книги из ГПНТБ / Грудинский, П. Г. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций

именно у электродвигателей витковые замыкания являются одним из наиболее частых видов повреждений. Для испыта­ ния витковой изоляции двигателей предложен метод, при котором в фазах обмотки возбуждаются колебания высокой частоты, при которых между витками возникают значитель­ ные разности напряжений. Схема подобной установки при­ ведена на рис. 3-15. Разряды в искровом промежутке Р вызывают появление колебания высокой частоты в контуре, образованном емкостью С и индуктивным сопротивлением

Рис. 3-15. Принципиальная схема испытания витковой изоляции электродвигателей.

обмотки. Между концами обмотки создается разность на­ пряжений, следовательно, под действием напряжения ока­ жется и изоляция между витками. При повышенном на­ пряжении и наличии ослабленной изоляции между витками возникнет пробой и часть витков будет закорочена, при этом индуктивное сопротивление обмотки изменится про­ порционально квадрату числа витков. Изменение индук­ тивного сопротивления можно обнаружить путем сравне­ ния индуктивного сопротивления двух обмоток. Для этой цели предусмотрена своеобразная мостовая схема — при возникновении пробоя между витками вольтметр V моста покажет заметные отклонения.

Недостатком описанной схемы является неравномерное распределение напряжения вдоль обмотки, вследствие чего витки в начале фазы подвергаются излишне тяжелому испы­ танию.

3-5. Другие методы контроля состояния изоляции

Описанные выше методы контроля применимы к изоляционным конструкциям самого различного вида. Существуют и менее универ­ сальные методы, пригодные только в определенных условиях. Ниже описываются два таких метода. Первый из них — контроль изоля­

8 0

ции по распределению напряжения в элементах конструкции — ис­ пользуется в распределительных устройствах; второй — метод само­ разряда — применяется для испытания изоляции электрических машин.

Метод измерения распределения напряжения по элементам гирлянд изоляторов, опорным колонкам разъединителей и т. п. ценен тем, что он позволяет осуществлять контроль под рабочим напряжением, без вывода оборудования и шин из работы.

г т т т - т - г - ------------

всех неповрежденных изоляторах; е — то же, но при одном пробитом изоляторе.

Распределение напряжения между элементами таких изоляцион­ ных конструкций происходит в зависимости от емкостей элементов и частичных емкостей относительно земли и токоведущих частей. Емкост­ ная схема замещения гирлянды или колонки показана на рис. 3-16. Если бы емкости С1 и С'/ отсутствовали, а емкости С; были бы равны

Рис. 3-17. Измерение распределения напряжения вдоль гир­ лянды изоляторов.

о — схема измерения; б — положение штанги при измерениях.

между собой, напряжение по цепочке элементов распределялось бы равномерно. При отсутствии выравнивающих устройств емкости С’

обычно малы и распределение напряжения между изоляторами у ли­ нейного конца гирлянды или сложного изолятора резко неравномерно. Путем применения различного рода экранов, устанавливаемых на

81

линейном конце, можно емкости С увеличить и в той или другой степени выравнять распределение напряжений между изоляторами. Для каж­ дой конструкции, в зависимости от примененных выравнивающих устройств, при всех исправных изоляторах в цепочке может быть снята типичная кривая распределения напряжения.

При повреждении одного или нескольких изоляторов в цепочке распределение напряжения меняется. Между концами дефектных эле­ ментов напряжение снижается и может стать равным нулю («нулевые» изоляторы), на неповрежденных — повышается. Предложено несколько конструкций измерительных штанг, позволяющих определить, какая разность напряжений приходится на каждый из изоляторов гирлянды. На рис. 3-16 показано распределение напряжения по гирлянде с ис­ правными изоляторами (б) и при повреждении одного из них (в), на

Нулевые показания могут явиться результатом не только повреж­ дения, но и загрязнения изоляции. Периодические измерения позво­ ляют обнаружить и то и другое и дают возможность поддерживать изоляцию распределительных устройств в исправном состоянии.

