Для главной изоляции ТН важна электрическая прочность как при 50 Гц, так и при импульсах. Эта прочность определяется испытательным напряжением, установленным ГОСТ 1516-60.
Главная изоляция воздушных катушечных ТН, изготовляемых на напряжение до 3 кВ, всегда выполняется по механическим соображениям настолько толстой, что о ее электрической прочности можно практически не заботиться. Единственный вопрос, требующий некоторого внимания, это вопрос о возможности разряда с обмотки высокого напряжения на ярмо магнитной цепи. Для того чтобы избежать такого разряда при испытательном напряжении (с некоторым запасом), применяются экраны из электрокартона, показанные на рис. 16-5. Экраны увеличивают путь разряда, а сами должны обладать достаточной электрической прочностью, чтобы пробой не прошел сквозь них. Правда, распределение напряжения в такой конструкции благоприятно для экрана, так как его диэлектрическая проницаемость значительно выше, чем у воздуха, и на экран приходится лишь малая доля всего напряжения.
В ТН на 6—35 кВ главной изоляцией является масло. Поскольку они изготовляются в стальных баках, они должны иметь соответствующие вводы.
Рис. 16-5. Катушечный трансформатор напряжения.
1 — экраны.
Магнитопровод ТН на 6—10 кВ соединен с баком и, следовательно, заземлен. Поэтому приходится заботиться о хорошей изоляции его обмоток от магнитопровода, а также друг от друга. Изоляция обмотки низкого напряжения от магнитопровода осуществляется гетинаксовым каркасом. От обмотки высокого напряжения она отделяется цилиндром из нескольких слоев электрокартона. Поскольку они пропитаны маслом, их электрическая прочность достаточно велика. По ГОСТ 1516 испытательное напряжение такого ТН на 6 кВ должно быть равно 32 кВ. При этом напряжении градиент в изолирующем цилиндре получается порядка 7—8 кВ/см, что легко выдерживает даже непропитанный цилиндр из электрокартона толщиною 1—2 мм. Однако это справедливо без учета краевого эффекта. Учет последнего может повысить градиент на краях обмоток в 2—3 раза. Но при этом по крайней мере во столько же раз или даже более возрастает пробивной градиент электрокартона, пропитанного маслом. Поэтому изоляция в 3—4 слоя пропитанного маслом электрокартона достаточна для отделения обмотки высокого напряжения От обмотки низкого напряжения в ТН на 6 и 10 кВ.
Что касается изоляции обмотки высокого напряжения от ярма, то здесь, как и в случае рассмотренного выше сухого ТН, обычно применяется экран из электрокартона. Этого достаточно для того,
Рис. 16-6. Схема слоевой обмотки.
1 — обмотка высокого напряжения; 2 — обмотка низкого напряжения; 3 — гетинаксовой цилиндр; 4 — магнитопровод.
чтобы обеспечить необходимую электрическую прочность между обмоткой и ярмом.
Уже в ТН на 6—10 кВ приходится принимать меры для выравнивания напряжения вдоль обмотки с целью уменьшения междувитковых напряжений. Для этой цели применяются экраны в виде разрезанных колец, выравнивающие напряжение. С точки зрения главной изоляции эти мероприятия также полезны, так как они уменьшают разность потенциалов между первичной и вторичной обмотками в области входных витков. Импульсная прочность главной изоляции в этих ТН обычно бывает обеспечена, если обеспечена ее прочность при промышленной частоте, так как масляная изоляция имеет высокий коэффициент импульса.
В ТН на 35 кВ для повышения импульсной прочности изоляции применяется «слоевая» обмотка. Слои обмотки располагаются соосное сердечником ТН (рис. 16-6), а размеры их выбираются так, чтобы емкости между слоями были одинаковы. Тогда распределение напряжения между слоями будет равномерно, подобно тому, как это получается во вводах с конденсаторной изоляцией.
Высокое напряжение подается на начало наружного слоя, а конец последнего (внутреннего) слоя заземляется. При таких условиях разность потенциалов между этим слоем и обмоткой низкого напряжения будет представлять только часть разности потенциалов между началом обмотки высокого напряжения и обмоткой низкого напряжения, что существенно облегчает изоляцию между ними.
Расстояние между верхним слоем первичной обмотки и ярмом можно определять, пользуясь эмпирической формулой для пробивного напряжения между диском с острыми кромками и плоскостью:
(16-3) (s — в сантиметрах).
