Изоляция вращающихся машин

Общие сведения. К вращающимся машинам высокого напряже­ния относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенса­торы и двигатели большой мощности с номинальным напряжени­ем от 3 кВ и выше. Они выполняют важные функции в энергосисте­мах и на промышленных предприятиях как источники энергии и приводы крупных агрегатов, поэтому к ним и к их изоляции предъявляются очень высокие требования в отношении надежно­сти и сроков службы.

Создание необходимого уровня электрической прочности изо­ляции статорных обмоток крупных вращающихся машин представ­ляет значительные трудности. Специфичность конструкции машин обусловливает неблагоприятные условия для изоляции — необхо­димость размещения частей обмоток в пазах статора и использо­вания в основном твердых изоляционных материалов. Электриче­ские поля высокой напряженности могут возникать не только в сло­ях твердой изоляции, но и в воздухе — в зазорах между изоляцией обмотки и внутренней поверхностью паза, в области изоляционных каналов, при выходе проводов обмотки из паза. Все это может быть причиной возникновения коронных и скользящих разрядов.

Номинальные напряжения генераторов в настоящее время до­стигают 20 кВ, но из-за огромных рабочих токов осуществление передачи энергии от генератора к трансформатору становится за­труднительным. Повышение номинальных значений напряжений генераторов без ухудшения остальных технико-экономических по­казателей представляет собой достаточно сложную проблему. Изо­ляция электрических машин оказывается в тяжелых условиях. Она подвергается воздействию электрических полей, высоких темпера­тур и механических нагрузок.

В процессе работы электрические машины нагреваются вслед­ствие возникновения потерь в проводниках и диэлектрических по­терь в изоляции. Высокая длительно действующая температура при­водит к изменению структуры изоляции, способствует развитию в ней ионизационных процессов, ускоряет разрушение увлажненной изоляции.

Для уменьшения рабочей температуры в машинах применяются различные способы охлаждения обмоток. В генераторах малой и средней мощности используется поверхностное охлаждение воз­духом или водородом. При этом тепловой поток проходит через изоляцию и дополнительно нагревает ее. В этом случае изоляция должна обладать высокой жаропрочностью и хорошей теплопро­водностью. В генераторах мощностью от 200 МВт и выше приме­няется внутреннее водяное, масляное или водородное охлаждение обмоток, осуществляемое посредством принудительной циркуля­ции жидкости или газа по встроенным в обмотку каналам. При такой системе охлаждения изоляция не пронизывается тепловым потоком, и требования к ее теплопроводности снижаются. Во вра­щающихся машинах высокого напряжения используется изоляция, относящаяся по нагревостойкости к классам В, F Н.

Изоляция электрических машин работает в условиях постоян­ной вибрации (особенно сильной в лобовых частях) и ударных ме­ханических воздействий, возникающих при коротких замыканиях во внешней сети, в том числе при включении в сеть в режиме само­синхронизации и т.д. Вибрация приводит к истиранию изоляции, а ударные нагрузки — к растрескиванию и расслоению ее. Наи­более опасные механические напряжения возникают на участках выхода обмотки из пазов статора. Поскольку механическое по­вреждение изоляции приводит к немедленному или быстрому ухуд­шению ее диэлектрических свойств, к изоляции вращающихся машин предъявляются жесткие требования в отношении механи­ческой прочности.

Тяжелые условия работы изоляции электрических машин не могут быть скомпенсированы увеличением ее объема. Чем полнее пазы статора заполняются медью, тем больше мощность машины при тех же габаритах. Поэтому размеры изоляции жестко ограни­чиваются, вынуждая применять тонкостенную изоляцию.

Непрерывная изоляция выполняется из микаленты по всей дли­не обмотки. Она имеет одинаковую электрическую прочность па­зовых и лобовых частей обмотки и лишена, таким образом, ос­новного недостатка гильзовой изоляции. Микалента наносится на обмотку в пол нахлеста. Стержни обмотки, изолированные микалентой, сушатся, вакуумируются и пропитываются под давлением расплавленным асфальтовым битумом. Этот процесс называется компаундированием изоляции. Непрерывная микалентная компа­ундированная изоляция является термопластичной и при повыше­нии температуры размягчается, а ее проводимость и диэлектриче­ские потери резко возрастают. Такая изоляция применяется в ма­шинах мощностью до 200 МВт.

