Глава 2. Изоляция силовых электроустановок напряжением выше 1000 в

§2.1.Общие положения

В оборудовании энергосистем изоляция выполняет не только роль диэлектрического барьера между проводниками, работающими при разных потенциалах. Например, в силовых конденсаторах изоляция является той средой, в которой накапливается энергия. В кабелях и других линиях в окружающей проводники изоляции распространяется энергия электромагнитного поля, поэтому от параметров изоляции зависят волновые свойства линий. В коммутационных аппаратах с помощью изоляционных конструкций осуществляется передача механического движения от привода к подвижным контактам, а отдельные диэлектрики играют роль дугогасящей среды. Во всех случаях изоляционные конструкции служат для механического крепления проводников, через них отводится тепло от токоведущих частей, а иногда и от магнитопроводов.

Конструкция изоляции оборудования высокого напряжения определяется многими факторами: выполняемыми ею функциями, устройством и технологией изготовления отдельных деталей и узлов оборудования, режимами и условиями работы, определяющими требования к электрической и механической прочности, нагревостойкости, срокам службы и т.д., а также стоимостью и технологическими свойствами изоляционных материалов.

Требования к кратковременной электрической прочности изоляционных конструкций в виде величин испытательных напряжений устанавливают путем анализа возможных перенапряжений. Необходимая длительная электрическая прочность определяется наибольшим рабочим напряжением и требуемым сроком службы оборудования. Чтобы обеспечить длительную электрическую прочность изоляции, на основании специальных исследований и опыта эксплуатации устанавливают допустимые значения мощности ЧР и других параметров, косвенно характеризующих способность изоляции длительно выдерживать воздействие рабочего напряжения.

При определении требований к механической прочности изоляционных конструкций отдельно учитывают статические нагрузки (массу поддерживаемых деталей, давление газов или жидкостей, заполняющих внутренний объем, и т.д.), ударные нагрузки от электродинамических усилий при прохождении токов КЗ, от движения контактов или от повышения давления при гашении дуги, а также длительную вибрацию.

К числу тепловых воздействий, влияющих на выбор конструкции и материалов изоляции, относятся длительные нагревы в номинальных режимах работы, кратковременные эпизодические повышения температуры, обусловленные большими тепловыделениями при прохождении токов внешних КЗ, а также циклические нагревы и остывания, если оборудование может работать с периодически меняющейся нагрузкой. Большое значение при этом имеет состав окружающей среды, т.е. наличие в воздухе влаги и химически активных примесей.

В ряде случаев приходится учитывать специфические воздействия на изоляцию например, для оборудования, работающего в тропических условиях, - повышенную солнечную радиацию и деятельность некоторых микроорганизмов.

§2.2. Изоляция вращающихся электрических машин

К электрическим машинам высокого напряжения относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели большой мощности с номинальным напряжением 3 кВ и выше. Как источники энергии или приводы крупных агрегатов они выполняют исключительно важные функции в энергосистемах и на промышленных предприятиях, поэтому к машинам высокого напряжения в целом и к их изоляции в частности предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы.

Номинальные напряжения генераторов в настоящее время достигают 20 кВ. При современной тенденции увеличения единичных мощностей генераторов до 1000 МВт и более номинальное напряжение 20 кВ оказывается уже недостаточным, так как из-за огромных рабочих токов осуществление передачи энергии от генератора к трансформатору становится крайне затруднительным. Однако повышение номинальных напряжений генераторов без ухудшения остальных технико-экономических показателей представляет собой очень сложную проблему.

Активные материалы, т. е. медь обмотки и сталь статора, работают в электрических машинах при больших удельных нагрузках (плотностях тока, индукциях). Соответственно потери в единице объема этих материалов получаются высокими, и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие перепады температур активных частей над температурой охлаждающей среды. Последняя для газообразной охлаждающей среды равна плюс 40°С. При поверхностном (косвенном) охлаждении обмотки, когда тепло от меди отводится через изоляцию, все это обусловливает необходимость высоких допустимых температур и высокой теплопроводности изоляции. В случае внутреннего (непосредственного) охлаждения, осуществляемого за счет принудительной циркуляции газа или жидкости (воды, масла) по встроенным в обмотку полым проводникам, требования к теплопроводности снижаются. В связи со сказанным во вращающихся машинах высокого напряжения используется изоляция, относящаяся по нагревостойкости к классам В, F и Н.

В электрических машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильной на лобовых частях обмотки. Кроме того, она эпизодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов во время внешних КЗ, при включении в сеть в режиме самосинхронизации и т. д.

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 ее механической прочности.

Устройство изоляции вращающейся машины высокого напряжения определяется конструкцией ее статорной обмотки, которая зависит от мощности и номинального напряжения машины, от частоты вращения ротора и системы охлаждения.

Каждая фаза обмотки статора состоит из ряда последовательно соединенных витков, которые могут группироваться в катушки (катушечная обмотка) или укладываться порознь (стрежневая обмотка, одновитковые катушки). Катушки размещаются по пазам в один или два слоя, т. е. в каждом пазу может находиться по одной пазовой (активной) части катушки или по две от разных катушек одной и той же фазы. В машинах высокого напряжения, как правило, используются двухслойные обмотки. Для уменьшения добавочных потерь в меди от вихревых токов в машинах большой мощности витки на активных частях катушек (стержней) выполняют из изолированных друг от друга элементарных проводников, укладываемых с транспозицией.

Конструкция изоляции электрических машин. Изоляция статорных обмоток электрических машин подразделяется на главную (корпусную) и продольную. Главной называется изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях катушек, а также на выводах (линейных и у нейтрали). К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т. е. междувитковая (у стержневых обмоток отсутствует), а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками.

Междувитковой изоляцией, а также изоляцией между элементарными проводниками обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов. В зависимости от типа обмоточного провода она представляет собой три слоя лавсановой пленки, покрытых слоем хлопчатобумажной пряжи (ППЛБО), или два слоя стеклоленты, пропитанных нагревостойким лаком (ПСД), или дельта-асбестовую изоляцию (ПДА).

Главная изоляция статорных обмоток электрических 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 РФ настоящее время все машины высокого напряжения изготовляются с непрерывной изоляцией, которая получается путем пропитки и опрессовки намотанных на стержень лент из слюдяных материалов. Такая изоляция имеет одинаковые структуру и прочность на всех участках обмотки.

В современных крупных генераторах, а также в большинстве машин средней мощности используется термореактивная изоляция. Такая изоляция не размягчается при нагревах (общее свойство термореактивных смол) и сохраняет высокую механическую и электрическую прочность.

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.