2.1.3. Изоляция электрических машин

Виды изоляция электрических машин. Изоляция электрических машин (ЭМ) подразделяется на следующие виды :

-корпусная изоляция, которая отделяет проводники от магнитопровода (сердечника). Она разделяется на высоковольтную и низковольтную.

-изоляция междуфазовых зон и соединений обмотки.

-изоляция элементарных проводников в одном витке или стержне (одновитковая катушка) обмотки.

Кроме того к элементам электроизоляционных конструкций электрических машин относятся полупроводящие покрытия для выравнивания электрического поля в лобовых (краевых) частях машин. В различных типах ЭМ могут использоваться все или часть указанных видов изоляции.

Применение изоляции в основных типах ЭМ. В турбогенераторах наибольшее номинальное напряжение 24 кВ, в гидрогенераторах – 18 кВ. За рубежом применяют напряжение до 27 кВ. Обмотка статора обычно стержневого типа. Она содержит корпусную, межфазовую изоляцию и изоляцию элементарных проводников. К корпусной изоляции предъявляются высокие требования по электрическим свойствам, особенно по долговечности и стойкости к различным нагрузкам. Конструктивно корпусная изоляция статорных обмоток в турбогенераторах и гидрогенераторах одинакова. Однако при равных номинальных напряжениях в турбогенераторах толщина изоляции на 10…20 % больше из-за повышенных требований к надежности мощных блоков с турбогенераторами. Изоляция элементарных проводников должна выдерживать, главным образом, механические нагрузки при изготовлении. Особенное значение эта изоляция приобретает в машинах с форсированным (водяным) охлаждением, где имеются полые проводники, когда вследствие повреждения изоляции повреждаются стенки проводника и вода попадает в корпусную изоляцию. Изоляция элементарных проводников подвергается тепловому износу, частичным разрядам (в местах, примыкающих к корпусной изоляции), истиранию (в случае нарушения сцепления между проводниками). Полупроводящие покрытия служат для выравнивания электрического поля в пазовой и лобовой частях обмотки. Обмотка ротора имеет номинальное напряжение от 300 до 500 В и содержит корпусную и витковую изоляцию. Конструкции обмотки явнополюсного ротора гидрогенератора и неявнополюсного ротора турбогенератора различаются .

Асинхронные двигатели представляют собой класс машин с номинальным напряжением от 220 В до 10 кВ и мощностью от десятков ватт до нескольких мегаватт. Конструктивно общим для них является применение в статоре катушечной обмотки, содержащей корпусную и витковую изоляции. В зависимости от мощности и напряжения исполнение изоляции обмоток сильно отличается.

Изоляция статорных обмоток имеет два основных варианта исполнения:

- всыпная обмотка с предварительным изолированием паза (Р_ном < 100 кВт). В этом случае различают корпусную (или пазовую) изоляцию и витковую. Роль витковой изоляции этой обмотки выполняет изоляция элементарного проводника;

- катушечная обмотка с нанесенной на нее изоляцией (Р_ном>100 кВт). Основные элементы изоляции этой обмотки: корпусная, витковая и изоляция элементарного проводника.

Основные воздействия: при U < 660 В – тепловые и механические; при U > 3000 В добавляется электрическое старение под действием частичных разрядов (особенно в ЭМ с рабочей температурой 180 С).

Изоляция роторных обмоток асинхронных двигателей с фазным ротором малой мощностью имеет вариант исполнения в виде всыпной обмотки. Изоляция не отличается от аналогичной статорной обмотки. Роторы обмотки двигателей большой мощности выполняются стержневыми из неизолированной меди и имеют только корпусную изоляцию.

В машинах постоянного тока изоляция якорных обмоток в машинах мощностью до 10 кВт не отличается от изоляции статорных всыпных обмоток. В машинах большой мощности обмотки выполняются стержневыми, меньшей мощности – катушечными. Изоляция такая же, как и в статорных обмотках, разделяется на корпусную, витковую и изоляцию элементарного проводника. Изоляция коллектора состоит из межламельной и корпусной изоляции, отделяющей коллекторные пластины от нажимных деталей и вала якоря. В главных и дополнительных полюсах применяют обмотки катушечного типа. Изоляция их разделяется на корпусную (от полюса и сердечника) и витковую.