В настоящее время для генераторов мощностью от 300 МВт и выше применяют стекломикаленту и стеклослюдинитовую ленту на термореактивном связующем. Такая изоляция не размягчается при нагреве и сохраняет высокую механическую и электрическую прочность. Однако изоляция на термореактивном связующем хруп­кая, что усложняет укладку стержней в пазы статора. Рассмотрим некоторые характеристики изоляции статорных обмоток.

Пробивные напряжения изоляции статорных обмоток при про­мышленной частоте имеют большой разброс, что объясняется в основном ее неоднородностью.

Импульсные пробивные напряжения изоляции статорных об­моток зависят от формы волны, амплитуды и числа импульсов. Для импульсных пробоев характерно самовосстановление изоля­ции, т.е. способность после них восстанавливать свою электриче­скую прочность в течение времени от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд. Путь разряда извилист. В замк­нутом канале создается высокое давление газов, возникающих при испарении изоляционной массы, которое и гасит дугу. Повторные разряды обычно проходят по новым путям. В результате самовос­становления изоляции ее прочность мало снижается после воздей­ствия импульсов. Импульсная прочность в горячем состоянии ниже, чем в холодном; она уменьшается с ростом температуры и времени воздействия напряжения.

Тангенс угла диэлектрических потерь изоляции статорных об­моток tg δ имеет резкую зависимость от температуры: с увеличени­ем нагрева обмотки tg δ резко возрастает, а при остывании снижа­ется, если напряжение незначительно превосходит номинальное. Одновременное действие повышенного напряжения и температу­ры приводит к необратимому увеличению tg δ.

Увлажнение изоляции крупных электрических машин в резуль­тате поглощения влаги возможно только тогда, когда они не рабо­тают (во время транспортировки, монтажа, длительного ремонта и др.). При этом различные части изоляции увлажняются по разно­му в зависимости от материала, из которого они сделаны. Во вре­мя нормальной работы электрической машины ее изоляции не опас­но увлажнение, так как большинство крупных машин имеет замк­нутую систему вентиляции; кроме того, переход влаги от холодно­го воздуха к разогретой изоляции весьма затруднен.

Номинальные напряжения генераторов достигают в настоящее время 24 кВ, а номинальные мощности — 1 200 МВт. Огромные рабочие токи таких машин вызывают массу трудностей, в частно­сти, даже передача энергии от генератора к трансформатору при таких токах становится проблемой. В связи с этим у нас в стране ведутся работы по повышению номинального напряжения гидро и турбогенераторов. Первый в мире гидрогенератор с номи­нальным напряжением 110 кВ уже много лет находится в опытной эксплуатации. Обмотка его статора имеет изоляцию бумажно-мас­ляного типа и располагается в герметичных стеклоэпоксидных кожухах, которые служат резервуаром для пропитывающего изо­ляцию масла.

Гидрогенератор высокого напряжения может работать непо­средственно, без повышающего трансформатора, на воздушные ли­нии, поэтому его изоляция рассчитывается на воздействие грозо­вых перенапряжений, ограниченных устройствами защиты.

Конструкция изоляции электрических машин. Изоляция статорных обмоток электрических машин (рис. 4.1, а) подразделяется

на: а) изоляцию между парал­лельными проводниками одного витка; б) изоляцию между витка­ми; в) изоляцию между слоями; г) изоляцию относительно корпу­са (главная или корпусная). Глав-

Рис. 4.1. Изоляция обмоток статора в пазу:

а — изоляция обмоток статора в пазу: / — проводник медный; 2 — изоляция между проводниками; 3 — изоляция между витками; 4 — изоляция относи­тельно корпуса; 5 — изоляция между слоями; 6 — разрез секции с непрерыв­ной микалентной изоляцией: / — про­водники; 2 — изоляция проводников; 3— витковая изоляция; 4— главная кор­пусная изоляция; 5 — покровная лента

ная изоляция — это изоляция между проводниками обмотки и кор­пусом, сталью статора, а также между проводниками разных фаз. Изоляция между параллельными проводниками одного витка, меж­ду витками, между их слоями обеспечивают необходимую элект­рическую прочность между проводниками одной и той же фазы. Изоляция между параллельными проводниками одного витка не подвергается действию высокого напряжения, поэтому применя­ется в машинах небольшой и средней мощности и представляет собой обмотку медных проводов, а в машинах большой мощности с обмоткой стержневого типа, где дополнительно используются прокладки из миканита, располагаемые между полустержнями и в местах перехода.

