Изоляция электрических машин - генераторов, синхронных компенсаторов, электродвигателей

Изоляция вращающихся машин (статорных обмоток) должна обеспечить достаточно высокий уровень электрической прочности, так как эта изоляция в процессе эксплуатации подвергается воздействиям рабочего напряжения промышленной частоты (с практически неограниченной длительностью) и перенапряжений внутреннего и атмосферного происхождений.

Создание необходимого уровня электрической прочности изоляции статорных обмоток крупных вращающихся машин (генераторы, синхронные компенсаторы, электродвигатели) представляет значительные трудности. Специфичность конструкции машин обусловливает невыгодные условия для изоляции — необходимость размещения частей обмоток в пазах статора, использования в основном твердых изоляционных материалов.

Высокие напряженности электрического поля могут возникать не только в слоях твердой изоляции машин, но и в воздухе — зазорах между изоляцией обмотки и внутренней поверхностью паза, в области изоляционных каналов, при выходе проводов обмотки из паза. Все это может быть причиной возникновения коронирования и скользящих разрядов.

В процессе эксплуатации машин изоляция их одновременно подвергается воздействию электрических и тепловых полей. Последние обусловливаются нагревом обмоток токами нагрузок и нагревом магнитопроводов вихревыми токами и гистерезисом. Кроме того, на изоляцию воздействуют механические нагрузки, влага, озон и другие факторы.

Качество изоляции машин, и в первую очередь электрическая прочность ее, зависит не только от характеристик применяемых изоляционных материалов, но и от совершенства изоляционных конструкций, которые стремиться выполнить так, чтобы избежать процессов ионизации в слоях изоляции обмотки при высоких напряженностях электрического поля, которые могли бы вызвать быстрое старение изоляционных материалов.

Изоляция роторных обмоток машин проста по устройству и не подвергается в процессе эксплуатации воздействию опасных для нее напряжений.

Электротехнические материалы для изоляции электрических машин

Для изоляции статорных обмоток применяются разнообразные электроизоляционные материалы: слюда, стекловолокно, бумага, электрокартон, лакоткани, асботекстолит, стеклотекстолит, синтетические смолы (кремнийорганические, эпоксидные), битумные массы, лаки (склеивающие, пропитывающие, покрывные) — обычные, синтетические и т. п.

В машинах высокого напряжения преимущественное применение имеет изоляция, выполненная на основе слюды, так как слюда обладает высокой электрической прочностью и нагревостойкостыо, имеет высокую теплопроводность, малую гигроскопичность и не подвержена быстрому старению.

При изготовлении изоляции из слюды пластинки (листочки) щипаной слюды соединяются связующим материалом, например изоляционным лаком, в результате чего получается тот или иной вид изоляции с определенной механической прочностью.

Изделия из слюды — миканит, микалента, микафолий и их сорта отличаются друг от друга количеством содержащейся слюды, связующим материалом (глифталевый лак, битумно-масляный лак и др.) и технологией производства.

Так, например, миканит (формовочный прокладочный) изготовляется путем склейки пластинок слюды изоляционным лаком, микалента — путем оклейки слоя щипаной слюды с обеих сторон бумагой на лаке (битумно-масляном), микафолий — путем наклеивания на бумагу с помощью изоляционного лака двух-трех слоев щипаной слюды.

Микалента представляет собой гибкий в холодном состоянии материал, а микафолий приобретает гибкость только в нагретом состоянии.

Пробивной градиент формовочного миканита находится в пределах 15 — 40 кв/мм, гибкого миканита 15 — 30 кв/мм, микаленты 14—20 кв/мм, микафолия 13 — 16 кв/мм.

Находят применение слюдяные изделия на подложке из стеклянной ткани — стекломиканит, стекломикалента.

Выполнение изоляции электрических машин

Изоляция статорных обмоток электрических машин может быть разделена на следующие части:

• изоляция между параллельными проводниками одного витка;
• изоляция между витками;
• изоляция относительно корпуса (главная изоляция);
• изоляция между слоями.

Изоляция между параллельными проводниками одного витка не подвергается действию высокого напряжения и поэтому выполняется в машинах небольшой и средней мощности в виде изоляции обмоточных медных проводов, а в мощных машинах с обмоткой стержневого типа дополнительно используются прокладки из миканита между полустержнями и п местах перехода.

Изоляция между витками для машин сравнительно небольшой мощности и напряжения до 10000 В обычно состоит из изоляции обмоточной меди и одного слоя хлопчатобумажной ленты, синтоленты, микаленты. Для более мощных машин или на более высокие напряжения для витковой изоляции применяются один-два слоя микаленты и один слой стеклоленты (пропитанной кремнийорганнческими лаками).