Электроизоляционные материалы. Все электроизоляционные материалы машин подразделяют на: композиционные материалы для витковой и корпусной изоляции, обмоточные провода и пропиточные составы. Электроизоляционные материалы машин по стойкости к действию частичных разрядов разделяются на две группы:

-материалы на основе слюды и слюдобумаг;

-материалы на основе синтетических пленок.

Материалы на основе слюды и слюдобумаг получили широкое распространение благодаря следующим особенностям их основы – слюды: высоким диэлектрическим характеристикам, способности в композиции создавать диэлектрический барьер, высокой нагревостойкости (до рабочих температур 500...700 ⁰С).

Номенклатура материалов на основе слюды разнообразна. Материалы отличаются видом связующего и его содержанием, видом слюды (мусковит, флогопит) или слюдобумаги; наличием и составом подложки, размером (лента, полотно) и др.

Основные группы слюдяных материалов на основе щепаной слюды:

- гибкие микаленты, выпускаемые в виде полотна, могут быть без подложек, с подложками из целлюлозных бумаг с двух сторон (обозначение ББ) и со стеклотканевыми подложками с одной стороны (Т) и с двух сторон (ТТ) . Для склеивания слюды в этих материалах используют связующие, длительно сохраняющие эластичность;

- микаленты, представляющие собой гибкие в холодном состоянии материалы с одно- и двухсторонними подложками из микалентной бумаги, стеклоткани или сетки;

- микафолий, изготавливаемый из слюды, подложек и термореактивных смол (глифталиевых, полиэфирно-эпоксидных, кремнийорганических), размягчающихся при нагревании и переходящих в твёрдое неплавкое состояние в процессе дальнейшего нагревания и опрессовки;

- миканиты (формовочные, прокладочные, коллекторные), состоящие из слюды и связующего материала, содержание которого в зависимости от назначения материала может быть различным;

- лакостекломиканиты, состоящие из гибкого стекломиканита и стеклолакотканей, склеенных лаком.

Во всех рассмотренных материалах основой является щепаная слюда – дорогой и дефицитный материал, получаемый вручную. Замена её в композиционных материалах слюдобумаги – слюдините и слюдопласте, получаемых механизировано из недефицитного сырья, позволила изготавливать сравнительно дешёвые материалы.

Номенклатура композиционных материалов на основе слюдобумаг та же, что и на основе миканитовых. Для изоляции низковольтных электрических машин широко используются материалы на основе полимерных плёнок. Они представляют собой сочетание плёнок с различными гибкими материалами на основе целлюлозных, синтетических и стеклянных волокон. Компоненты связаны между собой клеящими составами. Полимерные плёнки имеют высокую кратковременную электрическую прочность, благодаря чему композиционная изоляция устойчива к перенапряжениям.

В целом применение композиционных материалов на полимерных плёнках, взамен слюдяных, в низковольтных электрических машинах позволит снизить толщину изоляции.

Созданы также композиции на основе полиамидной пленки, на поверхность которой с одной или двух сторон наносится суспензия сополимера политетрафторэтилена, а также низкомолекулярный кремнийорганический каучук (синтофлекс Н). Изоляция на основе полиамидной плёнки может длительно работать при высоких температурах (до 240 ^оС ). Однако следует помнить, что полиамидная изоляция не устойчива к частичным разрядам.

Обмоточные провода разделяются на три группы: с эмалевой изоляцией; с волокнистой или комбинированной эмалево-волокнистой изоляцией; с пленочной изоляцией.

Для повышения механической и электрической прочности, влагостойкости, теплопроводности, нагревостойкости изоляции обмотки электрических машин после укладки подвергаются пропитке специальными составами. Эти составы разделяются на два типа: лаки, состоящие из плёнкообразующей основы и растворителя, и компаунды (пленкообразующие пропиточные массы, не содержащие растворителей). Пропиточные массы разделяются на термореактивные (эпоксидные, кремнийорганические и др.) и термопластичные (битумные, некоторые полиэфирные и полиамидные и др.). В современных электрических машинах основное применение нашли термореактивные пропиточные составы.

