Изоляция трансформаторов

Существуют следующие виды изоляции маслонаполненного электрооборудования: маслобарьерная изоляция, когда заполненные маслом промежутки перегорожены барьером из твердого изоляционного материала. В однородных и слабонеоднородных полях барьер перегораживает путь проводящим цепочкам между электродами. В неравномерном электрическом поле барьер, установленный вблизи электрода с большей напряженностью, повышает разрядное напряжение на 30—50% при длительном приложении напряжения промышленной частоты.

Рис. 16. Влияние тонкого барьера на пробивное напряжение (50 Гц) трансформаторного масла в резконеоднородном поле
В масляном промежутке так же, как и в газовом, в резконеравномерном поле разряды в стадии короны растекаются по барьеру и выравнивают поле между барьером и плоскостью. Лучшие результаты (наивысшее разрядное напряжение) получаются, когда барьер установлен от стержня на расстоянии, равном 0,1 d—0,25 d, где d — диаметр стержня. В резконеоднородном электрическом поле коронный разряд может возникнуть при напряжении, значительно меньшем, чем пробивное, и охватить весь промежуток между электродом и барьером. При импульсах коронный разряд не разрушает барьера, но при длительном приложении напряжения корона постепенно разрушает барьер, что приводит к снижению пробивного напряжения всего изоляционного промежутка. Поэтому возникновение коронного разряда при рабочем напряжении недопустимо.

Рис. 17. Зависимость пробивной напряженности электрического поля для бумажно-масляной изоляции от толщины листа бумаги

Бумажно-масляная изоляция изготовляется из слоев пропитанной маслом бумаги, причем промежутки между слоями бумаги тоже заполнены маслом. Бумажно-масляная изоляция является самой надежной и поэтому применяется в изоляционных конструкциях с наиболее высокими напряженностями электрического поля. Пробивное напряжение масляных промежутков определяет пробивное напряжение всей бумажно-масляной изоляции, так как электрическая прочность масла ниже, чем бумаги. Несмотря на большое разнообразие изоляционных конструкций отношение 6м/6б остается примерно равным 1 — 1,7, где 6М — толщина масляного промежутка, 6в — толщина бумаги. Если применить более тонкую бумагу, то можно поднять допустимую напряженность поля, не слишком увеличивая толщину всей изоляционной конструкции. Зависимость £пр от толщины бумаги дана на рис. 17. При очень малой толщине бумага может содержать сквозные масляные каналы, что снизит ее электрическую прочность, так как прочность масла ниже, чем прочность бумаги.
Повысить электрическую прочность бумаги можно увеличивая се плотность, но при этом будет возрастать напряженность поля в масляных промежутках. Плотность бумаги различно влияет на кратковременную и длительную прочность изоляции. Так, с увеличением плотности бумаги кратковременная прочность повышается, а длительная — снижается.

Ионизационный пробой изоляции.

