Конструкция маслонаполненного ввода во многом определяет его работоспособность, условия обслуживания, технологичность производства, габариты и весовые характеристики и оказывает существенное влияние на технические решения, принятые при разработке силовых трансформаторов и масляных выключателей.
Ввод высокого напряжения можно рассматривать как цилиндрический конденсатор, состоящий из центральной токоведущей трубы, поверх которой расположена электрическая изоляция в виде масла, бумаги или газа. Уровень изоляции вводов выбирается с учетом испытательных напряжений частоты 50 Гц в сухой атмосфере и под дождем, а также импульсных напряжений, значения которых регламентированы ГОСТ 10693.
Выбор вида внутренней изоляции ввода в значительной мере определяет его габариты и массу. Отечественной промышленностью освоено производство вводов со следующим исполнением внутренней изоляции: масло-барьерная; бумажно-масляная; твердая, выполненная из лакированной бумаги; элегазовая.
В целях повышения единичной мощности и номинального напряжения силовых трансформаторов, а также электродинамической стойкости масляных выключателей при обеспечении их транспортабельности и достаточной компактности в конструкции вводов вносили существенные изменения, которые сопровождались, как правило, сокращением габаритов вводов, особенно в их нижней части, массы и применением в качестве внутренней изоляции иных диэлектрических материалов. При разработке конструкции вводов обычно учитывают вид выбранной внутренней изоляции и условия его работы, а также решают вопросы, связанные с выбором способа защиты масла и бумажной изоляции от увлажнения, с обеспечением тепловой и динамической стойкости конструкции и т. п. Поэтому конструктивные исполнения вводов в зависимости от их назначения и области применения могут быть разнообразными. Однако основными элементами всех вводов являются: внутренняя изоляция, состоящая из жидкого, твердого или газообразного диэлектрика; внешняя изоляция, выполненная у большинства вводов в виде фарфоровых покрышек; токоведущие части и арматура.
При производстве вводов высокого напряжения применяются различные материалы: фарфор, масло, бумага, изоляционные лаки, металлы, (медь, алюминий, сталь и т. п.), резина и другие.
К деталям, изготовленным из этих материалов, предъявляются определенные требования в отношении их механической прочности, нагревостойкости, маслостойкости, диэлектрических характеристик и т. п. Фарфоровые покрышки вводов снабжены ребрами (крыльями) сложной конфигурации, которая выбирается такой, чтобы как можно большая часть поверхности покрышки оставалась несмоченной. Ребра внизу имеют так называемые капельницы, препятствующие затеканию воды на их нижнюю поверхность. Конструкция покрышки в основном определяется номинальным напряжением, областью применения, длиной пути утечки и видом механической нагрузки. Покрышки при собранном вводе должны выдерживать испытательные напряжения частоты 50 Гц и импульсные напряжения, регламентированные ГОСТ 1516.1-76, а также обеспечивать требуемую длину утечки. Под длиной пути утечки понимается наименьшее расстояние по поверхности фарфоровой покрышки между металлическими частями (арматурой) разного потенциала.
Длина пути утечки может быть повышена за счет увеличения высоты изолирующей части или развития ее внешних очертаний у покрышки. Последнее должно производиться только в тех пределах, когда это оправдано существенным повышением разрядного напряжения загрязненной покрышки или увеличением степени се загрязнения. Существенное влияние на мокроразрядное напряжение оказывают количество ребер, их вылет и шаг по длине покрышки. На основании опытных данных отношение вылета ребер к их шагу по телу покрышки принимается 0,5—1,0. С увеличением количества ребер и их вылета мокроразрядное напряжение возрастает. При этом влияние количества ребер имеет определенный предел, после чего оно начинает оказывать обратное действие.
