Отличия в изоляции разных типов элегазовых трансформаторов
В настоящее время элегазовое электрооборудование высокого напряжения
получило самое широкое распространение в мировой и отечественной
электроэнергетике. К числу такого оборудования относятся: элегазовые
аппараты переменного тока напряжением до 800 кВ включительно,
большинство из которых используются в комплектных распределительных
устройствах элегазовых (КРУЭ), элегазовых измерительных трансформаторах
тока (ТТ) и напряжения (ТН), элегазовых выключателях и др.
Существенным преимуществом этого типа оборудования по сравнению с
электрооборудованием, в котором в качестве изолирующей и охлаждающей
среды используется трансформаторное масло, литая изоляция и другие
вещества, является его взрыво- и пожаробезопасность, намного меньшие
габариты и масса, практически полная независимость от условий окружающей
среды, более низкие эксплуатационные расходы, повышенный срок службы и
др.
В то же время проведенные в процессе создания высоковольтного
элегазового оборудования всесторонние исследования физических и
электрических свойств элегаза, в частности, зависимости его
электрической прочности от давления, частоты, формы применяемых
электродов тательных напряжений и др., показали, что при изоляции
элегазового оборудования существует проблемных, трудно решаемых задач
[1, 2].
Особенно трудным решение таких задач с в случае создания устройств, в
которых элегаз используется одновременно в качестве изолирующей и охлаждающей
среды. К этому типу устройств, в первую очередь относятся силовые
элегазовые трансформаторы, в которых требуется непрерывно отводить тепло,
выделяющееся при их работе. Этим они принципиально отличаются от КРУЭ
элегазовых измерительных трансформаторов тока и напряжения и других
устройств с элегазовым наполнением, в которых элегаз находится в
практически неподвижном состоянии из-за отсутствия необходимости
непрерывного отвода тепла.
Электрическая
изоляция КРУЭ, ТТ и ТН имеет следующие отличительные особенности:
•объемы, занимаемые изоляционными материалами, относительно малы;
• устройства содержат неизолированные электроды;
•электрическое
поле КРУЭ, ТТ, ТН и других аналогичных устройств является слабо
неоднородным и параметры этого поля вдоль поверхностей изоляционных деталей
поддаются выравниванию.
Силовые элегазовые трансформаторы принципиально отличаются от
высоковольтных элегазовых устройств, в которых отсутствует необходимость
непрерывного отвода тепла, поэтому заполняющий их элегаз находится
в неподвижном состоянии. Эти отличия сводятся к следующему:
•изоляционные
материалы в силовых элегазовых трансформаторах занимают значительные
объемы;
•для обеспечения охлаждения обмоток таких трасформаторов необходимо
непрерывно прокачивать элегаз конструктивных элементов, находящихся под
высоким напряжением;
•параметры электрического поля в силовых трансформаторах (в отличие от
слабо неоднородного поля в КРУЭ и в других аналогичных устройствах)
зависят как от геометрии трансформаторов, так и от вида воздействующего
напряжения (переменного, импульсного и др.)
Последнее из выше приведенных принципиальных отличий требует более
подробного разъяснения.
Распределение электрического поля в ряде зон силовых элегазовых
трансформаторов (у краев обмоток, вблизи выводов и отводов, а также в других
напряженных зонах, которые обычно называют проблемными зонами) намного
сложнее по сравнению с распределением поля в КРУЭ и других устройствах,
заполненных неподвижным элегазом. При этом возможности выравнивания
параметров этого поля вдоль поверхностей изоляционных деталей элегазового
трансформатора крайне ограничены и для достижения даже незначительного
выравнивания параметров этого поля приходится значительно усложнять
конструкцию изоляции в таких проблемных зонах трансформаторов.
Однако трудности разработки изоляции проблемных зон силовых элегазовых
трансформаторов этим не исчерпываются. В трансформаторах этого типа
зависимость параметров электрического поля от вида воздействующего
напряжения (переменного, импульсного и др.) существенно осложняет проведение
испытаний таких трансформаторов и вызывает необходимость испытывать их
следующими видами испытательных напряжений (напряжения приведены в порядке
возрастания):
• длительным (одночасовым) повышенным напряжением (с обязательным
измерением интенсивности частичных разрядов);
• одноминутным испытательным напряжением;
• напряжением коммутационного импульса;
• напряжением полного грозового импульса;
• напряжением срезанного грозового импульса.
Поскольку длительность воздействующего напряжения незначительно влияет на
электрическую прочность элегаза, то наиболее жестким воздействием,
определяющим выбор размеров изоляции, как правило, является испытательное
напряжение с наибольшей амплитудой.
Наиболее напряженные (проблемные) зоны изоляции
отечественного силового однофазного элегазового
трансформатора
Подготовка проектирования силового элегазового трансформатора
В отечественной и европейской практике трансформаторостроения в отличие от
стран Юго-Восточной Азии до недавнего времени отсутствовал опыт создания
силовых элегазовых трансформаторов. Поэтому в Украинском инcтитуте
трансформаторостроения (УИТ, г. Запорожье), сотрудники которого несколько
лет тому назад впервые в Европе приступили к разработке конструкции таких
трансформаторов, был максимально использован собственный накопленный опыт
разработки конструкции элегазовых измерительных трансформаторов на
напряжение от 110 до 1150 кВ, а также опыт зарубежных компаний,
специализирующихся на выпуске КРУЭ.
Для преодоления многочисленных принципиальных трудностей, связанных с
разработкой изоляции и системы элегазового охлаждения таких трансформаторов,
в УИТ был также проведен подробный анализ типовой конструкции изоляции
масляных силовых трансформаторов. На основе результатов этого анализа было
принято принципиальное решение о целесообразности с целью широкого
использования имеющегося технологического оборудования создавать такие
конструкции силовых элегазовых трансформаторов, у которых отдельные элементы
(стержневая конструкция магнитопровода, концентрические обмотки и др.)
аналогичны традиционным элементам конструкции силовых масляных
трансформаторов.
По завершению подготовки к созданию элегазового трансформатора сотрудники
УИТ (г. Запорожье) приступили к непосредственному проектированию конструкции
силового однофазного элегазового трансформатора мощностью 20 МВ*А с
номинальными значениями напряжений обмоток высшего (ВН) и низшего (НН)
напряжений 154 и 6,6 кВ соответственно.
Уровень частичных разрядов в силовом однофазном элегазовом трансформаторе
Испытания опытного образца силового однофазного элегазового трансформатора
показали, что в нем уровен частичных разрядов не превысил 10 пКл, что в
несколько дессятков раз меньше допустимого уровня частичных разрядов для
трансформаторов с масляным наполнением.
В заключение отметим, что в результате исследований электрической прочности
изоляции отдельных узлов силового однофазного элегазового трансформатора,
проведенных на масштабных физических моделях, а также методом компьютерного
моделирования, были определены значения повреждающих напряжений и
напряженностей электрического поля с учетом конструктивных особенностей силового
однофазного элегазового трансформатора, уточнены матические модели каждой из
пяти проблемных зон его изоляции, а также получена полная база данных, необходимых
для проектирования изоляции.
Литература
1. Гура Ю.Л. Силовой трансформатор с элегазовым исполнением // Электрик.
- 2009. - №1-2; 9.
2. Полтев А.И. Конструкция и расчет элегазовых аппаратов высокого
напряжения. - Л.: Энергия, 1979.
