Характеристики и испытания изоляции обмоток трансформаторов

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.3.10, а кривой 1. По мере завершения смещения связанных противоположных зарядов происходит спад этого тока. Установившееся значение тока утечки iут через изоляцию определяется ее объемной и поверхностной проводимостью (сопротивлением).

а) б)

Рис. 3.10. 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. 3.10,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…30оС 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. 3.10, 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.3.10, а и б).

Выполняя отсчет сопротивления изоляции по мегаомметру для двух

моментов времени t1 и t2 и сопоставляя между собой сопротивления Rt1 и Rt2, 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.3.10, б видно, что для влажной изоляции коэффициент абсорбции будет меньше, чем для сухой.

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

В соответствии с характером зависимостей, приведенных на рис.

3.10, б, реальную изоляцию можно представить схемой замещения,

показанной на рис. 9.8,а.

а) б)

Рис. 3.11. Схема замещения изоляции (а) и векторная диаграмма напряжения и токов (б)

Ветвь RaCa 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 Iaи тока утечки Iут. Этот полный ток в соответствии с векторной диаграммой рис. 3.11, б можно разложить на активную IRи емкостную ICсоставляющие. Произведение UIR определяет потери активной мощности в изоляции. Эти потери, идущие на нагревание изоляции, называются диэлектрическими потерями.

Отношение IR/ IC= 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…30оС 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 собозначениями векторной диаграммы (рис.3.11, б) определяются как

. (3.30)

Поскольку реальные значения tgδ относительно малы, можно полагать, что ICI. Тогда выражение (3.30) можно записать в виде

(3.31)

Из последнего выражения следует, что

(3.32)

Таким образом, tgδ можно измерить по схеме с тремя измерительными приборами: ваттметром для измерения потерь активной мощности ∆Р, 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.

Испытания изоляции повышенным напряжением.При эксплуатации испытания повышенным напряжением промышленной частоты проводят для проверки электрической прочности изоляции трансформаторных обмоток напряжением до 35 кВ. Испытанию повышенным напряжением должны предшествовать тщательный осмотр и оценка состояния изоляции другими методами.

Испытательное напряжение прикладывают к изоляции в течение времени, достаточного, чтобы в месте дефекта изоляции произошел пробой, и недостаточного для пробоя нормальной изоляции. Длительность испытания составляет, как правило, 1 мин. При большем времени может иметь место повреждение изоляции при отсутствии в ней дефектов.

Трансформаторы, предназначенные для эксплуатации в электроустановках, подверженных воздействию атмосферных перенапряжений, испытываются по нормам для нормальной изоляции; трансформаторы, предназначенные для эксплуатации в электроустановках, не подверженных воздействию атмосферных перенапряжений, испытываются по нормам для облегченной изоляции (табл.3.12).

Испытаниям подвергается каждая обмотка трансформатора. Напряжение прикладывается к испытуемой обмотке, выводы которой замкнуты накоротко; остальные обмотки трансформатора также замыкаются накоротко и заземляются вместе с баком трансформатора. Принципиальная схема испытаний приведена на рис.3.12.

Нормы для облегченной изоляции. Таблица 3.12

Автоматический выключатель QF предназначен для быстрого отключения установки при пробое или перекрытии изоляции объекта Т. Автотрансформатор АТ предназначен для плавного подъема напряжения. Контроль режима установки осуществляется амперметром

А и вольтметром V. Видимый разрыв при обслуживании установки создается рубильником QS.

Рис. 3.12. Принципиальная схема испытания изоляции повышенным напряжением

Испытательный трансформатор TV повышает напряжение до требуемого уровня. Контроль испытательного напряжения осуществляется киловольтметром kV. Разрядник FV (как правило, шаровый) защищает объект от случайного недопустимого повышения испытательного напряжения. Резистор R ограничивает ток при пробое или перекрытии изоляции объекта.

Испытательное напряжение должно подниматься плавно со скоростью, допускающей визуальный контроль по измерительным приборам, и по достижении установленного значения поддерживаться неизменным в течение времени испытания. После этого напряжение плавно снижается до значения не более одной трети испытательного и отключается.

Под временем испытания подразумевается время приложения полного испытательного напряжения.

Изоляцию считают выдержавшей испытания, если не произошло ее пробоя, не наблюдалось ощутимых на слух потрескиваний и разрядов, выделения газа и дыма, резких изменений показаний измерительных приборов.

Продольная изоляция обмоток (изоляция между витками, катушками, слоями обмоток) испытывается повышенным напряжением, индуктированным в самом трансформаторе. При этих испытаниях к одной из обмоток трансформатора прикладывается двойное номинальное напряжение повышенной частоты 100…400 Гц. Остальные обмотки трансформатора разомкнуты. Длительность испытания 1 мин. Повышение частоты необходимо для избежания чрезмерного увеличения намагничивающего тока и индукции в трансформаторе при приложении к его обмотке двойного напряжения.