Изоляция между витками для машин сравнительно небольшой мощности и напряжения до 11 кВ обычно состоит из изоляции об­моточной меди и одного слоя хлопчатобумажной ленты, синтоленты, микаленты, для более мощных машин или с расчетом на более высокие напряжения для витковой изоляции применяются один-два слоя микаленты и один слой стеклоленты, пропитанной кремнийорганическими лаками. В зависимости от типа обмоточного провода изоляция представляет собой три слоя лавсановой плен­ки, покрытых слоем хлопчатобумажной пряжи (ППЛБО), или два слоя стеклоленты, пропитанных нагревостойким лаком (ПСД), или дельта-асбестовую изоляцию (ПДА). Как правило, рабочее напря­жение между витками не превышает нескольких сотен вольт. Междувитковая изоляция рассчитывается на испытательное напряже­ние 1000—2250 В.

Изоляция между слоями представляет собой двойную изоляцию относительно корпуса с добавлением прокладки из электрокартона.

Главная изоляция статоров электрических машин по конструк­ции разделяется на гильзовую и непрерывную.

Гильзовая изоляция является комбинированной. Части обмот­ки, заложенные в пазы, помещаются в гильзы из микафолия, а ло­бовые части обмотки, находящиеся на воздухе, изолируются с по­мощью намотки микаленты, лакотканевой ленты и др. В резуль­тате гильзовая изоляция по длине обмотки имеет различную конструкцию. Места стыка пазовой и лобовой изоляции распола­гаются за пределами паза, на некотором расстоянии от стали ста­тора. В этих местах изоляция имеет ослабленную электрическую прочность, что является основным недостатком гильзовой изоля­ции. Поэтому такая изоляция применяется в машинах относитель­но малой мощности и невысокого напряжения.

Непрерывная изоляция — это такая изоляция, при которой ка­тушки или стержни изолируются по всей длине одним и тем же ма­териалом в виде изоляционной ленты. Она применяется в электри­ческих машинах высокого напряжения. Статорные обмотки таких машин обычно компаундируются. При этом стержень или секцию (см. рис. 4.1, б) по всей длине, включая лобовые части, обматыва­ют слоями микаленты и после намотки определенного числа слоев подвергают компаундировке, которая повторяется по мере нама­тывания новых слоев микаленты.

Компаундированная изоляция становится монолитной, крупные воздушные включения в ней отсутствуют, теплостойкость повыша­ется. Еще недавно компаундированная изоляция была основным видом непрерывной изоляции во вращающихся машинах высоко­го напряжения. Помимо названных преимуществ, рассматриваемая изоляция обладает достаточно высокой влагостойкостью. Однако эта изоляция имеет недостатки, обусловленные применением ком­паунда в качестве пропитывающего материала. С повышением тем­пературы по мере размягчения компаунда электрическая и меха­ническая прочность компаундированной изоляции существенно снижается, а проводимость и диэлектрические потери резко возра­стают. В результате допустимая температура для нее составляет только 105 °С.

По мере увеличения единичных мощностей машин и номиналь­ных токов, а соответственно и механических усилий на обмотки недостатки компаундированной изоляции проявлялись все в боль­шей степени, для крупных генераторов мощностью от 300 МВт и более она оказалась непригодной.

Современные крупные генераторы имеют обмотку с одновитковыми стержнями, поэтому главная изоляция одновременно яв­ляется и витковой. В машинах малой и средней мощности обмотки многовитковые. В крупных генераторах и в большинстве машин средней мощности используется термореактивная изоляция: слюдотерм, монолит (термопластик, майкапел) такая изоляция не раз­мягчается при нагревах и сохраняет высокую механическую и элек­трическую прочность. По сравнению с компаундированной изоля­цией в нагретом состоянии она имеет в 1,5—2,0 раза более высо­кую электрическую прочность, в 4—5 раз большую прочность на разрыв и в 3—4 раза меньшие диэлектрические потери. Однако тер­мореактивная изоляция более хрупкая, что усложняет укладку стер­жней в пазы статора.

В связи с совершенствованием технологии наложения изоляции и улучшением качества используемых изоляционных материалов некоторые крупные машины выпускаются сейчас с пониженной толщиной изоляции.