Изоляция между слоями представляет собой двойную изоляцию относительно корпуса с добавлением прокладки из электрокартона. Главная изоляция, т. е. изоляция относительно корпуса, имеет два основных конструктивных выполнения:

• непрерывная изоляция, при которой катушки или стержни изолируются по всей длине одним и тем же материалом в виде изоляционной ленты (микаленты, синтоленты и др.);
• гильзовая изоляция, при которой пазовые части катушек или стержней изолируются с помощью микафолиевых гильз, а лобовые части — посредством нескольких слоев изоляционной ленты (микаленты, лакоткансвой ленты).

Гильзовая изоляция относится к старейшей машинной изоляции. Основными недостатками ее являются сложность производства и неравномерная прочность изоляции. В отечественной промышленности для электрических машин высокого напряжения применяется непрерывная изоляция.

Статорные обмотки машин высокого напряжения с непрерывной изоляцией обычно компаундируются, т. е. после предварительной сушки (сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом) подвергаются пропитке расплавленным компаундом под давлением до 8 ат.

При непрерывной микалентной компаундированной изоляции стержень или секцию по всей длине, включая лобовые части, обматывают слоями микаленты и после намотки определенного числа слоев подвергают компаунднровке, которая повторяется по мере наматывания определенного числа новых слоев микаленты.

Компаундированная изоляция становится монолитной, крупные воздушные включения в ней отсутствуют, теплопроводность повышается. Одинаковое выполнение изоляции как пазовой, так и лобовой части стержня или секции обеспечивает почти равные пробивные напряжения 4тнх частей. Единственным незначительно ослабленным местом является угол стержня (изгиб в лобовой части).

Непрерывная изоляция из микаленты по сравнению с гильзовой обладает более высокой нагревостойкостыо, влагостойкостью, озоностойкостью, эластичностью, меньше подвержена старению. Электрическая прочность непрерывной микалентной изоляции достигает 20 кв/мм, a тангенс угла диэлектричсеких потерь имеет порядок 0,04.

Недостатком непрерывной компаундированной изоляции по сравнению с гильзовой является снижение допустимой температуры нагрева (105 вместо 120°С), что обусловлено опасностью вытекания компаунда.

Непрерывная изоляция обматывается снаружи слоем покровной ленты для защиты от механических повреждений, при этом на напряжение 6 кВ и выше применяются специальные покрытия, предотвращающие появление на поверхности изоляции короны и других видов электрических разрядов.

Возникновение короны возможно в узких воздушных промежутках между поверхностью твердой изоляции и стенкой паза, в области вентиляционных каналов, при выходе секции из паза. Коронирование может быть исключено, а распределение напряжения выравнено путем применения специальных полупроводящих покрытий.

Изоляцию в пазовой части покрывают полупроводящей (железисто-асбестовой) лентой, принимающей потенциал стенок паза. Лента накладывается впритык в пазовой части и несколько выступает над краем паза. Кроме устранения коронирования, полупроводящие ленты выравнивают поле под вентиляционными каналами.

Напряженность в местах выхода проводов из пазов могут быть уменьшены, если полупроводящие покрытия продлить за пределы паза и особенно если это покрытие осуществить двухступенчатым.

Пробивные напряжения при промышленной частоте и имулсах

Пробивные напряжения при промышленной частоте изоляции статорных обмоток имеют большой разброс, что объясняется в основном неоднородностью изоляции (наличие различных материалов с различными характеристиками, особенности конструктивного выполнения и др.).

Пробивные напряжения при импульсах изоляции статорных обмоток зависят от формы волны, амплитуды и числа импульсов. Как правило, они имеют большой разброс. Для импульсных пробоев характерно так называемое самовосстановление изоляции, т. е. свойство изоляции после пробоев импульсами восстанавливать свою электрическую прочность в течение времени от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд.

Исследование места разряда в изоляции показало, что разряд происходит по извилистому пути (длина разряда значительно превосходит толщину изоляции). В замкнутом извилистом канале создается высокое давление газов испаренной изоляционной массы (под действием высокой температуры), которое и гасит дугу. Повторные разряды обычно проходят по новым путям.

В результате явления самовосстановления изоляции ее прочность мало снижается после воздействия импульсов.

Импульсная прочность изоляции в горячем состоянии ниже, чем в холодном; она снижается с ростом температуры и времени воздействия напряжения.

Нагрев и увлажнение изоляции

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

Увлажнение изоляции крупных электрических машин в результате поглощения влаги из воздуха возможно только тогда, когда машина не работает (во время транспортировки, монтажа, длительного ремонта и т. п.). При этом различные части изоляции увлажняются по-разному в зависимости от материала, из которого они сделаны.

Во время нормальной работы электрической машины изоляция ее не подвергается опасности увлажнения, так как большинство крупных машин имеет замкнутую систему вентиляции (циркулирующий охлаждающий газ или воздух не сообщается с внешней средой), кроме того, переход влаги от холодного воздуха к разогретой изоляции весьма затруднен.