ГЛАВА ПЕРВАЯ
МЕТОДЫ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
1-1. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Высоковольтные испытательные трансформаторы выполняются однофазными и работают в одной из схем, представленных на рис. 1-1 и 1-2. На рис. 1-1 изображена схема, используемая для испытаний фазной изоляции. На рис. 1-2 дана схема для испытания междуфазной изоляции. В схеме рис. 1-2 средняя точка обмотки высокого напряжения часто заземляется, и тогда трансформатор может применяться для испытаний напряжением, равным половине номинального.
Регулировочными устройствами для испытательных трансформаторов являются проволочные или жидкостные реостаты, потенциометры и специальные автотрансформаторы. Регулирование напряжения трансформаторов рассматривается в § 1-3.
Получение в одном трансформаторе наибольших напряжений, необходимых для испытаний, требует применения высококачественной изоляции и соответствующего регулирования электрического поля. В значительной степени этим определяется конструктивное исполнение испытательных трансформаторов.
Высоковольтные испытательные трансформаторы классифицируются по виду изоляции и по конструктивному исполнению на масляные с металлическим или изоляционным кожухом и на так называемые сухие трансформаторы, имеющие воздушную изоляцию. На напряжения в десятки киловольт компактные трансформаторы иногда выполняются с использованием изолирующих масс, компаундов, парафина.
Испытательные трансформаторы с газовой изоляцией.
На рис. 1-5 показан высоковольтный испытательный трансформатор 0,9 кВ/250 кВ, мощностью 150 ква для внутренней установки с двумя проходными изоляторами, с заземленной средней точкой обмотки высокого напряжения. Высота трансформатора до верхней точки проходного изолятора 2,6 м, основание 1,7X2,1 м. Вес в сборке с маслом 4,17 т.
Рис. 1-5. Испытательный трансформатор 200 кВ для внутренней установки.
Рис. 1-6. Испытательный трансформатор 300 кВ для наружной установки.
На рис. 1-6 изображен трансформатор на 300 кВ с маслонаполненным проходным изолятором для наружной установки. Устройство испытательных трансформаторов в металлическом баке на напряжения более 300 кВ затруднено сложностью выполнения проходного изолятора-ввода и чрезмерным увеличением его размеров. Например, в трансформаторе на 1 000 кВ при общей высоте 8,25 м наружная часть ввода имеет высоту 5,2 м, а вес ввода превышает 20% всего веса трансформатора.
Масляные трансформаторы с металлическим баком для напряжений более 300 кВ иногда выполняются с изоляцией первичной и вторичной обмоток относительно бака и магнитопровода, рассчитанной на половину номинального напряжения. В этом случае средняя точка обмотки высокого напряжения присоединяется к баку и магнитопроводу. Металлический бак находится под напряжением
- и изолируется от земли опорными изоляторами. Трансформатор имеет два проходных изолятора на напряжение
; через один из них осуществляется одновременно ввод обмотки низкого напряжения и заземленного начала обмотки высокого напряжения, через второй проходной изолятор выводится конец обмотки высокого напряжения, имеющий напряжение относительно земли, равное номинальному.
Преимуществом масляных трансформаторов в баке является защищенность обмоток трансформатора от внешних воздействий, что повышает надежность работы и уменьшает потребность в эксплуатационном надзоре. Другим благоприятным фактором является невысокое реактивное сопротивление трансформатора с масляной изоляцией по сравнению с трансформатором с воздушной изоляцией. Значительный вес масляных трансформаторов (включая бак, масло, ввод) и наличие громоздкого и сложного ввода удорожают трансформатор и затрудняют его транспортировку и ремонт. Изготовление масляных трансформаторов с баком из изолирующего материала (фарфор, керамика, пластмасса) представляется весьма перспективным, так как сулит значительное уменьшение веса и размеров (меньше объем масла, отсутствие сложного ввода).
