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).

Рис. 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°С 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°С, 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.

Рис. 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; ветвь С_г — геометрическую емкость изоляции.

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

Наибольшие допустимые значения tgd, %, при температуре обмо­ток 10…30°С для масляных трансформаторов составляют:

• tgd=2,5% — для трансформаторов напряжением 35 кВ, мощно­стью более 10000 кВ^.А;

• tgd=2,5% — для трансформаторов напряжением 110 кВ;

• tgd=1,3% — для трансформаторов напряжением 220 кВ.

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

DР=UI_R=UIcosϕ=UI_Ctgd. (9.24)

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

DР@UItgd. (9.25)

Из последнего выражения следует, что

. (9.26)

Таким образом, tgd можно измерить по схеме с тремя измеритель­ными приборами: ваттметром для измерения потерь активной мощно­сти DР, 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 tgd выполняют с помощью специ­альных высоковольтных мостов.

Измерение характеристик изоляции (R₆₀, R₆₀/R₁₅, tgd) 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.