Силовые элегазовые трансформаторы - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

5584
Силовые элегазовые трансформаторы

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), элегазовые измерительные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН), элегазовые выключатели и др.

Существенным преимуществом этого типа оборудования по сравнению с электрооборудованием, в котором в качестве изоляционной 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,вида испытательных напряжений и др., показали, что при разработке изоляции элегазового оборудования существует целый ряд проблемных, трудно решаемых задач [1, 2].

Особенно трудным решение таких задач оказывается в случаесоздания 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 другиханалогичных 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 трансформаторов необходимо непрерывно прокачивать элегаз вдоль конструктивных элементов,находящихся под высоким напряжением;

·        параметры электрического поля в силовых элегазовых 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 Ul(с обязательным измерением интенсивности частичных разрядов);

·        одноминутным испытательным напряжением U1m;

·        напряжением коммутационного импульса ;

·        напряжением полного грозового импульса ;

·        напряжением срезанного грозового импульса Ucli.

Следует отметить, что 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 институте 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 напряжениями обмоток 154 ±10?1,25% // 23// 6,6 кВ.

Общий вид конструкции силового однофазного элегазового трансформатора, изготовленного южнокорейской компанией HYUNDAI, показан на фото, помещенном в начале этой статьи, а эскиз его поперечного разреза – на рис.3, где обозначено:

1 – третичная обмотка (ТО);

2 – двухслойная обмотка низшего напряжения (НН);

3 – обмотка высшего напряжения (ВН) с вводом посередине высоты;

4 -регулировочная обмотка (РО), состоящая из двух параллельных частей;

5 – экранирующие кольца, установленные на верхнем и нижнем краях обмотки ВН;

6 – изоляционные цилиндры;

7 – изоляционное кольцо;

8 – металлическая консоль;

9 – экран;

10 – изоляционный слой.

Проблемные зоны изоляции силового однофазногоэлегазового трансформатора

Надежность работы силовых элегазовых трансформаторов в значительной мере зависит от надежности работы их изоляции. В элегазовом трансформаторе особенно надежной должна быть изоляция следующих, выделенных на рис.3 штриховыми линиями, пяти наиболее напряженных (проблемных) зон трансформатора, расположенных между отдельными изоляционными деталями или между изоляционной и проводящей деталью трансформатора [1]:

• зона 1, представляющая собой зону главной маслобарьерной изоляции, которая занимает пространство посредине высоты обмоток ВН и НН и расположена вблизи линейного вывода обмотки ВН с вводом посредине;

• зона 2,а – зонаглавной маслобарьерной изоляции, расположенная между краем регулировочной обмотки РО и обмоткой ВН;

• зона 2,б– зонаглавной маслобарьерной изоляции, расположенная между краем третичной обмотки ТО и магнитопроводом;

• зона 3– зона витковой изоляции, охватывающая изоляцию между соседними витками обмотки ВН;

• зона 4 – зона межкатушечной изоляции, охватывающая изоляцию между соседними катушками обмотки;

• зона 5– зона изоляции отводов, охватывающая изоляцию отводов элегазового трансформатора.

Каждая из этих зон образует своеобразный диэлектрический зазор (так называемый, диэлектрический клин) в изоляции трансформатора. Диэлектрические клинья опасны тем, что зона изоляции, где такие клинья образуются, представляет собой зону существенного местного повышения напряженности электрического поля, в которой вначале может возникнуть, а в дальнейшем развиваться электрический разряд (как правило, по поверхности). Поэтому при конструировании элегазовых трансформаторов места образования диэлектрических клиньев должны быть подвергнуты тщательному анализу с учетом, как соотношений диэлектрических проницаемостей изоляционных сред, так и изменения электрической прочности тонких прослоек.

Таким образом, к числу наиболее напряженных зон элегазового трансформатора относятся зоны, расположенные:

• между соседними проводами (рис.4,а, где обозначено: 1 – изоляция; 2 – провод);

• между изоляцией провода и прокладкой или между катушками – обведены кружками (рис.4,б, где обозначено: 1 – изоляция; 2 – провод; 3 – прокладка; 4 – рейка);

• между изоляцией экранирующего кольца на краю обмотки и прилегающей рейкой или шайбой (рис.5,а, где обозначено: 1 – стержень; 2 – ярмо; 3 – изоляционные шайбы; 4 – провод; 5 – рейка; 6 – цилиндр);

• между изоляцией смежных отводов (рис.5,б, где обозначено: 1 – среда с большой диэлектрической проницаемостью; 2 – изоляционная среда); между ярмовой изоляцией и закругленным краем консоли;

• между неизолированным цилиндрическим отводом и опорной изоляцией и др.

 

Физическое и компьютерное моделирование электрофизических процессов в однофазном элегазовом трансформаторе

Сложная проблема создания работоспособной конструкции однофазного элегазового трансформаторамощностью 20 МВ×А решалась в УИТ, г. Запорожье комплексно: электрофизические процессы в трансформаторе исследовались как на основе применения физического, так и на основе компьютерного моделирования, для осуществления которого использовались ранее разработанные компьютерные программы расчетов масляных трансформаторов, адаптированные к расчету элегазовых трансформаторов.