Главная изоляция статорных обмоток вращающихся машин высокого напряжения в связи с очень жесткими требованиями к электрической и механической прочностям и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материа­лов. При этом исходные материалы и технология изготовления выбираются такими, чтобы достигались высокая прочность и мо­нолитность изоляции в целом. Объясняется это тем, что, несмотря на высокую короностойкость самой слюды, частичные разряды в газовых включениях, воздействуя на связующие материалы, все же ограничивают сроки службы изоляции. Кроме того, газовые про­слойки сильно снижают механическую прочность и теплопровод­ность изоляции.

В особенно неблагоприятных условиях оказываются места вы­хода стержней из паза, где имеет место краевой эффект. Повыше­ние напряженности электрического поля как в изоляции стержня, так и в окружающей его газовой среде (воздух, водород) может быть настолько значительным, что может вызвать в воздухе или в водо­роде коронирование, приводящее к разрушению изоляции. Для ус­транения коронирования необходимо снизить напряженность элек­трического поля вдоль поверхности изоляции. Выравнивание элек­трического поля в месте выхода стержней из паза достигается при помощи нанесения на поверхность изоляции полупроводящих по­крытий в виде асбестовых лент, пропитанных масляно-битумными или глифталь-масляными лаками, содержащими сажу или графит.

Для машин на напряжения от 6 кВ и выше большое значение имеет регулирование электрического поля в изоляции статорной обмотки. Прежде всего для уменьшения коэффициента неоднород­ности электрического поля в изоляции используются проводники с достаточным радиусом скругления кромок. Этот параметр очень важен, так как даже небольшое увеличение радиуса скругления об­моток значительно снижает степень неоднородности электриче­ского поля.

Однако основная задача регулирования электрических полей в изоляции вращающихся машин — устранение частичных разря­дов в воздушных щелях между поверхностью изоляции и стенками пазов и особенно скользящих разрядов по поверхности изоляции в местах выхода обмотки из паза статора, где поле получается не­однородным. Для этой цели используются полупроводящие покры­тия из железистой асбестовой ленты, медь- или серебросодержа-щие стеклоленты и масло-битумные или маслоглифталевые саж­ные лаки.

На пазовых частях обмотки используются покрытия с удельным поверхностным сопротивлением 103—104 Ом, которые плотно при­легают к поверхности изоляции и во многих точках соприкасают­ся со стенками паза. Благодаря этим покрытиям электрическое поле в воздушных щелях отсутствует. Кроме того, устраняются местные повышения напряженности в области вентиляционных каналов в статоре. На выходе обмотки из паза используются покрытия с удель­ным поверхностным сопротивлением 107— 108 Ом.

Обмотки роторов работают при напряжениях до нескольких сотен вольт. Температура роторов при работе машин достигает 140—150°С. Поэтому изоляция обмотки ротора должна быть теп­лостойкой. Обмотки роторов особенно в высокоскоростных маши­нах — турбогенераторах испытывают значительные механические воздействия вследствие центробежных усилий. При выборе изоля­ции для обмоток роторов отдается предпочтение материалам с высокой механической прочностью.

Как отмечалось в начале данного раздела, в настоящее время ведутся интенсивные поиски путей повышения номинальных на­пряжений вращающихся машин, прежде всего турбо- и гидрогене­раторов.

В экспериментальном гидрогенераторе на напряжение ПО кВ каждая фаза статорной обмотки состоит из семи многовитковых катушек. В качестве корпусной изоляции использована бумажно-масляная. Каждая катушка имеет герметичный стеклоэпоксидный кожух, который служит резервуаром для пропитывающего изоля­цию масла и защитой изоляции от внешних механических воздей­ствий. Витки обмоток расположены рядами и слоями, между кото­рыми имеются каналы для масла, циркулирующего по катушкам и охлаждающего обмотку. Катушки соединяются последовательно на месте монтажа гидрогенератора с помощью муфт типа кабель­ных соединительных. Электрическое поле в изоляции регулирует­ся с помощью экранов и дополнительных электродов, выполнен­ных из тонкой металлической фольги.

Гидрогенератор, рассчитанный на высокое напряжение может работать непосредственно на воздушные линии, поэтому его изо­ляция рассчитывается на воздействие грозовых перенапряжений.