В основе метода саморазряда лежит схема замещения изоляции, представленная на рис. 3-1, б. К изоляции прикладывается высокое напряжение постоянного тока, емкости заряжаются, источник напря­ жения отключается, после чего происходит естественный саморазряд емкостей каждого слоя на сопротивление слоя. Если изоляция неодно­ родна — имеет воздушные включения или ее слои по-разному увлаж­ нены — зависимость напряжения, остающегося на изоляции, от вре­ мени (кривая саморазряда) будет отличаться от экспоненциальной кри­ вой, и чем больше неоднородность, тем заметнее это отличие.

Для оценки состояния изоляции может быть использован коэффи­ циент неэкспоненциальности — отношение времени, в течение которого напряжение на обмотке спадает в 2,7 раза, к расчетной величине по­ стоянной времени саморазряда Т = CR; здесь С — емкость изоляцион­ ной конструкции, измеренная на промышленной частоте,-a R — сопро­ тивление изоляции. За время, равное постоянной времени, остающееся на изоляции напряжение при исправной изоляции должно быть равно 0,37 начального значения. Для оценки состояния изоляции может быть

83

использовано также время уменьшения напряжения до некоторого за­ данного значения, например до 80% начального. Метод саморазряда не получил широкого распространения — он сложнее, чем определение коэффициента абсорбции, а эффективность его применения практически такая же.

3-6. Общие сведения о сушке изоляции

Увлажнение изоляции является одним из наиболее существенных факторов, снижающих электрическую прочность изоляции и ускоря­ ющих процесс старения. Поэтому при обнаружении увлажнения выше допускаемого нормами (при испытаниях, методы которых описаны выше) изоляция должна подвергаться сушке. Для каждого вида оборудования

вметодах сушки имеются некоторые различия, как это будет показано

всоответствующих главах, но в основе всех методов лежат общие законо­ мерности. Только зная общие законы сушки, можно сознательно вести этот процесс.

Влага в изоляции удерживается гигроскопическими и абсорбци­

онными связями, для преодоления которых необходимо создать значи­ тельные усилия. Из поверхностных слоев изоляции влага удаляется (испаряется) тем скорей, чем выше разность давлений между парами воды у поверхности изоляции и давлением водяного пара в окружающем воздухе и чем меньше давление этого воздуха. К подсушенному наруж­ ному слою изоляции поступает влага из внутренних слоев под-действием разности влагосодержания этих слоев. Этот процесс тем интенсивнее, чем интенсивнее удаляется влага с поверхности. Процесс перемещения влаги от внутренних слоев к поверхности значительно ускоряется, если внутренние слои имеют более высокую температуру, чем поверх­ ностные, так как разница температур создает разницу в давлениях, побуждающую приток влаги к наружной поверхности.

Задачей сушки является создание таких условий, чтобы сушка изоляции была бы более полной и протекла бы возможно скорее, Ско­ рость сушки, т. е. количество воды, отдаваемой поверхностью изоляции окружающему воздуху за 1 с, определяется выражением

где k — коэффициент; S — поверхность изоляции; р„ — давление насыщенного пара (давление пара у поверхности изоляции); р„ — пар­ циальное давление паров воды в окружающем пространстве; р0 — внешнее барометрическое давление.

Давление насыщенных паров воды зависит только от температуры; зависимость характеризуется данными табл. 3-2, из которой видно, что с ростом температуры давление насыщения резко возрастает.

Парциальное давление паров воды в воздухе зависит от относитель­ ной влажности воздаха ф, %, и давления насыщения:

Относительной влажностью называют отношение количества водя­ ного пара w, содержащегося в воздухе, к тому количеству, которое он имел бы при той же температуре в состоянии насыщения юн. Обычно относительная влажность указывается в процентах:

(3-14)

8 4

Количество воды, содержащееся в одном кубическом метре воздуха при его насыщении, дано в табл. 3-2 (для температур от 20 до 120 °С).

