Образование начальных частичных разрядов в витковой изоляции силовых трансформаторов. Авторы Ю. Н. Львов, д.т.н., Б. В. Ванин, к.т.н., С. Ю. Львов, инж., В. П. Вдовико, к.т.н., В. А. Савельев, д.т.н. ОАО НТЦ электроэнергетики – ООО Пресс-электро ООО ЭМА(г.Новосибирск) – ГОУ ВПО ИГЭУ(г.Иваново )

В изоляции силовых трансформаторов и в моделях бумажно-масляной и маслобарьерной изоляции различных узлов до наступления пробоя обычно наблюдается два уровня частичных разрядов (ЧР). Кажущийся заряд ЧР первого уровня – начальных ЧР – составляет до 1000 пКл, ЧР второго уровня – критические ЧР – имеют существенно больший кажущийся заряд: от 2000 до пКл и более. Нормируемый ГОСТ уровень ЧР во внутренней изоляции на стороне испытуемой обмотки не должны превышать 3·10 - ¹º Kл при испытательном длительном переменном напряжении (1,4/3) Uн.р. или 5·10 - ¹ºКл при (1,5/3) Uн.р. (Uн.р. – наибольшее рабочее напряжение). 2

Общим условием образования ЧР является Евкл Епр, где Евкл - напряженность электрического поля в участке изоляции, в котором возникает ЧР, Епр, - электрическая прочность диэлектрика, в котором возникает ЧР. С целью повышения электрической прочности крайних витков обмоток, на них накладывается дополнительная изоляция. Так как диэлектрическая проницаемость основной и дополнительной изоляции может отличаться, то представляет практический интерес выяснение условий образования ЧР в слоях бумаги с различной диэлектрической проницаемостью в различных вариантах их расположения. 3

Структура изоляционного промежутка рассматриваемой модели по высоте проводника. 4 а) – поперечный разрез проводника обмотки, b) – коаксиальная модель витковой изоляции у кромки проводника. 1 – проводник витка; 2 – основная витковая изоляция; 3 – дополнительная витковая изоляция; 4 – масляная прослойка; I – область изоляции у кромки проводника; II - область изоляции у плоской поверхности проводника; r п, r о, r д – радиус скругления соответственно кромки проводника, внешней границы основной витковой изоляции и внешней границы дополнительной витковой изоляции; r б – радиус внешней границы модели до бака (заземленной или низкопотенциальной части) трансформатора.

В таблице приведены расчеты максимальной напряженности поля у кромки проводника для трех случаев: относительная диэлектрическая проницаемость основной витковой изоляции e 0 и дополнительной e д равны; e 0 = 4,5 и e д = 5,5; e 0 = 5,5 и e д = 4,5. Значения параметров изоляционного промежутка, соответствует реальным условиям r n = 0,75 мм, r о = 3,75 мм, r д = 5,75 мм. 3,1 Еср3,4 Еср3,27 Еср e 0 = 5,5 и e д = 4,5 e 0 = 4,5 и e д = 5,5 e 0 = e д

Целесообразно рассмотреть образование масляных прослоек в слоевой бумажной изоляции витков и оценить напряженность электрического поля в них. Так как толщина масляных прослоек намного меньше толщины витковой изоляции, то напряженность поля в масляной прослойке Ем будет равна Как видно из таблицы, изменение Е макс не столь существенны, но они показывают, что с ростом относительной диэлектрической проницаемости дополнительной витковой максимальная напряженность поля у кромки проводника растет. или, в зависимости от нахождения масляной прослойки в дополнительной или основной изоляции.

7 На рисунке 2 представлена зависимость электрической прочности трансформаторного масла и воздуха в нормальных условиях в зависимости от толщины масляной прослойки Рисунок 2.

8 На рисунке 3 представлена зависимость электрической прочности трансформаторного масла от температуры. Рисунок 3. 1 – высушенное масло; 2 – увлажненное масло.

Для случая расположения масляной прослойки толщиной, например, 100 мкм у кромки напряженность электрического поля в масляной прослойке при Еср = 3 кВ/мм будет составлять., В рассмотренных условиях при этой напряженности поля могут возникать ЧР. Образование масляной прослойки в толще основной витковой изоляции приведет к образованию в прослойке напряженности При этой напряженности поля ЧР не могут образоваться в масляных прослойках толщиной около 100 мкм. При перенапряжении и, соответственно, увеличении Е ср, а также незначительном увлажнении масла и температуре масла в интервале от минус 20 О С до 0 О С могут образоваться ЧР в масляных включениях толщиной и менее 100 мкм. Это объяснятся пониженной электрической прочностью масла при низких температурах, рис. 3.

10 Для иллюстрации роли перенапряжения в бумажно-масляной изоляции на рис. 4 приведены результаты исследования ЧР при перенапряжении, образуемого в результате коммутации в ОРУ 500 кВ. Рис. 4. Характеристики ЧР в бумажно-масляной изоляции трансформаторов тока ТФРМ-500 при коммутации в ячейках ОРУ. Приведенные результаты измерения ЧР показывают, что образовавшиеся ЧР пКл кажущегося заряда могут существовать короткое время и затем прекращать свое развитие, рис. 4а, а также не регулярно продолжать свое развитие, рис. 4b.

11 Выводы: 1. В силовых трансформаторах в реальных конструкциях неоднородной витковой изоляции применение дополнительного слоя пропитанных маслом бумажных лент приводит к увеличению локальной напряжённости электрического поля в основной витковой изоляции и повышает вероятность образования начальных ЧР. 2. Анализ напряженности электрического поля в масляных прослойках бумажно-масляной изоляции показывает, что перенапряжения, в том числе возникающие при коммутации оборудования, приводят к созданию в масляных прослойках критической напряженности поля и инициированию ЧР. Увлажнение масла и его низкая температура (в диапазоне от минус 20оС до +10оС) способствуют развитию ЧР в масляных прослойках витковой изоляции. 3. Опыт эксплуатации силовых трансформаторов показывает, что начальные ЧР в бумажно-масляной изоляции работающих трансформаторов обнаруживаются как в новых трансформаторах со сроком эксплуатации от 1 года, так и в трансформаторах с большим сроком службы (более 30 лет). Измеряемые кажущиеся заряды ЧР находятся в интервале от 100 пКл до 3000 пКл.