Лекция 9
Слайд 1
Основной вид внутренних изоляционных систем, применяемых в силовых трансформаторах высокого напряжения, представляет собой маслобарьерная изоляция. Изоляционные промежутки в такой системе представляют собой твердые диэлектрические барьеры из электрокартона, покруженные в свободно циркулирующее трансформаторное масло. Выше мы показали, что применение диэлектрических барьеров как в случае газовой, так и жидкой изоляции заметно повышает электрическую прочность промежутков. Свободная циркуляция масла в баке силового трансформатора является необходимым для охлаждения обмоток процессом, поэтому в настоящее время основной изоляционной системой мощных силовых трансформаторов является маслобарьерная изоляция.
Типовая структура маслобарьерной изоляции представлена на рисунке слева, где мы можем видеть все основные изоляционные промежутки внутренней конструкции трансформатора: магнитопровод - обмотки, межобмоточные промежутки, например промежуток между обмоткой низкого напряжения (НН) и высокого напряжения (ВН), изоляционный промежуток между фазами. Как мы видим из рисунка в каждом из отмеченных типов изоляционных промежутков присутствует диэлектрический барьер из электрокартона. В процессе сборки трансформатора диэлектрические барьеры дистанцируются от обмоток, стенок бака и магнитопровода специальными крепежными элементами - деревянными рейками и распорками, которые обеспечивают точную пространственную фиксацию барьеров, представляющие собой тонкостенные цилиндры из электрокартона, охватывающие собой обмотки трансформатора.
Наряду с цилиндрическими барьерами в изоляционной конструкции трансформатора имеются барьеры, выполненные в виде шайбы, расположенной над и под торцевыми частями обмотки предотвращая перекрытия на верхнее и нижнее ярмо трансформатора.
Маслобарьерная изоляция обеспечивает достаточную компактность конструкции силового трансформатора в его возможных габаритах, определяемых мощностью и количеством обмоток. Изоляционные расстояния, как видно из таблицы в правой части слайда для трансформаторов низких классов напряжения не превосходят 70 мм.
Слайд 2
С ростом класса напряжения система маслобарьерной изоляции силового трансформатора усложняется. Рассмотрим детально устройство маслобарьерной изоляции трехфазного двухобмоточного трансформатора силового трансформатора на 110 кВ. Наряду с рассмотренными выше цилиндрическими барьерами, изолирующими обмотки от стержней магнитопровода и друг от друга. В данной конструкции мы можем увидеть диэлектрические шайбы с отогнутыми краями – угловые шайбы, располагаемые в торцевых частях обмотки. С ростом класса напряжения высота обмоток растет и усиливается влияние краевого эффекта, приводящего к возрастанию электрического поля на краях обмоток. Для предотвращения развития разрядов из указанных областей в них размещаются описанные выше угловые шайбы. Наряду с этим для выравнивания поля вдоль обмотки в торцевых ее частях устанавливаются кольцевые экраны, называемые применительно к трансформаторам емкостными кольцами. Последние обеспечивают некоторое выравнивание поля вдоль обмотки.
После монтажа всех изоляционных элементов в бак трансформатора заливается масло.
Слайд 3
В последние годы в связи с появлением и совершенствованием полимерных изоляционных материалов были выполнены успешные разработки и промышленный выпуск силовых трансформаторов на основе безмаслянной изоляции – так называемые сухие силовые трансформаторы. Стремление отказаться от трансформаторного масла продиктовано сложностью обслуживания и мониторинга масляных трансформаторов. Сухие трансформаторы не имеют также проблемы с устройством вводов высокого напряжения вследствие отсутствия в них металлического бака.
Выпуск сухих трансформаторов ограничен классом напряжения 35 кВ. Для более мощных и высоковольтных изоляторов проблема термической стойкости не позволяет отказаться от масла, как средства улучшения теплообмена.
На верхнем рисунке мы видим типичный сухой трансформатор с трехфазной обмоткой с литой эпоксидной изоляцией. Отсутствие бака, масла и как, следствие простая конструкция вводов является несомненным его преимуществом. Вместе с тем установка такого устройства на открытом воздухе должна быть обеспечена высокой стойкость изоляционных компонент к климатическим воздействиям. Далеко не все виды литой изоляции способны выдержать климатические воздействия, характерные для умеренно-холодных регионов. Поэтому масляные трансформаторы пока вполне конкурентно способны на рынке трансформаторов низких классов напряжений, а для классов 110 кВ и выше масляные трансформаторы для открытой установки вообще не имеют альтернативы. Описанный трансформатор с литой изоляцией снабжен термодатчиками, приводящих в действие систему отключения при превышении температуры обмотки величины 200 градусов Цельсия.
Лучшие условия для охлаждения обмотки создаются при выполнении обмотки открытой проводом имеющим полимерное изоляционное покрытие. При этом применяемый полимер обладает высокой стойкостью к климатическим воздействиям, например к перепаду температур окружающей среды в диапазоне –45 - + 50 градусов. Однако и в случае такой конструкции обмотки класс напряжения ограничен сегодня уровнем в 35 кВ.
