Характеристики изоляции обмоток трансформатора

При приложении к изоляции напряжения в ней происходят процессы поляризации и проводимости, имеют место диэлектрические потери. Эти процессы определяют характеристики изоляции, ее состояние. Для достоверной оценки состояния изоляции (увлажнения, загрязнения, старения) измеряется совокупность ее характеристик, поскольку недостатки одних измерений компенсируются преимуществами других.

Поляризация - это ограниченное смещение находящихся в изоляции связанных противоположных зарядов, происходящее под действием электрического поля. Реальные изоляционные материалы обладают несколькими видами поляризации, но преобладающим яляется какой-то один ее вид. У полярных диэлектриков, к которым относится изоляция обмоток трансформаторов, преобладает дипольно-релаксационный вид поляризации. Этот замедленный (инерционный) вид поляризации, продолжающийся десятки секунд, называется абсорбцией, а сопровождающий это явление ток - током абсорбции.

Изменение тока абсорбции во времени при приложении к изоляции постоянного напряжения показано на рис. 9.7,а кривой 1. По мере завершения смещения связанных противоположных зарядов происходит спад этого тока. Установившееся значение тока утечки i_ут через изоляцию определяется ее объемной и поверхностной проводимостью (сопротивлением).

а) б)

Рисунок 9.7 - Изменение тока абсорбции (а) и сопротивления изоляции (б) при приложении к ней постоянного напряжения

Переходный процесс спада тока абсорбции можно представить увеличением сопротивления изоляции R во времени (кривая 1 рис. 9.7,б). Сопротивление изоляции измеряется мегаомметром, отсчет сопротивления производится приблизительно через 60 секунд. Этого времени, как правило, достаточно для завершения процесса абсорбции. Итак, одной из характеристик изоляции является установившееся значение ее сопротивления, обозначаемое R₆₀. Очевидно, чем больше сопротивление R₆₀, тем выше качество изоляции.

Наименьшие допустимые сопротивления изоляции обмоток масляных трансформаторов при температуре 10…30^оС составляют:

R₆₀=300 МОм - для трансформаторов напряжением до 35 кВ ;

R₆₀=600 МОм - для трансформаторов напряжением 110 кВ;

R₆₀ - не нормируется для трансформаторов напряжением 220 кВ.

Допустим, что кривые 1 рис. 9.7,а и б соответствуют нормальной сухой изоляции. При увлажнении (загрязнении, старении) изоляции ее характеристики ухудшаются: ток утечки возрастает, сопротивление изоляции R₆₀ уменьшается (кривые 2 рис. 9.7, а и б).

Выполняя отсчет сопротивления изоляции по мегаомметру для двух моментов времени t₁ и t₂ и сопоставляя между собой сопротивления R_t1 и R_t2, можно судить, в частности, об увлажнении изоляции. Обычно принимается t₁=15 с, а t₂=60 с, а отношение R₆₀/R₁₅ называется коэффициентом абсорбции. Из кривых 1 и 2 рис. 9.7,б видно, что для влажной изоляции коэффициент абсорбции будет меньше, чем для сухой.

Для нормальной изоляции коэффициент абсорбции, измеренный при температуре 10…30^оС, должен быть не менее 1,3 [1].

В соответствии с характером зависимостей, приведенных на рис. 9.7,б, реальную изоляцию можно представить схемой замещения, показанной на рис. 9.8,а.

а) б)

Рисунок 9.8 - Схема замещения изоляции (а) и векторная диаграмма напряжения и токов (б)

Ветвь R_aC_a характеризует инерционность явления абсорбции, ветвь R₆₀ - сопротивление изоляции после завершения смещения всех связанных противоположных зарядов.

При приложении к изоляции переменного напряжения U по ней протекает полный ток I, состоящий из тока абсорбции I_a и тока утечки I_ут. Этот полный ток в соответствии с векторной диаграммой рис. 9.8,б можно разложить на активную I_R и емкостную I_C составляющие. Произведение UI_R определяет потери активной мощности в изоляции. Эти потери, идущие на нагревание изоляции, называются диэлектрическими потерями.

Отношение I_R / I_C = tgδ называется тангенсом угла диэлектрических потерь и характеризует стойкость изоляции по отношению к тепловому пробою, а также увлажнение изоляции и общее ее старение. Чем меньше tgδ, тем выше качество изоляции.

Наибольшие допустимые значения tgδ, %, при температуре обмоток 10…30^оС для масляных трансформаторов составляют:

tgδ =2,5% - для трансформаторов напряжением 35 кВ, мощностью более 10000 кВ^.А;

tgδ =2,5% - для трансформаторов напряжением 110 кВ;

tgδ =1,3% - для трансформаторов напряжением 220 кВ.

Потери активной мощности в изоляции в соответствии с обозначениями векторной диаграммы (рис. 9.8,б) определяются как

Поскольку реальные значения tgδ относительно малы, можно полагать, что I_C ≅ I. Тогда выражение (5.24) можно записать в виде

Таким образом, tgδ можно измерить по схеме с тремя измерительными приборами: ваттметром для измерения потерь активной мощности ΔР, вольтметром для измерения приложенного к изоляции напряжения U и амперметром для измерения протекающего через изоляцию тока I. Этот метод измерения достаточно прост, но точность измерений невелика. Более точное измерение tgδ выполняют с помощью специальных высоковольтных мостов.

Измерение характеристик изоляции (R₆₀, R₆₀/R₁₅, tgδ) проводят для всех обмоток трансформатора. В частности, для двухобмоточного трансформатора измерения характеристик изоляции проводят по схеме:

измерения на обмотке НН - заземлены обмотка ВН и бак;

измерения на обмотке ВН - заземлены обмотка НН и бак;

измерения на обмотках НН+ВН - заземлен бак.