Изоляция силовых трансформаторов представляет собой сложную систему, состоящую из различных как по значению, так и конструкции элементов и узлов.
При классификации изоляции трансформатора следует выделить два основных ее вида:
♦ внутренняя изоляция;
♦ внешняя изоляция.
К внешней изоляции относится, например, изоляция покрышек вводов, соприкасающаяся с атмосферой, воздушные изоляционные промежутки между вводами данной обмотки, между вводами разных обмоток и до заземленных частей.
Внутренняя (маслонаполненная, газовая, литая) изоляция трансформатора разделяется на главную и продольную изоляцию обмоток, изоляцию установки вводов, изоляцию отводов, переключателей и пр.
Главная изоляция обмоток — это изоляция от данной обмотки до заземленных частей магнитопровода, бака и других обмоток (в том числе и других фаз).
Продольная изоляция — это изоляция между различными точками одной обмотки: между витками, слоями, катушками.
Во внутренней маслонаполненной изоляции трансформаторов применяется:
— сплошная твердая (как правило, целлюлозная) изоляция. Это изоляция между расположенными вплотную изолированными проводниками, витками или отводами;
— чисто масляная: в ряде случаев это промежутки между обмоткой и баком, экраном ввода и баком, между отводом и стенкой бака;
— комбинированная (маслобарьерная) изоляция: масляные промежутки, подразделенные барьерами — межобмоточная изоляция, изоляция между фазами, между обмоткой и магнитопроводом и т. д.
Изоляция трансформаторов в процессе эксплуатации подвергается неограниченно длительному воздействию рабочего напряжения и кратковременным перенапряжениям: грозовым (импульсы, длительностью от единиц до десятков микросекунд); коммутационным (импульсы с большим затуханием, длительностью до нескольких тысяч микросекунд) и квазистационарным (повышение напряжения рабочей частоты, длительностью до нескольких часов). Координация внутренней изоляции трансформатора требует обеспечения электрической прочности при всех этих воздействиях.
Проверка выполнения требований координации производится путем высоковольтных испытаний, в систему которых входит следующий комплекс воздействий:
— одноминутное испытательное напряжение промышленной частоты;
— длительное (одночасовое) испытательное напряжение промышленной частоты с измерением интенсивности частичных разрядов, равное 130—150% рабочего напряжения;
— коммутационный импульс с фронтом не менее 100 мкс и длительностью не менее 1000 мкс);
— полный грозовой импульс, с фронтом 1,2 мкс и длительностью 50 мкс;
— срезанный грозовой импульс, длительностью 2—3 мкс.
При ограничении уровня перенапряжений, положенном в основу ГОСТ 1516.1—76, основными значениями, определяющими выбор изоляционных промежутков внутренней изоляции силовых трансформаторов, являлись значения кратковременных испытательных напряжений — грозовых коммутационных импульсов и одноминутного напряжения промышленной частоты. Однако, в связи с освоением сверхвысоких напряжений, появилась возможность глубокого ограничения перенапряжений и на трансформаторах традиционных классов напряжения, что значительно уменьшает превышение испытательных напряжений над рабочим. В этих условиях рабочее напряжение может стать определяющим при выборе размеров внутренней изоляции трансформаторов.
В большинстве узлов этой изоляции применяется комбинированная система изоляции, представляющая собой композицию из жидкой (нефтяное трансформаторное масло) и твердой (целлюлоза) фаз. В такой композиционной изоляции при воздействии напряжения промышленной частоты и импульсов напряженность в масляных каналах выше, чем в твердой изоляции из-за меньшей диэлектрической проницаемости масла (2,3 и 4,5), при этом электрическая прочность масла также ниже, чем твердой изоляции. Следовательно, электрическая прочность большинства конструктивных изоляционных узлов трансформаторной изоляции определяется электрической прочностью наиболее нагруженного масляного канала.
Основной задачей при создании методики расчета электрической изоляционной системы является обоснованный выбор критерия, определяющего ее электрическую прочность. Для композиционной трансформаторной изоляции речь должна идти о выборе критерия, определяющею электрическую прочность трансформаторного масла.
В настоящее время отсутствует количественная физическая теория пробоя технически чистого трансформаторного масла и, следовательно, отсутствует возможность чисто теоретического подхода к обоснованию критерия электрической прочности масляных промежутков.
Поэтому при выборе критерия электрической прочности трансформаторной изоляции используют экспериментальные электрические данные, учитывающие основные факторы, влияющие на возникновение и развитие процесса пробоя изоляции.
Существует достаточно большое число физических теорий, которые используют для объяснения пробоя жидкостей макроскопические механизмы. Эта группа теорий базируется на экспериментах с технически чистыми жидкостями при относительно больших токах проводимости и длительном приложении напряжения. Такие условия имеют место в большинстве случаев промышленного использования жидких диэлектриков, например в трансформаторах. Результаты этих работ учитываются при выборе критерия прочности.