Сухоразрядное напряжение до определенных пределов возрастает с увеличением высоты покрышки. В последующем эта зависимость сглаживается. При одном и том же разрядном расстоянии количество ребер и значение их вылета не влияют на сухоразрядное напряжение. На разрядные напряжения покрышки оказывает влияние состояние фарфора и глазури. Поэтому на поверхности покрышки в соответствии с требованиями ГОСТ 13873-68 не допускаются: вскрытые пузыри, сквозные трещины, трещины с неоплавленными краями, волосяные трещины (цек) глазури, а также дефекты, суммарная или единичная площадь, длина, высота, ширина, глубина которых превышает размеры, указанные в стандарте. Кроме того, на поверхностях, определяющих максимальную электрическую или механическую нагрузку, в местах механического крепления не допускаются любые трещины, сколы, невскрытые пузыри, цветные вкрапления, образовавшиеся в процессе обжига и выступающие на поверхности покрышки. Сосредоточенные дефекты не допускаются. Допускаются незначительные мелкие (точечные) углубления на поверхности глазури, не поражающие фарфор покрышки. Допускаемые отклонения на поверхности покрышки не должны приводить к снижению электрических и механических показателей ниже нормированных.
По конструктивному выполнению фарфоровые покрышки маслонаполненных вводов могут быть сплошными (преимущественно вводы 110 кВ) и составными. В последнем случае покрышка (обычно верхняя) состоит из двух частей, стыки между которыми уплотняются маслостойкой резиной толщиной 10 мм или склеиваются эпоксидной смолой. Такие покрышки установлены, в частности, на вводах 150 кВ (чертеж № 192-0-0), 220 кВ (чертеж № 181-0-0) и на вводах 330, 500, 750 и 1150 кВ. По технологическим соображениям покрышка усиленного ввода 110 кВ (чертеж № 230-0-0) также составлена из двух частей. Усилие, необходимое для сжатия составных частей покрышки, обеспечивается стяжным устройством. Фарфоровые покрышки маслонаполненных вводов с соединительными втулками могут иметь фланцевое, механическое и бесфланцевое соединение.
При фланцевом соединении крепление покрышки к арматуре осуществляется наглухо при помощи цементной связки. Это соединение применялось преимущественно в маслобарьерных вводах старой конструкции.
Из-за трудоемкости технологического процесса изготовления, многочисленных случаев повреждения фарфора в результате внутренних механических напряжений в цементной связке и других факторов завод отказался от фланцевого соединения покрышек с соединительными втулками и применил в дальнейшем бесфланцевое соединение деталей ввода с помощью специального пружинного стяжного устройства, которое одновременно является устройством, компенсирующим температурные изменения длины токоведущей трубы и стягиваемых деталей. При бесфланцевом креплении фарфоровых покрышек необходимое натяжение покрышки на соединительную втулку достигается применением специальных компенсирующих пружин, располагаемых, как правило, в расширителе вводов.
Механическое соединение покрышек осуществляется при помощи кулачков или нажимных колец, опирающихся на кольцевой борт, отформованный на конце покрышки. Механическое крепление фарфоровых покрышек маслонаполненных вводов с помощью нажимных колец применяется в тех случаях, если возможно воздействие на ввод больших динамических и статических нагрузок.
Для обеспечения герметичности конструкции ввода в местах соединения покрышки с соединительной втулкой и арматурой устанавливаются уплотняющие прокладки из маслостойкой резины по ГОСТ 12855-77. Для вводов герметичного исполнения к качеству выполнения уплотнений предъявляют более высокие требования. Поэтому у этих вводов между деталью и фарфором кроме резинового уплотнения устанавливают дополнительно прокладку из паронита или картона, толщина которой выбирается с учетом сжатия резины примерно на 20%.
У элегазовых вводов фарфоровая покрышка опирается на два резиновых кольцевых уплотнения, между которыми предусмотрено отверстие, обычно закрываемое пробкой. При испытаниях ввода или в процессе его эксплуатации пробка вывертывается и с помощью течеискателя оценивается наличие газа между прокладками.
Соединительные втулки.