В пузырьках газа, которые могут быть в технической изоляции, напряженность поля возрастает, причем электрическая прочность газа ниже прочности твердых диэлектриков и трансформаторного масла. В газовом включении возникает ионизация, которая оказывает на окружающий диэлектрик электрическое, химическое и механическое воздействие. В изоляции может развиться дефект, который в конечном итоге приведет к пробою изоляции. Такая форма пробоя называется ионизированным пробоем
В твердой синтетической изоляции (полиэтилен, полистирол) происходит микроскопическое разрушение материала, что приводит к увеличению объема, занимаемого газом. Возникает канал. Удлинение канала приводит к возрастанию энергии, которая рассеивается в диэлектрике и ускоряет процесс разрушения материала. Повышенная температура в канале вызывает образование веществ типа смол, в результате чего канал становится электропроводящим. В этом случае происходит электрическая или тепловая форма пробоя.
Для бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции характерен ионизационный пробой.
Газовые включения могут остаться в изоляции при ее изготовлении или образоваться в результате нагрева имеющейся в изоляции влаги или других примесей. При разряде в газовых пузырьках выделяется тепло, под действием которого масло разлагается, выделяя новые пузырьки зо газа. Этот процесс похож на кипение масла. Ионизация в газовых включениях продолжается до тех пор, пока продукты разложения изоляции, как твердой, так и жидкой, не заполнят весь объем газовых включений. В твердой изоляции образуются каналы, наполненные смолистыми веществами с низкими изоляционными свойствами, или обуглероженные каналы высокой проводимости. На концах этих каналов поля высокой напряженности ведут к образованию новых пузырьков газа и дальнейшему развитию разряда. По форме такой разряд похож на ствол дерева с ветвями, поэтому носит название ветвистого разряда. По времени ионизационный пробой развивается довольно медленно, поэтому импульсное воздействие практически не снижает изоляционной прочности. Но каждый импульс оставляет необратимый след, и при большом числе импульсов электрическая прочность изоляции значительно снижается.
Ионизационные процессы в изоляции характеризуются следующими величинами: критическим напряжением изоляции i/Kри— напряжением, при котором возникают разряды значительной интенсивности, способные вызвать ионизационный пробой изоляции за относительно короткий срок; начальным напряжением ионизации UH>и — напряжением, при котором возникают слабые разряды, вызывающие ионизационное старение изоляции.
Испытательное напряжение не должно быть выше Uкр,и. а рабочее напряжение не должно превышать UH и. Значительно повысить допустимое рабочее напряжение бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции можно тщательной обработкой трансформаторного масла (очисткой от механических примесей, глубокой осушкой цеолитами и дегазацией); вакуумной сушкой твердой изоляции и пропиткой ее дегазированным трансформаторным маслом под вакуумом; применением высококачественных волокнистых материалов (бумаги, картона и пр.); применением литых изделий из целлюлозы и пластмасс.
Ионизационные процессы при постоянном напряжении протекают не так, как при переменном. При постоянном напряжении редко происходят повторные пробои газовых включений, поэтому для развития ионизационного процесса требуется значительно большая напряженность электрического поля, чем при переменном напряжении.

Старение изоляции.

Понятие «старение» включает в себя все процессы, происходящие в изоляции во время эксплуатации трансформатора под действием высоких напряженностей электрического поля, высокой температуры, увлажнения; загрязнения и т. п.

Рис. 18. Векторная диаграмма напряжения и тока в изоляции, находящейся под напряжением промышленной частоты
Особенно сильно разрушают твердую изоляцию, вызывая ее растрескивание и снижение механической прочности, увлажнение и высокая температура. При увеличении содержания влаги в хлопчатобумажной изоляции с 0,5 до 1,1% срок службы изоляции сокращается в 6 раз [8]. Старение трансформаторного масла выражается в его окислении. Чтобы предупредить окисление, из масла удаляют воздух (дегазируют масло) и устраняют возможность соприкосновения залитого в трансформатор масла с окружающим воздухом (пленочная и азотная защита). Электрическая прочность изоляции под действием естественного старения снижается годами и зависит от качества изоляционных материалов, конструкции изоляции и культуры эксплуатации. При нормальных условиях изоляция должна работать десятки лет. Для имеющей наибольшее распространение изоляции класса А максимальная температура может равняться 105° С, при которой срок службы изоляции равен примерно 7 годам. Превышение температуры на 8° С сверх максимальной сокращает срок службы изоляции вдвое.
Когда через диэлектрик проходит ток, то происходит его нагрев. Потери энергии на нагрев называются диэлектрическими и возникают при промышленной частоте в основном за счет поляризации диэлектрика.
Из векторной диаграммы токов видно, что отношение IJ1C=tg6, где /а — суммарный активный ток; 1С —суммарный емкостный ток; tg б характеризует диэлектрические потери в изоляции и является показателем наличия в изоляции посторонних включений, а также и увлажнения изоляции; tg б также является универсальным показателем при измерении объектов различных емкостей, т. е. габаритов, так как величина tg 6 зависит не от абсолютного значения емкости измеряемого объекта, а от отношения Со/С».
В табл. 1 даны предельные значения tgfi эксплуатации.
Таблица 1