Слайд 4
Описанные выше применительно к масляным трансформаторам изоляционные системы относятся к главной изоляции, которая способна выдерживать значительные напряжения, превосходящие номинальное напряжение сети. Вместе с тем в конструкции обмотки трансформатора имеют место изоляционные элементы, обеспечивающие необходимую электрическую прочность по отношению к воздействия существенном меньшим номинального напряжения. Речь идет о межвитковой и межкатушечной изоляции. В качестве таковой могут выступать масляные масляные промежутки или прокладки из электрокартона, как показано на верхнем рисунке. В случае применения более простой цилиндрической обмотки в качестве изоляционной прокладки между слоями используется кабельная бумага.
В современных конструкциях трансформаторов получила также распространение цилиндрическая обмотка из листового материала – фольги.
На фотографии справа мы видим два слоя такой обмотки, разделенных дистанцирующими диэлектрическими элементами.
Слайд 5
Ранее мы подробно рассматривали конструкции и выбор изолирующей подвески для воздушных линий электропередачи высокого напряжения. Вместе с тем для передачи электроэнергии высоким напряжением весьма широко применяются кабельные линии. Уровень номинальных напряжений сети, доступный для применения кабельных линий сегодня достигает 500 кВ.
Основными преимуществами кабельных систем электропередачи являются относительно слабое влияние климатических условий при прокладке кабеля в грунте или в тоннеле, компактность трассы кабеля по сравнению с воздушной линией электропередачи, отсутствие необходимости в отчуждении земли и обслуживании земли в области прокладки (налоги, просеки и т.д.)., полная защищенность кабельных линий о ударов молнии.
К недостаткам кабельных линий электропередач следует отнести более сложные технологии обслуживания мониторинга и ремонта в особенности для маслонаполненных кабелей. В частности замена участка кабельной линии, выполненной маслонаполненным кабелем, требует глубокого охлаждения (жидкий азот) в области реза кабельной линии.
Несмотря на отмеченные трудности, применение кабельных линий для передачи электроэнергии высоким напряжением непрерывно растет. В целом ряде случае кабельным линиям нет альтернативы – мегаполисы, подводные линии электропередачи.
Значительная часть кабелей высокого напряжения выполняется с применением кабельной бумаги и кабельного масла. Кабельное масло может несколько отличаться от трансформаторного, но в основе своей оно, как и трансформаторное представляет собой продукт нефтеперегона.
Долгие годы в качестве основной изоляционной системы в кабелях на низкие классы напряжения (до 35 кВ) применялась вязко-пропитанная изоляция. На верхнем рисунке мы видим конструкцию трехфазного кабеля с секториально отформованными жилами изолированными слоями бумаги пропитанными вязким составом, состоящим из трансформаторного масла (30%) и канифоли (70%). Ленты кабельной бумаги наматываются на жилы по спирали при этом устанавливается некоторый зазор, чтобы избежать разрыва кабельной ленты при изгибных деформациях кабеля. Текучесть
такого состава ограничена, но не полностью. Поэтому прокладка такого кабеля при больших перепадах высоты вдоль трассы не допускается, так как это может вызвать истечение пропитывающего компаунда и пробой изоляции. Все три жилы кабеля охвачены поясной изоляцией, а пространство между фазами заполнено низкосортным изоляционным материалом – жгуты, скрученная бумага и т.п. Поверх поясной изоляции накладывается герметическая алюминиевая или свинцовая оболочка, а на оболочке размещается броня в виде стальных лент и проволок.
Конструкция кабеля на 35 кВ, выполненная по описанному принципу, представлена на нижнем рисунке слайда. Отметим, что вследствие наличия в рамках описанной технологии в изоляции газовых включений рабочие напряженности для вязкопропитаннной изоляции относительно невелики и составляют максимально 3.5 кВ/мм.
Повысить электрическую прочность фазной изоляции можно путем ее градирования, создавая изоляционную структуры с переменной в пространстве диэлектрической проницаемостью. Рисунок и формулы в правой части слайда иллюстрируют этот прием. Как следует из формул, если диэлектрическая проницаемость будет убывать по мере удаления от жилы по закону обратного радиуса, то достигается наиболее благоприятное распределение напряженности с постоянным по радиусу значением. Добиться некоторого приближения к описанной идеально ситуации можно путем применения обмотки фазы с переменной плотностью, создавая более высокую плотность вблизи поверхности жилы и следовательно более высокую диэлектрическую проницаемость. На графике справа приведен пример такой обмотки, из которого видно, предельно допустимое значение напряженности достигается в более коротком промежутке, если применять градирование изоляции.
Слайд 6.
Большей электрической прочностью обладают маслонаполненные кабели. Благодаря возможности циркуляции масла в них, непрерывно пропитываемая в процессе эксплуатации твердая изоляция содержит существенно меньше газовых включений по сравнению с кабелями с вязкой пропиткой.
На рисунках мы видим две типовые конструкции маслонаполненного кабеля. Слева сечение кабеля с центральным масляным каналом, который располагается внутри токоведущей жилы кольцевого сечения. При этом