Металлическая соединительная втулка служит для соединения между собой верхней и нижней фарфоровых покрышек и крепления ввода к корпусу оборудования или к строительной конструкции здания.
На соедичительной втулке расположены: приспособления (косынки, проушины, рым-болты) для подъема вводов маслоотборное устройство (у маслонаполненных вводов негерметичного исполнения). У маслобарьерных вводов ранней конструкции маслоотборное устройство располагалось в поддоне расширителя; вывод для измерения диэлектрических потерь внутренней изоляции или вывод для подключения устройства ПИН (у маслонаполненных вводов старых конструкций с потенциалометрическим устройством предусмотрены оба указанных вывода); отверстие для выпуска воздуха из бака трансформатора при заполнении его маслом (у трансформаторных вводов); газоотводный патрубок или прилив для подсоединения трубопровода от газового реле (у трансформаторных вводов); колодка или прилив для подсоединения трубопровода выносного маслорасширителя (у негерметичных линейных вводов); вентиль, манометр, бак давления, арматура и т. п. (у герметичных вводов).
Соединительные втулки изготовляют из алюминиевых сплавов методом литья или сварки. Ранее соединительные втулки на номинальные токи до 1000 А по конструктивным, технологическим и экономическим соображениям выполнялись из стали или серого чугуна. Поверхности литых втулок должны быть гладкими, без раковин, пористости и других дефектов.
Маслоуказатели маслонаполненных вводов
Контроль за уровнем масла в маслонаполненных вводах обычно осуществляется с помощью маслоуказателей. В конструкциях маслонаполненных (преимущественно маслобарьерных) вводов ранних выпусков функции указателей уровня масла выполняли стеклянные маслорасширители. Одним из основных требований, предъявляемых к маслоуказателю, является достаточная четкость показаний, видимая с безопасных для обслуживающего персонала расстояний. По конструктивному исполнению маслоуказателя, получившие применение в конструкциях маслонаполненных вводов, делятся на рамочные, трубчатые и стрелочные. Трубчатый маслоуказатель состоит из стеклянной трубки, концы которой через специальные штуцера сообщаются с маслорасширителем ввода. В некоторых энергосистемах для лучшей обозреваемости в стеклянную трубку помещают поплавок, перемещающийся вдоль шпильки маслоуказателя. Конструкция такого маслоуказателя проста и поэтому получила применение не только в маслонаполненных вводах, но и в других аппаратах. Рамочные маслоуказатели для некоторых конструкций маслобарьерных вводов 220 и 400 кВ выполнены в виде узкой щели в корпусе расширителя, закрытой плоским стеклом. Для повышения четкости фиксирования уровня масла в маслоуказателе обычно предусматривались поплавок и специальный отражатель.
Из-за недостаточной технологичности и сравнительно малой четкости показаний рамочные маслоуказатели не получили широкого распространения. Недостатком всякого маслоуказателя со стеклянной трубкой является доступность масла, заключенного в стеклянной трубке, облучению ультрафиолетовыми лучами, что приводит к преждевременному его старению. Этого недостатка лишен стрелочный магнитный маслоуказатель, получивший применение во вводах зарубежных конструкций, а в последнее время и в мощных силовых трансформаторах.
Маслоотборные устройства маслонаполненных вводов
Контроль за состоянием масла, залитого в вводы, осуществляется с помощью маслоотборных устройств, которые должны обеспечивать доступ к нижним слоям масла во вводе. Последнее необходимо потому, что различного рода загрязнения в масле (влага, шлам, смолы и другие тяжелые компоненты) обычно концентрируются в нижней части ввода.
У маслобарьерных вводов выключателей ранних выпусков для отбора проб масла в нижней части токоведущей трубы около поддона просверливались отверстия. Дли отбора пробы масла нужно было отвернуть контактный зажим над расширителем, а в трубу опустить трубку сифона. У вводов силовых трансформаторов, начиная с 1954 г., предусматривалась возможность отбора пробы масла через пробку в поддоне расширителя. Однако при этом в отдельных конструкциях глубина отбора масла обычно не превышала 200—250 мм от уровня верхней покрышки и, таким образом, зачастую создавалось ложное представление об истинном качестве масла. В дальнейшем для удобства обслуживания маслоотборное устройство было размещено у вводов всех конструкций на соединительной втулке.