Начальные физические процессы в макроскопическом механизме пробоя создают условия для развития разряда. Наиболее значительными аспектами этой проблемы являются источники свободных электронов в жидкости, механизмы их сольватации и перемещения, энергетические связи с окружающей средой, влияние структуры молекулы, условия размножения и образования лавин электронов, количества энергии, образующейся при передвижении электронов. Развитие этих процессов до уровня, который может быть обнаружен и зарегистрирован измерительным прибором, устанавливает точку превращения их из элементарных физических процессов в макроскопическое явление, измеряемое обычным образом. Момент перехода элементарных физических процессов в макроскопическую стадию принимается в качестве критерия электрической прочности конструкции. Применительно к внутренней изоляции трансформаторов этот критерий количественно определяется двумя параметрами: напряженностью электрического поля, при которой возникает начальная макроскопическая стадия разряда (частичный разряд) и интенсивность этого частичного разряда.
Так для главной маслобарьерной изоляции в качестве критерия, определяющего электрическую прочность, принята напряженность в масляном канале, при которой возникают частичные разряды с кажущимся зарядом 10-8—10-7 Кл, вызывающие необратимые повреждения на поверхности барьера.
Напряженность возникновения начальной стадии разряда является основным, но не единственным фактором, влияющим на возникновение и развитие этого процесса. На него влияет целый ряд факторов, из которых необходимо обратить внимание на следующие:
а) Химическая структура масла.
Химическая структура масла имеет определенное влияние на возникновение и развитие начальных пробивных процессов, например, количество ароматических углеводородов в молекуле масла определяет, будет ли жидкость поглощать или выделять газ при воздействии электрического поля. Химическая структура масла влияет на развитие процессов диссоциации молекул и протекание вторичных реакций с образованием газовых составляющих . Наличие и количество ароматических углеводородов влияет на импульсную прочность трансформаторного масла в неоднородном электрическом поле. Каталитическое гидрокарбонильное автоокисление может влиять на химический состав масла и вызывать снижение их электрической прочности в процессе старения.
б) Движение жидкости. Электрогидродинамические силы [ЭГД],
действующие на изоляционную жидкость как следствие приложенного электрического поля, приводят жидкость в движение. Кроме того, в мощных трансформаторах она движется в результате воздействия внешних насосов, а также от перепада температур в различных слоях жидкости. Движение жидкости при некоторых условиях может оказать влияние на ее электрическую прочность в результате перемещения погруженных в нее частиц загрязнений, вызвать кавитацию или способствовать генерированию и распространению зарядов, образованных в результате электризации потока.
в) Механические примеси.
Вредное влияние загрязняющих частиц замечено уже давно, и известно, что тщательная очистка трансформаторного масла может существенно увеличить его электрическую прочность.
г) Влага.
На электрическую прочность нефтяного трансформаторного масла сильно влияет содержание в нем воды, особенно в сочетании с механическими загрязняющими частицами. При определении электрической прочности важно не столько абсолютное значение влагосодержания, сколько процент относительного влагосодержания. Последнее же зависит от химического состава масла, температуры, степени состаренности масла.
д) Температура
Многие факторы, влияющие на электрическую прочность трансформаторного масла, зависят от температуры. Например, существенная зависимость вязкости масла и его поверхностного натяжения от температуры означает, что связанные между собой механизмы кавитации и движения жидкости в значительной степени определяются температурой масла.
Аналогично, изменения температуры влияют на относительное процентное насыщение масла влагой и, следовательно, оказывают прямое влияние на электрическую прочность масла. Действительно, результаты испытаний, в которых наблюдается увеличение электрической прочности трансформаторного масла с ростом температуры, обычно свидетельствуют о содержании в масле недопустимых концентраций воды.
В композиционной изоляции (масло + целлюлоза) оценка влияния температуры на электрическую прочность масла существенно усложняется процессом миграции влаги, требующим значительного времени для достижения равновесного состояния между содержанием воды в масле и целлюлозной изоляции.
Все указанные выше факторы должны определять условия, при которых может быть применен выбранный критерий электрической прочности.
Для оценки электрической прочности реальных конструкций должен быть определен основной геометрический фактор — «размер», который определяет электрическую прочность. Хотя в настоящее время еще нельзя считать полностью доказанным, какой из двух геометрических факторов — площадь или объем следует считать «размером» конструкции, большинство специалистов отдает предпочтение напряженному объему, т.е. объему масла, ограниченному поверхностью электрода и 80 или 90% эквиградиентной поверхностью. С физической точки зрения, чем больше объем изоляции, тем выше вероятность появления «слабого звена», которое может инициировать пробой в области высокой напряженности электрического поля. Например, если пробой вызывается частицами загрязнений, тогда больший объем является источником большего числа загрязняющих частиц, которые могут попасть в область с высокой напряженностью и инициировать пробой.
При применении барьерной конструкции возможность свободного перемещения частиц в полном объеме усложняется, и электрическая прочность конструкции повышается.
Если используются устройства с одинаковой площадью электродов в однородном или квазиоднородном поле, то геометрическим параметром, определяющим электрическую прочность масляного промежутка, является его ширина.
