- •2. Защита от перенапряжений 35
- •Введение
- •Перенапряжения
- •Классификация и природа возникновения перенапряжений
- •Распространение электромагнитных волн вдоль проводов линий
- •1.3. Параметры различных перенапряжений и степень их опасности для линий и оборудования
- •2. Защита от перенапряжений
- •2.1. Способы защиты от перенапряжений
- •2.2. Конструкция и защитные характеристики молниеотводов
- •2.3. Вольт-секундные характеристики изоляции
- •2.4. Принцип действия и основные типы разрядников
- •Искровые и трубчатые разрядники
- •Вентильные разрядники
- •Ограничители перенапряжений
- •Требования правил устройства и эксплуатации электроустановок по защите от перенапряжений
- •Изоляция линий электропередач основные виды изоляции установок высокого напряжения
- •Изоляторы высокого напряжения
- •Основные характеристики изоляторов
- •Линейные изоляторы
- •Аппаратные изоляторы
- •Распределение напряжения по гирлянде изоляторов
- •Изоляторы для районов с загрязненной атмосферой
- •Изоляция кабелей высокого напряжения
- •Изоляция вводов высокого напряжения
- •Изоляция вращающихся машин и трансформаторов изоляционные материалы и их классификация
- •Изоляция вращающихся машин
- •Изоляция силовых трансформаторов
- •Профилактические испытания изоляции высокого напряжения цели и методы профилактических испытаний
- •Испытательные высоковольтные установки постоянного и переменного тока
- •Измерения при высоких напряжениях
- •Испытательные лаборатории
- •Профилактические испытания устройств электроснабжения
- •Правила техники безопасности при высоковольтных испытаниях
- •Рекомендуемая литература
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.