4.9. ВЫБОР ИЗОЛЯЦИИ И ПРОВОДОВ

Обмотки ИТ должны удовлетворять следующим основным требованиям: быть достаточно электрически прочными, т. е. изоляция обмоток должна выдерживать без повреждений длительное воздействие номинальных рабочих напряжений и кратковременное воздействие повышенных напряжений в возможных аварийных состояниях; иметь минимальную индуктивность рассеяния, динамическую емкость и сопротивление; быть достаточно прочными механически, т. е. обладать виброустойчивостью и выдерживать воздействие значительных электродинамических сил, возникающих как в нормальном режиме работы, так и, особенно, при коротких замыканиях цепи нагрузки.

Требования высокой электрической прочности и минимальной индуктивности рассеяния взаимно противоречивы, так как для увеличения электрической прочности необходимо увеличивать толщину изоляции, в то время как для уменьшения индуктивности рассеяния требуется уменьшать толщину. Уменьшение емкости обмоток, в свою очередь, по тем же причинам находится в противоречии с требованием минимальной индуктивности рассеяния. Однако в большинстве случаев уменьшение индуктивности рассеяния является более важной задачей, чем уменьшение емкости. По этим причинам размеры изоляционных промежутков обычно доводят до возможного минимума, определяемого необходимой электрической прочностью обмоток. Уменьшить емкость стремятся применением изоляционных материалов с возможно меиьшей диэлектрической проницаемостью, а также за счет конструктивных факторов. В связи с изложенным главные требования к изоляционным материалам состоят в малой диэлектрической проницаемости и пригодности для режимов с высокой напряженностью электрического поля.

Для выполнения требования минимального сопротивления обмоток в ИТ применяются медные провода; с целью ослабления поверхностного эффекта и эффекта близости провода выбирают по возможности малого диаметра, а уменьшение площади сечения компенсируют введением параллельных проводников. При больших токах и длительности импульсов применяют провода более экономичного прямоугольного сечения или тонкие и широкие медные шины из фольги, иногда из нескольких слоев, проложенных изоляцией.

Практика конструирования ИТ показала, что лучшими изоляционными материалами, наиболее полно удовлетворяющими перечисленным требованиям, являются трансформаторное масло, кабельная и трансформаторная бумага, пропитанная трансформаторным маслом, электрокартон, пленки из фторопласта, чередующиеся со слоями бумаги, органическое стекло. В качестве несущих элементов конструкции — бумажно-бакелитовые трубки и цилиндры, сборные каркасы из

органического стекла. Физические характеристики изоляционных материалов приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3. (см. скан) Усредненные характеристики изоляционных материалов

Следует иметь в виду, что данные таблицы являются усредненными, и поэтому каждом конкретном случае они должны уточняться по соответствующим нормативным документам или справочной литературе [23]. При выборе толщины изоляции, если конструкция обмоток обеспечивает однородность электрического поля, напряженность электрического поля должна приниматься в раза меньше указанной в таблице. При расчете длины намотки необходимо учитывать, что вдоль слоев изоляции максимальная допустимая продольная напряженность электрического поля примерно на порядок меньше поперечной. В конечном итоге можно считать, что для изоляции чисто масляной, бумажно-масляной и маслобарьерной допустимы поперечная напряженность электрического поля примерно 10, а для продольной напряженности —

Фторопластовые пленки следует применять лишь в таких которых температура обмоток может превышать 95 °С. Недостаток пленок в том, что по ним в продольном направлении легко развивается поверхностный разряд.

Органическое стекло широко применяется в ИТ вследствие высоких изоляционных свойств и возможности механической обработки: изготовления точеных, фрезерованных деталей — изоляторов, опор и др.

В мощных ИТ со стержневой или броневой МС каркасы обмоток изготовляются из бумажно-бакелитовых трубок. Эти трубки выпускаются предприятиями электротехнической промышленности с внутренним диаметром от 32 до 1200 мм и толщиной стенок от 3 до 25 мм. В указанных интервалах внутренний диаметр в ряду типоразмеров изменяется с шагом 5 мм, а толщина, стенок — с шагом 1 мм.

Толщина изоляции рассчитывается по формуле

а длина обмоток и длина изоляционных кромок (закраин) — по формуле

Здесь - поперечная и продольная напряженность электрического поля.

При конструировании изоляции необходимо иметь в виду, что высокие изоляционные свойства слоистых диэлектриков на практике в полной мере использовать не удается. Слоистую изоляцию невозможно сделать однородной, в ней неизбежны воздушные мешки. Вследствие разницы между диэлектрической проницаемостью воздуха, трансформаторного масла и бумаги (слоистого диэлектрика), а также из-за случайных дефектов изоляции в виде инородных включений напряженность электрического поля на участках с меньшей диэлектрической проницаемостью увеличивается. Если она достигает чрезмерно больших значений, в этих местах возникает коронирование, переходящее в тепловой пробой изоляции. С увеличением толщины слоистой изоляции повышается вероятность появления неоднородностей. По этой причине бумажно-масляную изоляцию применяют при относительно небольшой, до 15 мм, толщине изоляции. В целом, как показывает опыт, бумажно-масляная изоляция целесообразна при напряжениях до Попытки использовать ее в ИТ на напряжения около когда толщина изоляции достигает 40 мм, не дают ожидаемых результатов. При этом, что весьма важно, увеличение толщины изоляции в раза сверх расчетной почти не увеличивает реальной электрической прочности изоляции.

