Оптимизация изоляции трансформатора: материалы, механизмы и обслуживание

Изоляция трансформатора является основой безопасного и эффективного распределения электроэнергии. Независимо от того, похоронены ли трансформаторы в подземных хранилищах или подняты на опорах, они зависят от тщательно подобранных изоляционных материалов, которые предотвращают электрические неисправности, управляют теплом и выдерживают механические воздействия. В этой статье подробно рассматривается выбор и характеристики изоляционных материалов, рассматриваются нагрузки, с которыми они сталкиваются, описываются типичные пути деградации и предлагаются рекомендации по продлению срока службы изоляции — все это адаптировано как для монтируемых на площадке, так и для применение трансформаторов на опоре .

1. Основные функции изоляции трансформатора

1.1 Электрический барьер

Изоляция создает защитную завесу между проводящими компонентами. В В трансформаторах, монтируемых на площадке , где напряжение часто превышает 15 кВ, надежные диэлектрические барьеры защищают от междуфазных и межфазных коротких замыканий и короткого замыкания между обмотками и сердечником. В устройствах, монтируемых на столбе, компактные обмотки основаны на сочетании жидкости и бумаги, чтобы поддерживать зазор даже в экстремальных погодных условиях или при кратковременных скачках напряжения.

1.2 Теплопередача

Медные обмотки и железные сердечники выделяют тепло под нагрузкой. Изоляционные жидкости, такие как минеральные масла или экологически чистые эфиры, поглощают это тепло и передают его радиаторам или окружающей среде. Твердые материалы, такие как целлюлозная бумага и полимерные пленки, дополняют охлаждение жидкости, обеспечивая отвод тепла от горячих точек и гарантируя, что температурные ограничения (класс F, H) не будут превышены.

1.3 Структурная поддержка

События короткого замыкания создают мощные электродинамические силы. Прокладки из прессованного картона, листы Nomex® и эпоксидные барьеры помогают сохранить геометрию катушки и предотвратить смещение намотки. При подвесной прокладке изоляция также должна выдерживать вибрацию от ветра или раскачивания опоры, не растрескиваясь и не расслаиваясь.

2. Стрессоры, влияющие на целостность изоляции

2.1 Электрические напряжения

• Постоянное напряжение: Длительное воздействие номинального рабочего напряжения с годами снижает диэлектрическую прочность.

• Импульсные перенапряжения. Удары молний и операции переключения создают импульсы с крутым фронтом (1,2/50 мкс), что ставит под угрозу пределы выдерживаемости импульсов.

2.2 Термические напряжения

• Нагрев, связанный с нагрузкой: потери I⊃2;R и гистерезис сердечника повышают температуру. Без достаточного потока масла или проводимости бумаги локализованные горячие точки ускоряют старение.

• Экстремальные условия окружающей среды. Трансформаторы, монтируемые на уличных площадках и столбах, сталкиваются с широкими перепадами температур (от –40 °C до +65 °C), поэтому требуются материалы, которые остаются стабильными во всем этом диапазоне.

2.3 Механические напряжения

• Силы условий разлома: Электродинамическая тяга во время разломов сжимает и срезает изоляционные слои.

• Вибрационная усталость. Длительная вибрация на воздушных линиях или во время транспортировки может привести к разрушению твердой изоляции, что приведет к обнажению проводников.

3. Распространенные пути разрушения изоляции

3.1 Термическое старение

Длительное тепловое воздействие изменяет молекулярную структуру молекул целлюлозы и эфиров, образуя кислоты и осадок. Со временем бумага теряет гибкость, а вязкость масла увеличивается, что снижает эффективность охлаждения.

3.2 Электрическая эрозия

Микроскопические пустоты внутри твердой изоляции или на границах раздела масло-бумага могут вызвать частичные разряды. Повторяющаяся микродуга разрушает материал до тех пор, пока не произойдет пробой диэлектрика.

3.3 Попадание влаги

Молекулы воды, притягиваемые гигроскопической бумагой, снижают общую диэлектрическую прочность. При установке на опоре неисправности уплотнений или сапунов могут привести к проникновению влаги, что усугубляет термические и электрические нагрузки.

3.4 Механические повреждения

Механические нагрузки большой величины во время неисправностей или продолжительной вибрации могут привести к разрушению картона, растрескиванию полимерных пленок или расслоению эпоксидных отливок, создавая пути для электрических неисправностей.

4. Выбор материалов и лучшие практики

1. Выбор жидкости:

• Минеральные масла отличаются ценой и доступностью, а также хорошими диэлектрическими и охлаждающими свойствами.

• Натуральные/синтетические сложные эфиры обладают более высокими температурами вспышки и биоразлагаемостью, что подходит для экологически чувствительных объектов.

2. Твердые изоляторы:

• Целлюлозная бумага остается отраслевым стандартом, сочетая в себе прочность и гибкость.

• Полимерные пленки (например, Nomex®, полиимид) обеспечивают превосходные тепловые характеристики при высоких температурах.

3. Композитные конструкции:
   сочетание жидкостей с твердыми прокладками и барьерами из литой смолы оптимизирует производительность: жидкость обеспечивает циркуляцию тепла, а твердые тела сохраняют точные зазоры и механическую жесткость.

4. Мониторинг состояния:

• Анализ растворенных газов (DGA) обнаруживает зарождающиеся электрические неисправности.

• Тестирование влажности (например, титрование по Карлу Фишеру) позволяет оценить содержание воды в масле и бумаге.

• Тепловидение обнаруживает неравномерное отопление или засорение радиаторов.

5. Увеличение срока службы изоляции.

• Регулярное техническое обслуживание: плановая фильтрация масла, дегазация и замена испорченной бумаги предотвращают ускоренное старение.

• Контроль окружающей среды: Надлежащая герметизация и использование сапунов из силикагеля сводят к минимуму проникновение влаги.

• Управление нагрузкой: предотвращение постоянных перегрузок снижает тепловые нагрузки и продлевает срок службы диэлектрика.

Надежность и срок службы трансформатора неразрывно связаны с его изоляционной системой. Понимая взаимодействие электрических, термических и механических напряжений, выбирая соответствующие комбинации жидкости и твердого тела и реализуя упреждающий мониторинг, операторы могут значительно снизить риск отказа трансформаторов как на подставке, так и на опоре. Для оптимизации предложения изоляционных труб и листов премиум-класса, бумажной продукции и современных полимерных пленок, Fenhar Insulation Materials предлагает индивидуальные решения, соответствующие строгим эксплуатационным и экологическим стандартам.