При этом для осуществления физического моделирования были спроектированы и изготовлены специальные физические модели, как крупномасштабные, так и модели малых размеров, воспроизводящие в масштабе, близком к единице, показанные на рис.3 пять проблемных зон изоляции проектируемого элегазового трансформатора.

Отличительной особенностью этих моделей явилось то, что каждая из них была изготовлена из тех же самых материалов и по той же самой технологии, что и соответствующие узлы проектируемого элегазового трансформатора. При этом каждая физическая модель проходила тщательную подготовку к испытаниям путем проведения таких операций, как ее сушка под вакуумом, сборка в чистом помещении и установка в испытательный бак, который после установки в него модели заполнялся элегазом, находящимся под давлением, которое требовалось по условиям проведения испытаний.

Поскольку при проведении испытаний электрофизических процессов на масштабных физических моделях проблемных зон изоляции трансформатора ставилась задача получения возможно более высоких значений напряжения зажигания частичных разрядов (ч.р.), то каждая из этих моделей испытывалась импульсным напряжением по ступенчатой методике: на ступени, выдерживавшие испытание, вначале прикладывалось 15 импульсов напряжения, а на заключительной стадии испытаний – по 3 импульса на ступень.

Ввиду ограниченного объема статьи ниже приведены лишь наиболее важные результаты этих и других испытаний, а также результаты компьютерного моделирования электрофизических процессов в изоляции элегазового трансформатора.

Для осуществления компьютерного моделирования электрофизических процессов в наиболее напряженных элементах конструкции элегазового трансформатора использовались ранее разработанные в УИТ компьютерные программы расчетов масляных трансформаторов, которые были адаптированы к расчету элегазовых трансформаторов.

Исследование электрической прочности изоляции на малых физических моделях

Важнейшим результатом исследования электрической прочности изоляции однофазного элегазового трансформатора, полученным на основе физического моделирования электрофизических процессов на моделях отдельных узлов трансформатора, явился следующий результат (ранее, до проведения таких исследований, он считался рабочей гипотезой): у элегазовых трансформаторов пробой изоляции определяется величиной максимальной напряженности электрического поля в точке. В отличие от этого у масляных трансформаторов, как известно, величиной, определяющей электрическую прочность изоляции, является средняя напряженность электрического поля вдоль силовой линии от поверхности изоляции одного элемента конструкции до поверхности изоляции другого элемента конструкции.

Кроме того, проведенные на малых физических моделях исследования зависимости относительного испытательного напряженияU*,о.е., выраженного в виде отношения испытательного напряжения к напряжению полного грозового импульса , от напряжений: полного грозового импульса коммутационного импульса  импульса промышленной частоты , а также от рабочего напряжения  позволили получить ряд важных характеристик, которые показаны на рис.6 – для модели изоляции катушки обмотки ВН и ступени обмотки РО и на рис.7 –для модели изоляции отводов обмоток.

Сравнение показанных на рис.6 ирис.7 испытательных и повреждающих напряжений свидетельствует, что определяющим видом воздействующего напряжения для выбора размеров изоляционных промежутков в элегазовом трансформаторе является напряжение грозового импульса. С учетом этого вида воздействующего напряжения и была осуществлена разработка электрической изоляции элегазового трансформатора.

Проблема диэлектрических клиньев

Для снижения напряженности электрического поля в проблемных зонах изоляции элегазового трансформатора до допустимого уровня по условиям его длительной безопасной эксплуатации был предложен комплексный подход. Суть этого подхода сводилась к тому, что вначале была проведена адаптация типовых конструкций изоляции обмоток мощных масляных трансформаторов к конструкции изоляции проблемных зон обмоток разрабатываемого элегазового трансформатора, а затем напряженность электрического поля в проблемных зонах изоляции элегазового трансформатора (т.е., по существу, в диэлектрических клиньях) рассчитывалась по ранее разработанным в УИТ компьютерным программам расчета изоляции масляных трансформаторов, адаптированным к расчету изоляции элегазовых трансформаторов. Это позволило на основе расчетов распределения напряжения по катушкам обмоток элегазового трансформатора полностью решить еще недостаточно изученную в трансформаторостроении проблему диэлектрических клиньев.

Зависимость изменения напряженности электрического поля от давления элегаза

На рис.8 для зоны витковой изоляции, охватывающей изоляцию между соседними витками обмотки ВН элегазового трансформатора, показан экспериментально полученный график зависимости изменения напряженности электрического поля Е, при которой возникают частичные разряды в витковой изоляции, от давления P элегаза. Наиболее интересной с точки зрения проектирования элегазового трансформатора является та часть этого графика, где при изменении давления в пределах от 0,3 до 0,4 МПа происходит увеличение напряженности электрического поля,при которой возникают частичные разряды в витковой изоляции в пределах от 10,6 до 13,1 кВ/мм.

Уровень частичных разрядов в силовом элегазовом трансформаторе

Испытания опытного образца элегазового трансформатора показали, что в нем уровень частичных разрядов не превысил 10 пКл, что в несколько десятков раз меньше допустимого уровня частичных разрядов для трансформаторов с масляным наполнением.

В заключение отметим, что в результате исследований электрической прочности изоляции отдельных узлов 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 трансформатора, уточнены математические 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 заполнением // Электрик. – 2009. – №1–2. – С.9.

2. Полтев А.И. Конструкция и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. – Л.: Энергия, 1979.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus