Трансформаторы тока с бумажно-масляной конденсаторной изоляцией (КБМИ) в последнее время стали получать в зарубежной технике все большее и большее распространение.
Рис. 15-17. Разрез трансформатора тока типа ТФКН-220-1200.
Одною из первых (1942 г.) выступила с конструкциями подобного рода шведская фирма АСЕА. Ею разработаны и серийно выпускаются трансформаторы тока наружной установки с КБМИ на напряжения от 30 до 380 кВ (серия 1МВА) [Л. 15-5, 15-8, 15-9]. К роме того, трансформаторы тока с КБМИ выпускают другие предприятия Швеции (Л. Кнудсен), США (Пасифик-Эрликон), Англии (Метрополитен - Виккерс, Инглиш Электрик, Рейролл) и т. д. [Л. 15-7, 15-9].
Распространение КБМИ обусловлено тем, что применение ее обеспечивает создание конструкций трансформаторов тока, обладающих следующими особенностями:
1) минимум расхода металла; 2) минимум масла; 3) минимальный диаметр фарфоровой покрышки; 4) минимум общего веса.
Вместе с тем трудоемкость этих конструкций (особенно трудоемкость изолировки первичной обмотки) оказывается сравнимой с трудоемкостью других конструкций трансформаторов тока на такие же напряжения.
Свойства КБМИ и ее расчет рассмотрены в гл. 3.
В нашей промышленности разработана и внедрена в производство конструкция трансформатора тока с КБМИ на 220 кВ 1200 а типа ТФКН-220-1200 (рис. 15-17) [Л. 15-10]. В настоящее время выпущены подобные трансформаторы тока на 330 кВ.
Характеристики изоляции этого трансформатора тока следующие.
Изоляция—одноступенчатая; она вся нанесена на первичную обмотку и выполнена «несложенной» (см. гл. 3) лентой кабельной бумаги толщиною 0,12 мм. Общая толщина изоляции 50,4 мм разделяется при помощи проводящих конденсаторных обкладок на 14 главных слоев изоляции по 3,6 мм каждый. Применяется ступенчатая защита краев конденсаторных обкладок. Максимальный радиальный градиент при условном расчетном рабочем напряжении Up=240 кВ равен 5,21 кВ/мм. Эта величина относится к цилиндрической части изоляции. Все промежуточные слои изоляции выполнены по одному и тому же правилу, что упрощает производство и предотвращает возможность появления дефектов в изоляции.
Последняя конденсаторная обкладка КБМИ заземлена, она экранирует все заземленные металлические части конструкции, находящиеся в районе этой обкладки, а поэтому нижняя часть первичной обмотки может вставляться в заземленный металлический корпус, тесно охватывающий эту обмотку, без риска появления на заземленных частях короны. В нижней «экранированной» части первичной обмотки располагается комплект из четырех сердечников со вторичными обмотками. Эти вторичные обмотки имеют изоляцию, необходимую по ГОСТ, тогда как вся главная изоляция нанесена на первичную обмотку. Изолированная первичная обмотка с надетыми на нее сердечниками, несущими вторичные обмотки, и особой подставкой, образующей механическую опору для всего узла, составляют вместе отдельный сборочный комплект (рис. 15-18).
В конструкции ТФКН-220-1200, равно как и в ряде других конструкций трансформаторов тока с КБМИ зарубежных предприятий, кроме последней, заземленной конденсаторной обкладки, имеется еще одна (предпоследняя) обкладка, отделенная от последней относительно тонким слоем изоляции. От обеих обкладок сделаны выводы в коробку выводов посредством изолированных проводников и низковольтных проходных изоляторов. Замыкая между собою (и на землю) эти два вывода через некоторое сопротивление, можно измерять емкостный ток через изоляцию на землю и, следовательно, напряжение, приложенное к изоляции.
В конструкции ТФКН-220-1200 последняя и предпоследняя обкладки КБМИ могут быть использованы для получения емкостного делителя напряжения. Таким образом, трансформатор тока с КБМИ может представлять собою комбинированный трансформатор тока и напряжения, объединяя в одном аппарате функции двух аппаратов, что дает существенную экономическую выгоду. Эта особенность трансформаторов тока должна обеспечить им в дальнейшем широкое применение.
Рис. 15-18. Комплект обмоток трансформатора тока ТФКН-220-1200
Зарубежные трансформаторы тока с КБМИ по общей схеме сходны с описанной выше конструкцией ТФКН-220-1200, однако изоляция этих аппаратов имеет также известные особенности.
Так, например, в серии трансформаторов тока ΙΜΒΑ с 30 до 380 кВ фирмой АСЕА применено песочно-масляное заполнение, что сокращает объем масла примерно до 35% от первоначального объема. В конструкциях указанной серии, однако, были приняты меры для еще большего снижения объема масла — пространство между фар форовой покрышкой и первичной обмоткой здесь закладывается специальными фарфоровыми «кирпичами», имеющими вид цилиндрических сегментов (рис. 15-19). Указанное мероприятие позволило наглухо герметизировать трансформаторы тока, оставив там относительно небольшой буферный объем газа (азот).