Частичные разряды в изоляции электрических машин. Опасными для изоляции в рабочих условиях являются частичные разряды (ЧР), образующиеся как внутри, так и на внешней поверхности изоляции. При этом частичные разряды действуют в зоне сердечника (пазовая часть) и в месте выхода обмотки из паза (краевая часть). Пазовая часть обмотки должна вставляться в паз сердечника свободно. Это условие, а также неровность и разброс в размерах паза сердечника и обмотки определяют существование некоторого зазора (1 мм) между поверхностью изоляции и сердечником. Образуется двухслойная система изоляция – воздух. В такой системе возникают частичные разряды и создаваемые ими продукты – окислители (озон, окислы азота), которые воздействуя на поверхность изоляции и элементы крепления обмотки, способствуют ослаблению крепления секции обмотки в паз, усилению вибрации её в паз. Поэтому для устранения этого явления на пазовую часть обмоток электрических машин на напряжение 6 кВ и выше накладывают полупроводящий слой низкого удельного сопротивления ρ_п. Тогда напряжение, определяющееся соотношением емкостей на воздушном промежутке и изоляции, существенно понижается и зависит от расстояния между точками контакта ℓ_к, ρ_п и ёмкости изоляции С_и:

U_в=1/8(ω ρ_п ℓ_к^{2 .} С_и ^.U_раб).

Применяя полупроводящие покрытия с ρ_п ≤ 10⁵ Ом, достаточно обеспечить один контакт на метр длины секции, чтобы понизить U_в до безопасного уровня – минимального пробивного напряжения воздуха. В старой системе изоляции катушечных и стержневых обмоток крупных электрических машин (МКИ-микалентной компаундированной изоляции) некоторое разбухание изоляции при рабочей температуре обеспечивало необходимые контакты, образующиеся из-за некоторого искривления формы секции.

Переход на более надёжную и высокотемпературную термореактивную изоляцию (ТРИ), не разбухающую при повышенных температурах, потребовало новых решений в конструкции пазового крепления. В настоящее время проблема пазового разряда практически решена.

Электрическое поле в месте выхода секции из паза сердечника аналогично полю проходного изолятора. В зоне выхода секции из паза возникают направленные вдоль поверхности краевые разряды. Сначала они имеют вид равномерного свечения (стадия коронного разряда), а с повышением напряжения приобретают вид искр, проскакивающих на некоторую длину (скользящие разряды), и в дальнейшем при повышении напряжения происходит завершённый разряд, т.е. полное перекрытие. Начальное напряжение обеих стадий описывается формулой Теплера:

U_н =АС_уд^{- 0,45}, кВ,

где А=(1,1…1,2)10^-5– для первой стадии разряда;

А=1,36·10^-4 – для второй стадии разряда;

С_уд = ε/d , Ф/м²– удельная поверхностная ёмкость изоляции.

Коронный (тлеющий) разряд возникает при напряжении в 3-4 раза меньшем рабочего и может повреждать изоляцию при длительной эксплуатации. Искровые разряды (скользящие) возникают при напряжениях, близких к испытательным, что затрудняет проведение испытаний.

Краевые разряды устраняются с помощью изменения конструкции изоляции лобовой части обмотки – на её поверхность наносятся полупроводящие покрытия высокого сопротивления.

Напряженность электрического поля внутри изоляции. Электрическое поле внутри изоляции образуется системой электродов в виде двух закруглённых углов – токопроводящей части стержня и внешней поверхности изоляции, покрытой полупроводящим материалом низкого сопротивления. Максимальная напряженность электрического поля определяется по формуле:

Е_m = Е_ср(1,8 d/r +1)^1/3,

где Е _ср =U/d – средняя напряжённость электрического поля;

d – толщина изоляции;

r – радиус закругления электрода.

Обычно радиус электрода (внутреннего) на 0,1…0,2 мм больше радиуса закругления элементарных проводников и составляет 0,6 мм для машин с косвенным охлаждением, где применяются сплошные проводники с закруглением 0,5 мм.

Для обмотки с водяным охлаждением, где используются полые проводники, радиус закругления проводника составляет 1,1 мм.

Коэффициент неравномерности поля Е_m/Е_ср имеет величину в современных крупных генераторах 2,2…2,4. Средняя напряжённость определяет среднюю нагруженность (использование) изоляции. Наибольшую величину она имеет у современных крупных гидрогенераторов с косвенным охлаждением, для которых очень важно повышение теплоотдачи через изоляцию. Для класса напряжения 15,75 кВ средняя рабочая напряжённость Е_ср = 2,7…3,0 кВ/мм.