Т а б л и ц а 3-2

Зависимость давления насыщенного водяного пара и влагосодержания насыщенного паром воздуха от температуры

Выражения (3-12) — (3-14) позволяют характеризовать различные методы сушки в количественном отношении. Ниже это делается для некоторых методов сушки, приведенных в порядке их эффективности.

Сушка горячим воздухом состоит в том, что объект помещается в ка­ меру, через которую воздуходувкой прогоняется воздух, предварительно нагретый до температуры около 80— 100 °С. Найдем скорость сушки после того, как поверхность объекта нагрелась до температуры, близкой к температуре воздуха, например до 100 °С. Предположим, что холод­ ный воздух перед воздуходувкой имеет температуру 20 °С и относитель­ ную влажность, измеренную гигрометром, равную 80%. Количество водяного пара в 1 м3 холодного воздуха можно определить, используя

(3-14) и табл. 3-2. Оно будет равно w = <p20 • 0,01 щн = 0,8-17,3 = = 13,84 г/м3. После нагрева до 100 °С количество влаги в воздухе оста­ нется тем же, но относительная влажность его изменится и станет равной:

ЮО-2,3%,

а парциальное давление рп = фшРн'0.01 = 0,023-760 = 17,4 мм рт. ст. Пользуясь (3-2) и предполагая, что атмосферное давление во время сушки равно (по барометру) 750 мм рт. ст., находим, что скорость сушки будет

При сушке генераторов вентиляционными потерями воздух нагре­ вается потерями, возникающими при трении воздуха в каналах и зазоре

как подсчитано выше, то скорость сушки будет одинакова в обоих методах. Если же в циркулирующем воздухе будет оставаться влага, выделившаяся из обмотки, то скорость сушки замедлится.

Можно сушить электрические машины и трансформаторы поте­ рями в стали самих машин или трансформаторов, создавая в них маг­ нитный поток или временной обмоткой, или используя обмотку объекта для его намагничивания. Если принять меры к утеплению объекта,

85

изоляция которого сушится, и воздух нагреть до той же температуры 100 °С, принятой в расчетах, приведенных выше, а влажность его под­ держивать путем вентиляции на уровне 2,3%, то очевидно, что скорость сушки будет характеризоваться ранее вычисленным показателем 0,95. Но легко убедиться в том, что скорость останется такой же, если окру­ жающий воздух имеет температуру 20 °С и относительную влажность даже в 100%, так как давление пара в таком воздухе согласно табл. 3-2 равно 17,4 мм рт. ст. (парциальное давление паров воды горячего воз­ духа было определено в 17,4 мм рт. ст.); давление же пара у поверхности изоляции останется равным 760 мм рт. ст., если температура этой поверх­ ности равна 100 °С.

Следует заметить однако, что равные скорости сушки при нагреве изоляции горячим воздухом и потерями в стали при одинаковой темпе­ ратуре поверхности изоляции и одинаковом парциальном давлении водяного пара в среде, в которой производится сушка, будут иметь место только до тех пор, пока не подсохнут внешние слои изоляции. Приток же влаги из внутренних слоев к наружным в случае подсушки воздуха потерями в стали будет интенсивнее, так как ему будут способ­ ствовать не только силы выравнивания влажности, но направление потока тепла изнутри наружу. Следовательно, при прочих равных условиях сушка потерями в стали эффективнее сушки горячим воздухом.

Применяются способы нагрева изоляции потерями в обмотках машин и трансформаторов при протекании в них токов от посторонних источ­ ников постоянного тока или индуктированных в них самих в режиме к. з.. При одинаковых условиях в отношении температуры поверх­ ность изоляции и парциального давления водяного пара в окружающей среде скорость притекания влаги изнутри к поверхности изоляции при этих методах по сравнению с рассмотренными выше будет еще боль­ шей, так как поток тепла идет в том же направлении через все слои

Скорость сушки будет во много раз интенсивнее, если давление окружающей среды понижено, т. е. сушка производится под вакуумом. Так, если объект, изоляция которого сушится, помещен в камеру с дав­ лением 7,5 мм рт. ст., то при прочих равных условиях, принятых в рас­ смотренных примерах, сушка ускорится в 100 раз; если вакуум будет равен 1 мм рт. ст. — в 750 раз; если же, как этого добиваются трансфор­ маторные заводы, вакуум будет равен 0,5 мм рт.ст., то в 1500 раз! Транс­ форматорные заводы, кроме того, поднимают температуру изоляции почти