В трансформаторах тока на 275 кВ предприятий Метрополитен-Виккерс и Инглиш Электрик заполнение является чисто масляным и глухая герметизация не применяется. Для защиты изоляционного масла от увлажнения здесь применены масляные затворы (рис. 15-20), [Л. 15-5, 15-12].
Рис. 15-19. Фарфоровые сегменты для сокращения объема масла во внутренней полости трансформатора тока (АСЕА).
/ — первичная обмотка; 2 — фарфоровый сегмент.
Рис. 15-20. Устройство и способ действия масляного затвора трансформатора тока на 275 кВ (Метрополитен-Виккерс) при повышенной (а) и пониженной (б) температуре масла. 1 — изолирующее масло; 2 — затворное масло; 3 — масляный затвор; 4 — головка аппарата.
При повышении температуры газовая подушка в этих затворах вытесняет «затворное масло» в предназначенную для этого последнюю камеру затвора, которая имеет сообщение с внешним воздухом; при понижении температуры, наоборот, затворное масло втягивается в предыдущую камеру вследствие образующегося в газовой подушке незначительного разрежения при опускании уровня основного изоляционного масла.
Своеобразное выполнение КБМИ имеется в конструкциях трансформаторов тока на 115 и 230 кВ фирмы Пасифик-Эрликон [Л. 15-9—15-13). В этих трансформаторах тока первичная обмотка представляет собою кабель, изолированный бумажной лентой на кабельных станах, иначе говоря, первичная обмотка с полной изоляцией изготовляется целиком машинным способом на кабельных заводах. В процессе производства такого кабеля через определенные промежутки по толщине наматываются слои прочной медной фольги; которые в дальнейшем служат в качестве конденсаторных обкладок.
На аппаратном заводе отрезают от барабана такого кабеля куски нужной длины и срезают ступеньками часть изоляции и обкладок так, чтобы образовались конденсаторные обкладки необходимой по расчету длины; на концы обкладок надевают металлические кольца с относительно большим радиусом закругления («радиусная защита» — см. гл. 3) и производят необходимую подмотку изоляции вручную.
Рис. 15-21. Первичная обмотка с КБМИ в виде кабеля (Пасифик-Эрликон).
1 — жила первичной обмотки; 2 — фарфоровая покрышка; 3 — защитное кольцо «РЗ»; 4 — изоляция; 5 — металлическая труба.
Рис. 15-22. Трансформатор тока с КБМИ на 400 кВ отечественной конструкции типа ТПП-400.
Этот метод производства кабельно-конденсаторной изоляции был предложен на заводе «Электроаппарат» еще в 1951 г. Однако по ряду причин он не был своевременно реализован.
Подготовленная указанным образом первичная обмотка, изогнутая в виде шпильки, защищается в заземленной части трубчатым алюминиевым кожухом, а в активной части — фарфоровыми покрышками (рис. 15-21); и кожух, и покрышки имеют настолько малый диаметр, что почти вплотную подходят к бумажной изоляции обмотки.
Это предельно сокращает объем изоляционного масла и позволяет глухо герметизировать всю конструкцию. Вторичные системы надеваются на металлический кожух первичной обмотки снаружи (сердечники — разъемные).
Ниже приводятся некоторые технические данные изоляции трансформатора тока Пасифик-Эрликон на 230 кВ.
Число обкладок .. 8
Толщина изоляции . 24 мм
Общий наружный диаметр кабеля .. 91 мм
(при номинальном первичном токе 1200 а) Максимальный градиент при номинальном фазном напряжении 6,25 кВ/мм
То же, при испытательном напряжении промышленной частоты 20,0 кВ/мм
Механизация изолировочных работ, осуществленная в этой конструкции, может обеспечить весьма высокую экономичность трансформаторов тока с подобной изоляцией.
Расчет КБМИ для трансформаторов тока, производимый согласно методике, описанной в гл. 3 и гл. 13, должен быть связан следующими условиями.
Конструкция трансформатора тока с КБМИ представляет собою комбинацию основных конструктивных элементов:
1) изолированные обмотки (комплект); 2) заземленное основание;
3) фарфоровая покрышка; 4) металлическая головка, находящаяся под высоким напряжением.
Можно себе представить трансформатор тока с КБМИ, снабженный одной покрышкой или двумя покрышками. Первой схеме соответствует конструкция трансформатора тока ТФКН-220 (рис. 15-17). Второй схеме соответствует отечественная конструкция трансформатора тока на 400 кВ типа ТПН-400 (рис. 15-22) и конструкции Пасифик-Эрликон на 115 и 230 кВ (рис. 15-21).
Так как между этими схемами нет принципиальной разницы, в дальнейшем для простоты будем рассматривать лишь схему трансформатора тока с одной покрышкой по рис. 15-17.
Очевидно, что геометрические размеры основания трансформатора тока обусловлены конструкцией. Но тогда участок обмотки, находящийся внутри заземленного основания, будет иметь совершенно определенную величину. Обозначим длину первичной обмотки, находящуюся в пределах заземленного основания, через Lno.
Фарфоровая покрышка также должна иметь определенную высоту для данного напряжения (см. гл. 4 и гл. 8).
Обозначим высоту фарфоровой покрышки (за вычетом высоты металлической арматуры) через Lc. Высоту арматуры в нижней части покрышки следует включить в размеры заземленного основания (п. 2).