Силовые трансформаторы, изготовленные в керамическом корпусе на мощность до 10 ква и напряжение 11 кВ, в 2 раза легче трансформаторов в металлическом корпусе при одинаковых параметрах и имеют объем масла в 5 раз меньше.
На рис. 1-7 изображен эскиз устройства высоковольтного испытательного трансформатора, предложенного в 1956 г. Ф. Раупахом. Трансформатор имеет одностержневой сердечник 1 круглого сечения, на который насажен ряд концентрических изоляционных цилиндров, несущих обмотку высокого напряжения, состоящую из последовательно соединенных слоев 2, 3, 4, 5, 6, и обмотку низкого напряжения 7, расположенную на наружном цилиндре. Начало наружного слоя обмотки высокого напряжения заземляется, конец внутреннего слоя электрически соединен с сердечником 1 и выводится через проходной изолятор.
На концах сердечника расположены ярма, состоящие из трех верхних (11, 12, 13) и нижних (5, 9, 10) колец, имеющих радиальный разрез и изолированных один от другого и от сердечника 1 выступающими изоляционными цилиндрами.
Рис. 1-7. Устройство обмоток трансформатора с сердечником, находящимся под высоким потенциалом.
Отдельные части ярма (кольца) 8, 9, 10, 11, 12, 13 соединены с прилегающими к ним началами или концами слоев обмотки высокого напряжения, благодаря чему они имеют фиксированный потенциал. Магнитная связь между верхними и нижними частями ярма осуществляется четырьмя расположенными по окружности вертикальными боковыми ярмами 14, электрически соединенными с землей. Выемная часть трансформатора опускается в заземленный бак, снабженный вверху вводом высокого напряжения. Вследствие того, что обмотки трансформатора окружены заземленными вертикальными ярмами 14, а обмотка низкого напряжения 7 расположена на наружном цилиндре, трансформатор имеет меньшие размеры и объем масла. Наличие замкнутых путей для магнитных потоков приводит к уменьшению индуктивности рассеяния.
Сухие испытательные трансформаторы с воздушной изоляцией (рис. 1-8) 'выполняются только для внутренней установки. По своей конструкции они отличаются простотой устройства, отсутствием дорогостоящего сложного ввода, удобством обслуживания и наблюдения. Сухие трансформаторы менее подвержены воздействию перенапряжений при разряде на стороне высокого напряжения, так как у них меньше емкость частей обмотки на землю. Основным недостатком трансформаторов с воздушной изоляцией является незащищенность обмоток от внешних воздействий (влага, загрязненность, коронирование, воздействие дуги и т. п.). Хотя суммарный вес сухих трансформаторов примерно на 40% меньше, чем масляных, вследствие больших линейных размеров (изоляция между обмотками ВН и НН, расстояние от обмотки ВН до ярма) сухие трансформаторы имеют большой вес и стоимость активных материалов. Другим недостатком, связанным с увеличением линейных размеров, является повышенная индуктивность рассеяния, что приводит к снижению мгновенной мощности при испытаниях с дуговым разрядом. Сухие испытательные трансформаторы громоздки, нетранспортабельны и обычно собираются на месте установки.
Вследствие трудностей, связанных с устройством изоляции обмотки высокого напряжения и сооружением сложного ввода, технически и экономически целесообразно изготовление трансформаторов в одной установке напряжением не выше 750 кВ. Наивысшее напряжение в одной установке 1 000 кВ. Обычно для получения переменных напряжений в 1 000 кВ и выше используется последовательное соединение нескольких испытательных трансформаторов.
Установки высокого переменного напряжения являются необходимым оборудованием каждой высоковольтной испытательной, экспериментально-исследовательской и учебной лаборатории. Испытания повышенным переменным напряжением промышленной частоты обязательны при эксплуатации и заводском изготовлении силового оборудования и элементов изоляционных конструкций (трансформаторы, машины, выключатели, изоляторы, кабели и др.) Помимо испытаний на промышленной частоте, установки переменного тока высокого напряжения служат источниками питания в схемах постоянного, импульсного и высокочастотного напряжения. Наивысшие значения напряжения установок переменного напряжения 50 Гц определяются необходимыми испытательными напряжениями силовой аппаратуры. При испытании изоляции аппаратов на 400 кВ требуются напряжения до 1 500 кВ, с повышением рабочего напряжения при развитии дальних линий электропередач сверхвысокого напряжения потребуются испытательные напряжения в несколько миллионов вольт.
