Все эти емкости являются «питающими»; они добавляют поток смещения в соответствующие элементы схемы, нагружая таким образом изоляцию в нижней ступени и могут быть объединены в одной "питающей" емкости Сп : 
В результате схема рис. 15-15 сводится к более простой схеме рис. 15-16. Из нее следует:
(15-5)
Трансформаторы тока с бумажно-масляной изоляцией звеньевого типа зарекомендовали себя в производстве и в эксплуатации в течение последних 20—30 лет как простые и надежные аппараты. Тем не менее эти конструкции обладают следующими недостатками.
- Расположение всех обмоток и сердечников целиком внутри фарфоровой покрышки обусловливает их относительно большие габариты и вес. При переходе к наиболее высоким напряжениям этот недостаток становится особенно заметным. Так, например, каскадный трансформатор тока ТФНКД-400 на 400 кВ имеет вес 7200 кг; внутренний диаметр фарфоровых покрышек для этого трансформатора был равен 850 мм, что вызывало уже известные затруднения для фарфорового производства.
- Так как в звеньевой изоляции трансформаторов тока принципиально неизбежны тройники, выполнение такой изоляции требует большой сноровки и тщательности. При нарушении установленных многолетней практикой приемов изолировки могут иметь место разряды и пробои при контрольных испытаниях. Эти недостатки обусловливают развитие в последнее время конденсаторной бумажно-масляной изоляции (КБМИ), которая возможно будет постепенно вытеснять изоляцию звеньевого типа, особенно в области наиболее высоких напряжений.