когда прогрев объекта закончится и поверхность изоляции достигает

внешних слоев изоляции, скорость сушки замедляется, и становится все медленнее по мере того, как в процесс сушки вовлекаются более глубокие слои изоляции. Скорость сушки еще замедляется, когда зна­ чительная часть гигроскопической влаги уже удалена и начинает уда­ ляться абсорбционная влага, имеющая более тесные связи с изоля­ цией, чем гигроскопическая. О протекании сушки можно судить и по результатам измерений сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции ит. д., и по количеству влаги, выделившейся в водосборнике при сушке изоляции под вакуумом.

8 6

Сушку можно считать законченной, когда показатели, по которым судят о протекании процесса сушки, длительное время, около 8— 10 ч, остаются без изменения при неизменной температуре объекта, поддер­ живаемой во время сушки. При остывании объекта показатели будут повышаться, и по их установившемуся значению выносится заключение о соответствии их нормированным значениям и об успешном проведе­ нии сушки.

Состояние изоляции и среды, в которой находится изоляция, называется равновесным, если изоляция не поглощает и не выделяет влагу. Влагосодержание изоляции (т. е. отношение массы влаги к массе сухой изоляции) при таком состоянии также называется равновесным и указывается обычно в процентах.

Если изоляция длительное время находилась в среде с относительной влажностью в 50— 100%, то равновесное состояние наступает при влагосодержании порядка 7— 15% . При окончании сушки равновесное влаго­ содержание может составлять сотые доли процента. Эти цифры полу­ чены при специальных опытах — при обычной сушке равновесное влагосодержание не определяется. Но указанные цифры следует пом­ нить, чтобы всеми мерами препятствовать увлажнению объекта до сушки и особенно после сушки. Если холодную сухую изоляцию поместить во влажный теплый воздух, то изоляция будет быстро увлажняться под действием двух факторов: парциальное давление водяного пара будет в окружающей среде больше, чем у поверхности изоляции, и будут действовать силы гигроскопичности, стремящиеся довести влажность изоляции до влажности окружающего воздуха. Еще быстрее пойдет увлажнение изоляции, высушенной под вакуумом и затем оказавшейся во влажном воздухе.

Следует иметь в виду, что масло, содержащее влагу, является плохой защитой изоляции от увлажнения. Гигроскопическое притя­ жение влаги у волокнистых материалов (бумаги, картона, тканей и пр.) больше, чем масла. Поэтому такие материалы, даже пропитанные маслом, будут поглощать из масла влагу, выделяя из себя масло. Заливку высушенного трансформатора следует производить только сухим маслом и во все время эксплуатации следует поддерживать влажность масла на самом низком уровне.

Глава четвертая

Элементы конструкции генераторов и особенности их эксплуатации

4-1. Системы охлаждения генераторов

Турбогенераторы имеют воздушное, водородное, водо­ родно-жидкостное или жидкостное охлаждение. Гидроге­ нераторы имеют воздушное или воздушно-жидкостное охла­ ждение.

Турбогенераторы с воздушным охлаждением отечествен­ ными заводами изготавливаются в настоящее время мощно-

87

стью до 12 МВт включительно. Однако в эксплуатации находится значительное число ранее выпущенных турбоге­ нераторов с воздушным охлаждением мощностью до 100 МВт включительно.

Начиная с мощности 30 МВт турбогенераторы выпу­ скаются с водородным охлаждением, которое по сравнению с воздушным имеет следующие преимущества:

потери в генераторе на вентиляцию и на трение о газ уменьшаются в 10 раз, так как плотность чистого водорода в 14,3 раза (а в смеси с 3% воздуха в 10 раз) меньше плот­ ности воздуха. Это позволяет повысить к. п. д. машины примерно на 1%;

допустимая мощность генератора даже при сохранении типа обмоток неизменным повышается на 20—35%, так как коэффициент теплопередачи от поверхности к газу при атмосферном давлении для чистого водорода в 1,51 раза (а для его смеси с 3% воздуха в 1,35 раза) выше, чем для воздуха, и теплопроводность водорода в 7 раз превышает теплопроводность воздуха.