Высоковольтный испытательный трансформатор отличается от силового трансформатора специфическими условиями работы, которые обусловливают некоторое различие в их устройстве.
Высоковольтные испытательные трансформаторы строятся с большим коэффициентом трансформации. Если для силовых трансформаторов коэффициент трансформации находится в пределах от нескольких единиц до нескольких десятков, то в испытательных трансформаторах коэффициент трансформации на порядок выше.
Затруднения в конструировании изоляции испытательных трансформаторов на высокие напряжения несколько облегчаются тем, что для них не требуется высокий коэффициент запаса прочности изоляции. Изоляция испытательных трансформаторов испытывается повышенным напряжением, которое превышает номинальное на 10—40% (меньшие значения относятся к трансформаторам более высокого напряжения) и строго не нормировано. Для силовых трансформаторов испытательные напряжения, устанавливаемые по ГОСТ, превышают номинальное напряжение более чем в 2 раза.
Сравнительно низкий уровень изоляции испытательных трансформаторов оправдывается следующими обстоятельствами:
- Испытательные трансформаторы работают, как правило, кратковременно. Длительность испытаний повышенным переменным напряжением определяется временем, необходимым для осмотра изоляции, и для большинства аппаратов и отдельных изолирующих элементов оно равно 1 мин.
- Испытательные трансформаторы работают в широком диапазоне напряжений от 0 до Uн и большей частью при напряжениях ниже номинального.
- К испытательным трансформаторам предъявляется меньше требований в отношении надежности работы по сравнению с силовыми трансформаторами. Однако как дорогостоящий заводской аппарат испытательный трансформатор должен также иметь определенную гарантию надежной работы.
- Испытательные трансформаторы не подвергаются воздействию волн атмосферного перенапряжения, хотя режим их работы иногда связан с возникновением градиентных перенапряжений.
Режим работы испытательных трансформаторов отличен от режима силовых трансформаторов. Испытательные трансформаторы обычно несут кратковременную нагрузку. При испытаниях работа трансформатора иногда осложняется разрядом, приводящим к однофазному замыканию на землю на стороне высокого напряжения. В одних случаях для имитирования воздействий силовой дуги на испытательный объект необходимо иметь достаточную мгновенную мощность трансформатора, определяемую напряжением к. з. В других случаях желательно ограничить ток при пробое или перекрытии на объекте испытания. Для уменьшения тока, а также для ограничения перенапряжений переходного процесса в цепь высокой стороны включается защитное сопротивление из расчета 0,5—1 Ом на 1 в номинального напряжения трансформатора.
Испытательные трансформаторы обычно имеют емкостную нагрузку. Ток на стороне высокого напряжения в таком случае определяется напряжением и величиной емкости объекта испытания. В некоторых испытаниях требуется значительная активная мощность, например при определении мокроразрядного напряжения изоляторов.
Рис. 1-8. Испытательный трансформатор с воздушной изоляцией.
Таблица 1-2
Величина емкости одной фазы электрических машин относительно двух других и корпуса, мкф
емкостей нагрузок, мощность испытательного трансформатора определяется:
где С — емкость изоляции объекта и проводов цепи испытания, мкф:
Uисn —испытательное напряжение, кВ;
f — частота, Гц.