Вследствие указанных причин при напряжениях более целесообразна изоляция в виде чистого трансформаторного масла [24]. В отличие от слоистой чисто масляная изоляция в высокой степени однородна свойствам. Это позволяет в конструкциях с ослабленным краевым эффектом практически полностью использовать высокие электроизоляционные свойства трансформаторного масла. Кроме зтих масляная изоляция имеет еще и другие важные достоинства.

Трансформаторное масло обладает хорошей текучестью и может свободно конвектировать в пространстве между обмотками и МС. Следствием этого, а также высокой теплоемкости масла является хороший отвод теплоты от обмоток и МС. Диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла примерно в два раза меньше, чем у изоляционной бумаги и электрокартона. Это позволяет во столько же раз уменьшить емкость обмоток ИТ. Важным эксплуатационным достоинством масляной изоляции является также ее восстанавливаемость после кратковременных аварийных состояний (единичный пробой или искрение). Легко осуществима также и замена масла при регламентных работах. Таким образом, при большой мощности и напряжении масляная изоляция является наиболее целесообразным типом изоляции в ИТ. Однако ее применение возможно только в специально разработанных конструкциях, в которых обеспечена свободная циркуляция масла и отсутствуют пути для распространения поверхностного разряда.

В такого рода конструкциях вместо трансформаторного масла может применяться также и элегаз [25]. При повышенном давлении изоляционные свойства элегаза несколько выше, чем у трансформаторного масла, причем диэлектрическая проницаемость элегаза близка к единице, что позволяет снизить до минимума емкость обмоток. Однако применение злегаза вынуждает помещать ИТ в герметичные баки, способные выдерживать высокое давление. Это приводит к увеличению массы и габаритов ИТ, а также к ужесточению требований безопасности. Вследствие малой теплоемкости элегаза существенно усложняется теплоотвод в активных частях ИТ. По этим причинам широкого применения в ИТ элегазовая изоляция не получила.

При конструировании изоляции высоковольтных ИТ рекомендуется ориентироваться также на данные авторов работ [26, 27].

Как отмечалось, обмотки ИТ отличаются относительно небольшим числом витков. Однако напряжения на обмотках обычно измеряются десятками и сотнями киловольт, вследствие чего напряжение, приходящееся на один виток обмотки (витковое напряжение), может составлять единицы, а в мощных ИТ - даже десятки киловольт. Поэтому при конструировании обмоток ИТ приходится уделять особое внимание межвитковой изоляции обмоток. Для обеспечения требуемой электрической прочности межвитковой изоляции в обмотках ИТ используют провода с усиленной изоляцией, в основном марок ПЭВ-2, ПБ, ПБУ. Провода круглого сечения ПЭВ-2 обычно применяют в ИТ малой и средней мощности, а также во вторичных обмотках мощных высоковольтных ИТ. Провода прямоугольного сечения ПБ, ПБУ, способные выдерживать междуобмоточное напряжение 10 кВ, применяют в первичных обмотках ИТ средней мощности и обеих обмотках весьма мощных ИТ. При витковом напряжении менее 500 В целесообразно применение прямоугольных проводов марки ПЭТВ по ГОСТ 17708-83, которые

выпускаются с размерами от 0,8 X 12,7 до 3,55 X 12,7 мм. Размеры проводов марок ПЭВ-2 и ПБ приведены в табл. 4.4 и 4.5.

Таблица 4.4. (см. скан) Диаметр, мм, обмоточного провода марки ПЭВ-2 ГОСТ 7262-78

При весьма большом витковом напряжении приходится прибегать к дополнительному усилению межвитковой изоляции путем намотки с принудительным шагом или обертывания проводов кабельной бумагой. При импульсах малой длительности с целью ослабления поверхностного эффекта практикуется намотка несколькими проводами малого диаметра или тонкими и широкими шинами из медной фольги.

В целом, рассматривая обмотки мощных высоковольтных ИТ, необходимо отметить следующее. Принципиальная необходимость малоискаженной трансформации весьма коротких импульсов вынуждает конструировать ИТ с очень малой индуктивностью рассеяния и емкостью обмоток, а следовательно, с минимальными размерами обмоток, в частности с минимальными размерами изоляционных промежутков. Поэтому конструкции высоковольтных ИТ характеризуются весьма напряженным режимом работы изоляции и одна из важнейших задач практического конструирования ИТ — выбор таких обмоток, в которых изоляционные материалы используются максимально эффективно. В этом отношения

(кликните для просмотра скана)

лучшим типом обмоток являются обмотки с вводом посредине, отчего им и было уделено особое внимание.

Весьма важно рациональное конструирование выводов обмоток, с тем чтобы они также имели минимальную индуктивность. Особенно это касается выводов обмоток низшего напряжения, так как их индуктивность обычно оказывает наибольшее влияние на удлинение фронта импульса. Выводы обмоток всегда следует выполнять с минимальной площадью контура тока. Если по конструктивным причинам это не удается сделать, выводы нужно выполнять в виде двухпроводных, обычно полосковых, линий и тогда важное значение имеет компоновка выемной части ИТ. В этом отношении исключительно удобны особые, одновитковые, ИТ, сама конструкция обеспечивает практически полное отсутствие индуктивности выводов.