Кроме того, в среде водорода изоляция обмоток работает более надежно, потому что отсутствуют окисление, загряз­ нение и менее вредно сказывается коронирование. Умень­ шается опасность пожара в машине при ее повреждении, так как водород не поддерживает горения. Требуется мень­ шая поверхность газоохладителей. Снижается шум гене­ ратора.

Раньше в турбогенераторах с водородным охлаждением применялось только поверхностное охлаждение, при кото­ ром водород с медью обмоток не соприкасался и тепло меди обмоток отдавалось водороду не непосредственно, а через охлаждавшиеся с поверхности изоляцию обмоток и актив­ ную сталь сердечника. При поверхностном охлаждении до­ пустимая по нагреву мощность турбогенератора заметно увеличивается при повышении давления водорода только в пределах 0,05—2 кгс/см2 (здесь и далее — избыточных). Повышение давления водорода сверх 2 кгс/см2 при этом малоэффективно, так как 50—60% перепада температуры между медью и газом приходится на изоляцию, а тепловое сопротивление ее при таком давлении практически не сни­ жается. Поэтому с поверхностным охлаждением были изго­ товлены генераторы с максимальной мощностью 150 МВт.

Более мощные турбогенераторы были созданы только в результате применения непосредственного охлаждения,

при котором тепло от меди обмоток отбирается охлаждаю­

88

щим газом или жидкостью при соприкосновении с ней непо­ средственно. Новый способ позволил также значительно уменьшить размеры и массу генератора и получить большую экономию дефицитных материалов. Оказалось целесообраз­ ным применить такое охлаждение не только в машинах 200 МВт и выше, но и в машинах 150, 100 и даже 60 МВт.

При жидкостном охлаждении в качестве охлаждающей жидкости применяют дистиллированную воду (конденсат) или трансформаторное масло. Теплоотводящая способность трансформаторного масла приблизительно в 5 раз, а воды в 12 раз выше водорода. Кроме того, вода по сравнению с ма­ слом обеспечивает большую пожаробезопасность, позволяет сохранить обычную изоляцию обмоток. Поэтому для охлаж­ дения обмоток в генераторах вода применяется значительно чаще, чем масло.

При непосредственном охлаждении обмоток водородом повышение давления водорода оказывается целесообразным до 4 ат. В эксплуатации находятся следующие типы турбо­ генераторов с непосредственным охлаждением:

серии ТВФ мощностью 60, 100, 200 МВт с непосредствен­ ным водородным охлаждением обмотки ротора и поверхност­ ным охлаждением обмотки статора. Генераторы типа ТВФ-200 с производства сняты.

серии ТГВ мощностью 200 и 300 МВт с непосредствен­ ным водородным охлаждением обмоток ротора и статора; серии ТВВ мощностью 165, 200, 300 и 500 МВт с непо­ средственным охлаждением обмотки ротора водородом,

а обмотки статора — водой; серии ТГВ мощностью 500 МВт с непосредственным охла­

ждением обмоток ротора и статора водой. Сердечник статора охлаждается водородом при давлении 3 кгс/м2;

серии ТВМ мощностью 60 и 300 МВт с непосредственным охлаждением обмотки ротора водой, а обмотки статора — трансформаторным маслом. Ротор и статор отделены изоли­ рующим цилиндром, установленным в воздушном зазоре,

4-2. Статор генератора

Статор состоит из корпуса, стального сердечника и об­ мотки.

В турбогенераторах с водородным охлаждением корпус выполняется газоплотным. Он должен выдержать гидрав­ лическое испытание давлением воды, превышающим номи­ нальное давление водорода в генераторе на 5 кгс/см2, в те­

89