Основные факторы, влияющие на изоляционные характеристики трансформаторов

Во время эксплуатации трансформатора основными факторами, влияющими на изоляционные свойства трансформаторов, являются температура, влажность, методы защиты масла и воздействие перенапряжений. Поэтому контроль этих факторов в разумных пределах является ключевым элементом обеспечения безопасного использования трансформаторов.

1. Влияние температуры

Силовые трансформаторы изолируются маслобумажной изоляцией, причём влага в маслобумаге имеет различные кривые равновесия при разных температурах. В обычных условиях при повышении температуры влага из бумаги выделяется в масло; в противном случае бумага поглощает влагу из масла. Поэтому при более высокой температуре содержание влаги в трансформаторном масле больше; и наоборот, содержание влаги меньше.

При разных температурах степень растворения и разрыва цепей целлюлозы, сопровождаемая выделением газов, различна. При определённой температуре выход CO и CO2 постоянен, то есть содержание газов CO и CO2 в масле линейно связано со временем. По мере дальнейшего повышения температуры скорость образования CO и CO2 стремится к экспоненциальному росту. Таким образом, содержание CO и CO2 в масле непосредственно связано с тепловым старением изоляционной бумаги, а изменение их содержания может служить одним из критериев оценки аномалий в бумажном слое герметичного трансформатора.

Срок службы трансформатора зависит от степени старения изоляции, которая, в свою очередь, зависит от рабочей температуры. При номинальной нагрузке средняя температура обмоток масляного трансформатора повышается до 65°C, а наиболее горячая точка — до 78°C. Если средняя температура окружающей среды составляет 20°C, температура самой горячей точки достигает 98°C; при этой температуре трансформатор может работать 20–30 лет. Если трансформатор перегружен, температура повышается, что сокращает срок службы.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) считает, что для трансформаторов с изоляцией класса А в диапазоне температур от 80 до 140°C каждое повышение температуры на 6°C сокращает эффективный срок службы изоляции трансформатора вдвое. Это правило 6°C, иллюстрирующее ограничения по нагреву. Оно строже, чем ранее принятое правило 8°C.

2. Влияние влажности

Наличие влаги ускоряет деградацию целлюлозы в бумаге. Поэтому образование CO и CO2 также связано с влажностью целлюлозных материалов. При постоянной влажности чем выше содержание воды, тем больше разлагается диоксида углерода. И наоборот, чем ниже содержание воды, тем больше разлагается CO.

Следы влаги в изоляционном масле являются одним из важных факторов, влияющих на изоляционные свойства. Наличие следовых количеств влаги в изоляционном масле сильно вредит электрическим, физическим и химическим свойствам изоляционной среды. Влага снижает напряжение искрового разряда изоляционного масла, увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, ускоряет старение изоляционного масла и ухудшает изоляционные свойства. Попадание влаги в оборудование не только снижает эксплуатационную надежность и срок службы электрооборудования, но и может привести к его повреждению и даже создать угрозу безопасности людей.

3. Влияние маслозащитного режима

Действие кислорода в трансформаторном масле ускоряет реакцию разложения изоляции, а содержание кислорода связано со способом защиты масла. Кроме того, различные способы защиты по-разному влияют на растворение и диффузию CO и CO2 в масле. Например, количество растворенного CO невелико, что облегчает его диффузию в пространство над маслом в открытых трансформаторах. Поэтому объемная доля CO в открытых трансформаторах обычно не превышает 300×10⁻⁶. В герметичных трансформаторах, поскольку масляная поверхность изолирована от воздуха, CO и CO2 не могут легко испаряться, поэтому их содержание относительно высокое.

4. Влияние перенапряжений

(1) Влияние переходных перенапряжений

Относительное напряжение на землю, возникающее при нормальной работе трехфазного трансформатора, составляет 58% фазного напряжения. Однако при возникновении однофазного замыкания напряжение на основной изоляции увеличивается на 30% для системы с заземленной нейтралью и на 73% для системы с изолированной нейтралью, что может привести к повреждению изоляции.

(2) Влияние грозовых перенапряжений

Из-за крутизны волны грозового перенапряжения распределение напряжения на продольной изоляции (межвитковой, межкатушечной) становится очень неравномерным, что может оставлять следы разряда на изоляции и тем самым разрушать твердую изоляцию.

(3) Влияние коммутационных перенапряжений

Поскольку фронт рабочего перенапряжения относительно пологий, распределение напряжения приблизительно линейное. При передаче волны рабочего перенапряжения с одной обмотки на другую оно распределяется примерно пропорционально количеству витков между обмотками, что может привести к ухудшению и повреждению основной или межфазной изоляции.

5. Влияние электродвижущей силы короткого замыкания

Электродвижущая сила при коротком замыкании на выходе может деформировать обмотки трансформатора и сместить выводные линии, тем самым изменив первоначальное изоляционное расстояние, вызвав нагрев изоляции, ускорив её старение или повреждение, что приводит к разрядам, дугообразованию и отказам по короткому замыканию.

Измеритель сопротивления изоляции JYM