Таблица 1-1
Ориентировочные значения емкости некоторых объектов испытания
В табл. 1-1, 1-2 приведены ориентировочные значения емкости некоторых объектов испытания. При большой емкостной нагрузке с целью уменьшения необходимой мощности испытательного трансформатора и разгрузки питающей сети иногда производят компенсацию емкостного тока объекта. Компенсация производится подключением катушки индуктивности параллельно одной из обмоток трансформатора. При компенсации на стороне высокого напряжения уменьшается необходимая мощность испытательного трансформатора и регулирующего устройства. В этом случае величина нагрузки испытательной установки без учета активной составляющей равна:
Uисп—испытательное напряжение, кВ;
С — емкость изоляции объекта, пф;
L— индуктивность компенсирующей катушки, гн; w — угловая частота испытательного напряжения.
При компенсации на стороне низкого напряжения от емкостного тока разгружается только регулирующее устройство. Величина нагрузки регулирующего устройства ориентировочно может быть определена по формуле
Uисп -испытательное напряжение, кВ;
С —емкость изоляции объекта, пф;
L — индуктивность компенсирующей катушки, гн\ k — коэффициент трансформации испытательного трансформатора;
ω — угловая частота.
Емкость изоляции объектов обычно не превышает 5 000 пф. Исходя из этого, ток на стороне высокого напряжения, например при = 500 кВ, будет равен 0,75 а. Ввиду того, что при напряжениях более 250 кВ сечение провода вторичной обмотки часто определяется не допустимой плотностью тока, а механической прочностью, испытательные трансформаторы на указанные номинальные напряжения выполняют с номинальным током на стороне высокого напряжения 1 а. Трансформаторы с номинальным напряжением менее 250 кВ имеют ток 0,2—0,8 а,
Одноамперные трансформаторы имеют мощность, достаточную для испытаний изоляции всех видов оборудования, за исключением кабелей, где требуются иногда мощности в несколько тысяч киловольт-ампер при напряжениях до 600 кВ.
Основные данные испытательных трансформаторов, изготавливаемых Московским трансформаторным заводом, приведены в табл. П-1 (см. приложения), в табл. П-2 и П-3 соответственно указаны допускаемые величины напряжений и токов в зависимости от длительности нагрузки.
При испытаниях переменным напряжением промышленной частоты, кроме достаточной мощности, обеспечивающей постоянство напряжения на испытываемом объекте, необходимо иметь строго синусоидальное изменение напряжения. Коэффициент искажения кривой напряжения не должен превышать 5%. Так как с ростом номинального напряжения испытательных трансформаторов увеличиваются их линейные размеры (расстояние между обмотками ВН и НН, периметр магнитопровода и др.), испытательным трансформаторам присуще повышенное значение индуктивности рассеяния; в зависимости от конструкции трансформатора ее величина находится в пределах 3—12%. При емкостной нагрузке и повышенных значениях индуктивности рассеяния снижается точность определения напряжения по коэффициенту трансформации. В связи с этим в испытательных трансформаторах устраивают специальные измерительные обмотки на стороне высокого напряжения.
Если при испытании объектов с большой емкостью подсчет испытательного напряжения производится по коэффициенту трансформации, то некоторое возрастание испытательного напряжения за счет емкостного тока следует учитывать по формуле
где U1 — напряжение на низкой стороне трансформатора, кВ;
Uисп—напряжение на высокой стороне трансформатора, кВ;
k — коэффициент трансформации;
Uк.з — напряжение к. з, испытательного трансформатора, %;
т — отношение тока обмотки ВН трансформатора при напряжении U2 к номинальному току.
Обмотки испытательного трансформатора при разряде на стороне высокого напряжения подвергаются воздействию крутого среза напряжения. На первых витках обмотки высокого напряжения возникают значительные перенапряжения. Поэтому обмотки испытательных трансформаторов преимущественно изготовляют слоевыми. Кроме этого, устраивают специальные металлические экраны, увеличивающие емкость обмотки высокого напряжения по отношению к концу обмотки.
При разрядах на стороне высокого напряжения через емкостную связь между обмотками на сторону низкого напряжения могут передаваться высокие напряжения, вызывающие разряды в питающей сети. Для исключения возможности емкостного перехода высоких потенциалов применяется экранирование обмотки низкого напряжения.
