Внутренняя защита в трансформаторах

Рациональной конструкцией обмоток трансформатора и введением в конструкцию специальных устройств можно существенно снизить перенапряжения, воздействующие на продольную и главную изоляцию.

Из соотношения (8.19) следует, что емкостные градиенты, имеющие максимальные значения, пропорциональны коэффициенту αl. Следовательно, перенапряжения, ложащиеся на продольную изоляцию, могут быть снижены путем выравнивания кривой первоначального распределения напряжения.

Перенапряжения, ложащиеся на главную изоляцию, связаны с ко­лебаниями свободной составляющей напряжения. Снижение этих перенапряжений возможно путем снижения амплитуды свободной составляющей U_св(x)=U_Н(x)–U_пp(x). Так как принужденная составляющая U_пp(x) имеет неизменную форму, то снизить U_св(x) можно путем приближения U_Н(x) к U_пp(x), т. е. также путем выравнивания кривой первоначального распределения.

Рассмотрим ряд мероприятий, практически применяемых для внутренней защиты трансформаторов.

Экранирующие кольца. В связи с тем, что максимальные градиенты перенапряжения ложатся на первые катушки обмотки, изоляция витков этих катушек и межкатушечная изоляция выполняется усиленной. Это ведет к увеличению расстояний между катушками и соответственно к уменьшению емкостей ΔK в начале обмотки. При этом возрастает доля напряжения, ложащаяся на первые катушки. Такое явление приводит к недоиспользованию исходного мероприятия — усиления изоляции вначале обмотки. Мерой, компенсирующей уменьшение ΔK первых катушек, является устройство емкостного или экранирующего кольца, показанного на рис. 8.20. Кольцо, присоединенное к началу обмотки, выравнивает электрическое поле на первых катушках и тем самым снижает градиенты перенапряжения. Изоляция кольца должна выдерживать напряжение, ложащееся на первую катушку.

Рис. 8.20 – Емкостное кольцо катушечной обмотки.1 — емкостное кольцо; 2 — катушка обмотки.

Компенсационные экраны. Выровнять кривую U_H(x) можно путем компенсации токов, стекающих по емкостям ΔС. Такая компенсация может быть осуществлена с помощью специального металлического щита, окружающего обмотку и присоединяемого к ее линейному концу (рис. 8.21). Ток, подтекающий по частичным емкостям ΔС₁ компенсирует ток, стекающий по емкостям ΔС. В результате ток, текущий по емкостям ΔС, будет оставаться неизменным и кривая первоначального распределения будет выражаться уравнением прямой U_Н(x)=U₀(1-x/l).

В этом случае в обмотке с заземленной нейтралью кривая U_H(x) совпадает с кривой U_пр(x) и, следовательно, в обмотке не возникают колебания.

Рис. 8.21 – Схема емкостной компенсации обмоток трансформаторов.

Для того чтобы получить равномерный спад напряжения по емкостям ΔK, необходимо, чтобы емкости ΔС₁ изменялись вдоль обмотки в соответствии с уравнением

(8.22)

Для этого необходимо, чтобы компенсационный щит располагался к обмотке наклонно. Обмотки, отличающиеся равномерным спадом кривой первоначального распределения по емкостной цепочке, называются нерезонирующими.

Резкий спад кривой первоначального распределения вызывается в основном стеканием токов по частичным емкостям ΔС в начале обмотки, где еще высоки напряжения катушек. Устройства, компенсирующие емкостные токи лишь в начале обмотки, оказываются поэтому при большой простоте и дешевизне весьма эффективными. На рис. 8.22 показано устройство емкостной компенсации, применяемое в настоящее время для высоковольтных обмоток трансформаторов 110—220 кВ. С торца обмотки расположено емкостное кольцо, присоеди няемое к линейному вводу; с емкостным кольцом электрически связаны незамкнутые экранирующие витки. Емкостное кольцо и экранирующив витки отделены от основной обмотки изоляцией, растущей с возрастанием порядкового номера катушек. На рис. 8.23 показаны кривые максимальных градиентов G_М(x) в процентах от U₀ в обмотке 220 кВ с емкостной компенсацией и без нее. Из сравнения кривых видно, что устройство емкостной компенсации снижает G_M почти вдвое.

В трансформаторах с емкостным экраном весьма значительными оказываются напряжения между экранирующими витками и катушками обмотки, называемые линеалами. Это определяет необходимость высокой изоляции экранирующих витков от катушек обмотки. Как уже указывалось, изоляция экранирующих витков выполняется ступенчатой в соответствии с ростом линеалов по мере возрастания порядкового номера катушки.

Рис. 8.22. Устройство емкостной компенсации обмотки 220 кВ. 1 — емкостное кольцо; 2 — катушка обмотки; 3 — экранирующие витки; 4 — изоляция экранирующих витков; 5 — прокладки для создания масляных ка­налов между экранирующими витками и катушками.

Рис. 8.23 – Градиенты в обмотке 220 кВ при воздействии волны 1,5/40 мксек. 1 — с экранирующими витками; 2 – без экранирующих витков.

Увеличение продольных емкостей применением специальных обмоток. Выравнивание кривой первоначального распределения возможно путем увеличения продольных емкостей ΔK_Э. Достигается это в так называемых петлевых обмотках. Конструкция катушек с петлевыми обмотками в двух вариантах показана на рис. 6.24. В этой конструкции удаленные по порядковому номеру витки оказываются расположенными рядом, что ведет к увеличению ΔK_Э и весьма равномерному распределению напряжения U_Н(x). Петлевые обмотки получили в настоящее время большое распространение в трансформаторах высшего класса напряжения.

Рис. 8.24 – Два варианта (а и б) выполнения петлевой обмотки.

Повышенными значениями ΔK обладают также обмотки с широкими дисковыми катушками. Такие обмотки имеют, в частности, реакторы поперечной компенсации на сверхвысокие напряжения.

Слоевые обмотки (рис. 8.7,а) обладают весьма благоприятными свойствами в отношении распределения напряжения и колебаний при импульсах. Особенностью слоевых обмоток является очень большая емкость между слоями и малая емкость слоев на землю, за исключением первого и последнего слоев.

В отечественном трансформаторостроении слоевые обмотки применяются для трансформаторов напряжения 35 кВ и ниже с изолированной нейтралью. Для дополнительного выравнивания электрического поля обмотки снабжаются экраном, подключенным к линейному концу. На рис. 8.25 показано типичное распределение потенциалов на двойной слоевой обмотке трансформатора 35 кВ. Потенциал экрана, равный напряжению приложенного импульса, передается через межслоевые емкости на все слои обмотки. В результате кривая максимальных потенциалов в обмотке лишь незначительно отличается от кривой первоначального распределения и нигде не превышает 100%.

Рис. 8.25 – Распределение напряжения в слоевойобмотке трансформатора 35 кВ. 1 — начальное распределение U_H(x); 2 — максимальные напряжения U_М(x).

При заземленной нейтрали использование слоевых обмоток дает су­щественную экономию в изоляции, поскольку изоляция (главная) наружного слоя включает в себя изоляцию всех слоев обмотки. Слоевые обмотки поэтому применяются некоторыми фирмами для трансформаторов 154 кВ и выше с заземленной нейтралью. Испытательные трансформаторы на высокие напряжения выполняются исключительно со слоевыми обмотками.