ТН на 110 кВ и выше выполняются в СССР каскадными, что существенно облегчает решение вопросов их изоляции. Так, ТН на 110 кВ представляет каскад из четырех последовательно включенных элементов, ТН на 220 кВ — каскад из восьми элементов. Вследствие специально принятых мер по выравниванию напряжения между элементами как при 50 Гц, так и при импульсах можно считать, что распределение напряжения между элементами равномерно. Поэтому на каждый элемент приходится соответствующая доля напряжения, например, при 110 кВ — четверть.
Устройство изоляции одного элемента показано на рис. 16-7.
Рис. 16-7. Изоляция одного элемента каскадного трансформатора напряжения на 110 кВ.
Э — экран; НА — начало обмотки высокого напряжения; Нп, Кп — начало и конец выравнивающей обмотки; Нс, Кс, Нт, Кт — начала и концы обмоток низкого напряжения; 1 — гетинаксовый цилиндр; 2 — выравнивающая обмотка; 3 — обмотка высокого напряжения; 4 — обмотки низкого напряжения; 5 — изолирующие кольцевые прокладки.
Так как все элементы первичной обмотки в ТН соединены последовательно, а распределение напряжения между ними равномерно, то вторичная обмотка сцепляется только с нижним элементом первичной обмотки, конец которого заземлен. Это существенно облегчает изоляцию вторичной обмотки от первичной.
Первичная обмотка в каждом элементе ТН выполнена слоевой и снабжена выравнивающими напряжение экранами в виде разрезанных колец, что создает благоприятные условия для работы витковой изоляции.
Обмотка высокого напряжения изолирована от стержня магнитопровода гетинаксовым цилиндром толщиною 5 мм.
Между первичной обмоткой и гетинаксовым цилиндром расположена небольшая выравнивающая обмотка, которая должна выравнивать напряжение между двумя половинами первичной обмотки, намотанными на два стержня магнитопровода. Ее напряжение относительно стержня мало отличается от напряжения первичной обмотки. Первичная обмотка отделена от выравнивающей тонким цилиндром из прессшпана.
Во избежание разряда по поверхности с первичной обмотки на стержень магнитопровода торцы первичной обмотки изолированы ступенчатой намоткой из электрокартона. Прочность такой изоляции при действии напряжения вдоль ее слоев невелика. Можно считать, что она в 10—15 раз меньше прочности поперек листов. Поэтому длина ее должна быть достаточно велика. Наименьшая длина принята приблизительно равной 270 мм.
Магнитопроводы данного ТН укреплены на гетинаксовых стойках, а весь ТН расположен в фарфоровой покрышке, заполненной маслом [Л. 16-2]. Гетинаксовые стойки опираются на нижнюю плиту (основание) ТН, а вверху на связях этих стоек крепится отвод ТН, находящийся под полным его напряжением. На значительной части длины эти стойки шунтированы верхним и нижним магнитопроводами, поэтому работают на разряд по поверхности только небольшие части этих стоек. Но так как сами магнитопроводы электрически связаны со средними точками соответствующих элементов первичной обмотки, то фактически небольшие участки стоек находятся под действием лишь некоторых долей напряжения. Наибольшая доля напряжения, приходящаяся на участок стоек между верхним и нижним магнитопроводами, равна половине. При длине этого участка около 200 мм его разрядное напряжение по рис. 4-25 составляет приблизительно 170 кВ. При испытательном напряжении ТН, равном 230 кВ, на этот участок приходится 115 кВ. Таким образом, здесь имеется достаточный запас.
Проверим еще возможность прямого пробоя масла между стержнями верхнего и нижнего магнитопроводов. Пользуясь уравнением (16-3), получим:
Запас получается больший, чем для разряда вдоль поверхности стоек.
Заметим в заключение, что в заграничной практике существенных достижений в области изоляции ТН нет. Шведская фирма АСЕА разработала серию компактных ТН, в которых главная изоляция осуществлена в виде бумажно-масляной. Эта серия ограничивается напряжением 132 кВ. При больших напряжениях применяются емкостные делители напряжения. Фирма ВВС выпускает ТН до 220 кВ в одной единице, при 380 кВ — в виде каскада из двух единиц. Главная изоляция в этих ТН — бумажно-масляная. Первичная обмотка состоит из ряда катушек, расположенных попеременно на двух сторонах длинного подковообразного сердечника. Применение хорошей экранировки и шунтирующих емкостей обеспечивает достаточно равномерное распределение напряжения вдоль обмотки и облегчает работу междувитковой изоляции.
Широкое распространение получают ТН с эпоксидной изоляцией.