Маслоотборное устройство соединяется с нижними слоями масла при помощи изоляционной трубки. Раньше для этой цели применялись бакелитовые трубки, а в настоящее время — полихлорвиниловые трубки марки ТВП с наружным диаметром 12 или 14 мм и внутренним соответственно 9 и 10 мм. Нижний конец полихлорвиниловой трубки обрезается под углом 45°. Во избежание непосредственного касания полихлорвиниловой трубкой нижней части токоведущей трубы длина трубки выбиралась такой, чтобы конец ее находился на уровне нижней грани дистанцирующей (подпорной) шайбы изоляционного остова. Поскольку изоляционная трубка не фиксируется жестко в нижней части ввода, уровень отбора пробы масла в реальных условиях колеблется в широких пределах. Поскольку тяжелые компоненты в масле, а также и вода скапливаются в нижней зоне ввода, определение пробивного напряжения пробы масла, взятой из маслоотборного устройства, зачастую не характеризует состояние масла во всем объеме ввода. Так, например, у проб масла, взятых из различных по высоте точек негерметичного ввода 500 кВ, значения пробивных напряжений составляли: проба масла, взятая из пробки в нижнем фланце ввода, 27,8 кВ; проба масла, взятая из маслоотборного устройства, 60 кВ; проба масла, взятая из поддона расширителя, 29,4 кВ; в пробе масла, взятой из гидравлического затвора, обнаружен слой воды высотой 2 см.
В связи с. этим в ГОСТ 10693-74 введено требование к конструкции маслоотборного устройства вводов, которое должно быть выполнено таким образом, чтобы обеспечивался отбор пробы масла на уровне нижнего фланца. Для обеспечения этого требования стандарта по рекомендации завода удлинили изоляционную трубку, прикрепив ее киперной лентой к нижней части ввода, и несколько увеличили диаметр фарфоровой покрышки. Такое конструктивное выполнение маслоотборного устройства внедрено в производство с 1974 г. Отбор пробы масла у герметичных вводов, как правило, не производится. В случае необходимости отбора масла у герметичных вводов результаты его анализа характеризуют состояние жидкого диэлектрика, находящегося в средней части ввода.
Стяжное устройство маслонаполненных вводов
Соединение деталей (фарфоровых покрышек и соединительных втулок) вводов с бесфланцевым креплением покрышек осуществляется стяжкой их на токоведущей трубе с помощью компенсирующих пружин. Стяжное устройство обеспечивает необходимое усилие для создания уплотнений в местах стыковки деталей и компенсирует разность температурных изменений длин токоведущей трубы и стягиваемых на ней деталей.
Пружины перед установкой на ввод тарируются заводом, т. е. у них снимается зависимость давления от сжатия.
У вводов 110 кВ на номинальные токи 600 А ранних конструкций компенсирующая пружина стяжного устройства (обычно одна) надевалась непосредственно на токоведущую трубу. Поверх пружины накладывалась шайба из изоляционного материала, удерживаемая в необходимом положении гайкой.
У современных вводов количество пружин увеличивается до 4—8 шт. При этом для передачи давления на пружины от трубы используется специальная переходная деталь — звездочка.
Детали стяжного устройства (звездочка, поддон, гайка и др.) для уменьшения потерь тепла в них в случае необходимости изготовляются из немагнитных материалов (латунь, алюминиевые сплавы). Из этих же соображений стяжка вводов на номинальные токи 1000 А и более осуществляется не одной пружиной, а несколькими, расположенными по окружности на некотором расстоянии от токоведущей трубы.
Основные характеристики компенсирующих пружин маслонаполненных вводов приведены в табл.