Обычно величина рабочего напряжения на 20-40 % превышает напряжение возникновения частичных разрядов во внутренних газовых полостях в изоляции, образующихся вследствие нахлёста лент, из которых наматывается изоляция, и недостаточного заполнения их связующим составом. Такие разряды, направленные перпендикулярно к поверхности слоёв, называются нормальными. Начальное напряжение частичных разрядов (U_{н ч.р.}) можно оценить (предполагая газовое включение полным и заполненным воздухом) по эквивалентной схеме двухслойной системы изоляция – воздух по формуле:

U _{н ч.р.}=U_{в пр} (1+d_и/εd_в),

где U_{в пр} – противное напряжение воздушного включения толщиной d_в;

d_И – толщина изоляции;

ε – диэлектрическая проницаемость изоляции.

Например, для изоляции толщиной 6 мм с ε =4,5 и d_в=0,1…0,15 мм для машин с U_ном=20…24 кВ воздушные включения будут пробиваться при напряжении, не превышающем рабочего напряжения.

Очевидно, что чем меньше число газовых включений, тем ниже вероятность образования ЧР и выше долговечность машины. Однако ни один из существующих технологических процессов не обеспечивает полное заполнение газовых включений связующим составом. Поэтому при выборе допустимой интенсивности ЧР обычно исходят из достижимого при массовом производстве секций уровня заполнения и исключают резкие отклонения, вызываемые грубыми нарушениями технологического процесса.

Старение изоляции может существенно ускоряться, если одновременно с электрическим полем на изоляцию воздействуют температура, механические напряжения, увлажнение.

Повышение температуры приводит к увеличению интенсивности ЧР. Для некоторых систем изоляции с термореактивным связующим повышение температуры не ускоряет электрическое старение изоляции.

Механические напряжения, как подтверждают многочисленные экспериментальные данные, ускоряют электрическое старение изоляции при наложении изгибающих или растягивающих нагрузок.

В большинстве случаев электрические машины работают в газовой среде при повышенных температурах, что исключает одновременное действие электрического поля и влажности. Однако для некоторых специальных задач (насосы, подводные механизмы) используются машины, погружённые в воду. В таких случаях возможно возникновение водных дендритов. Дендрит – древовидное образование в теле диэлектрика, имеющее повышенную проводимость и приводящее к прогрессирующему разрушению диэлектрика. Характерен для любых видов твердых диэлектриков, канал дендрита обладает повышенной проводимостью, имеет размер от 1 мкм до 10…20 мкм. Интенсивность роста дендрита зависит от напряженности поля, и она определяет зависимость времени жизни от напряженности и частоты воздействующего напряжения. Поведение органических и неорганических диэлектриков различается. На переменном напряжении неорганика практически не стареет, т. к. в ней не происходит разложения материала и обуглероживание каналов дендритов. На постоянном напряжении неорганика (содержащая ионы) стареет за счет перемещения ионов разного знака к разным электродам. Органика на переменном напряжении стареет за счет ЧР, на постоянном напряжении практически не стареет. Срок службы изоляции при этом резко сокращается из-за влияния влажности на электрическое старение.

Наряду с длительным воздействиям электрического поля, изоляция электрических машин подвергается воздействием внутренних и внешних перенапряжений. Исходя из требований координации изоляции устанавливаются соответствующие величины испытательных напряжений.

Испытательное напряжение. Для корпусной изоляции крупных генераторов установлены величины испытательного напряжения при выпуске с завода (2U_ном +1…3) кВ, а в процессе эксплуатации (в пределах 2…6 лет) периодические испытательные напряжения составляют (1,5…1,7)U_ном. Корпусная изоляция должна проектироваться так, чтобы в конце расчётного срока службы генератора (20…30 лет) отсутствовали пробои при испытаниях.

Испытания витковой изоляции возможны только в процессе изготовления машины. Их методика не стандартизирована. Обычно отдельные катушки подвергаются испытанию импульсным воздействием с амплитудой в 1,5-2 раза превышающей номинальное напряжение.