2020-04-07
415
К вращающимся машинам высокого напряжения относятся турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и двигатели большой мощности с номинальным напряжением 3 кВ и выше. Они выполняют важные функции в энергосистемах и на промышленных предприятиях. К их изоляции предъявляются очень высокие требования. Гидрогенераторы разрабатываются и изготавливаются на напряжение до 220 кВ. Устройство изоляции вращающейся машины высокого напряжения определяется конструкцией ее статорной обмотки. Изоляция статорных обмоток подразделяется на главную (корпусную) и продольную. Главная – изоляция между проводниками обмотки и корпусом, а продольная – между витками одной катушки и катушками в одном пазу.
Большое значение имеет регулирование электрического поля в изоляции статорной обмотки. Основная задача регулирования электрических полей – устранение частичных разрядов в воздушных зазорах между поверхностью изоляции и стенками пазов и устранение скользящих разрядов по поверхности изоляции, в местах выхода обмоток из паза статора, где поле получается резконеоднородным. Для этого используются полупроводящие покрытия из железистой асбестовой ленты и различные лаки. На рис. 2.8 приведено устройство высоковольтной изоляции в пазу электрической машины.
|
|
|
Рис. 2.8. Схема устройства высоковольтной изоляции электрической машины:
1 – статор; 2 – проводник сплошной; 3 – проводник полый;
4 – витковая (продольная) изоляция; 5 – главная корпусная изоляция;
6 – полупроводящее покрытие; 7 – прокладки; 8 – клин
Изоляционные материалы, которые используются в электрических машинах, изготавливают на основе слюды (миканит, микаленты, мика-форий). Широко используются компаунды (термопластичные), в качестве связующих применяют термореактивные лаки и смолы.
Контрольные вопросы
1. Дайте понятие внешней и внутренней изоляции.
2. Назовите особенности внутренней изоляции высоковольтных конструкций.
3. Назовите требования, предъявляемые к материалам для внутренней изоляции.
4. В чем особенность конструкции масло - барьерной изоляции.
5. Назовите достоинства и недостатки масло - барьерной изоляции.
6. В чем особенность конструкции бумажно-масляной изоляции.
7. Назовите достоинства и недостатки бумажно-масляной изоляции.
8. Назовите особенности назначения и конструктивного исполнения проходных изоляторов.
9. Объясните особенности высоковольтных вводов по назначению,
типу изоляции, конструктивному исполнению.
10. Объясните особенности силовых трансформаторов по назначению, конструктивному исполнению изоляции.
|
|
|
11. В чем заключаются особенности силовых кабелей по назначению
и конструктивному исполнению.
12. Объясните особенности изоляции вращающихся машин высокого напряжения по типу и материалу изоляции, конструктивному исполнению.
3. Координация изоляции
3.1. Напряжения, воздействующие на электрооборудование
в процессе эксплуатации
Напряжения, воздействующие на электрооборудование электрических систем (сетей, подстанций) мировой практикой принято делить на группы:
1) Рабочее напряжение.
2) Перенапряжения, в том числе:
- внутренние;
- внешние (на примере грозовых).
Рабочее напряжение
Под рабочим напряжением в многофазных системах понимается среднее междуфазное – класс напряжения электрооборудования.
Шкала номинальных напряжений электроустановок выше 0,1 кВ, применяемых в России, в соответствии с ГОСТ Р 55195-2012 приведена в Приложении Б.
Поскольку в эксплуатации напряжения отличаются от номинального вследствие падения напряжения на элементах установки, вызванного проходящим током и регулированием напряжением источников ГОСТ Р 55195-2012 устанавливает также наибольшее рабочее напряжение.
Наибольшее рабочее напряжение (линейное) определяется соотношением
, (3.1)
Значения kр приведены в табл. 3.1.
Таблица 3.1
Значения коэффициента kр, в зависимости
От класса напряжения
| Класс напряжения, кВ | 3 – 20 | 35 – 220 | 330 | 500 –1150 |
| kр | 1,20 | 1,15 | 1,10 | 1,05 |
Наибольшее рабочее напряжение относительно земли, на которое должна рассчитываться изоляция оборудования, зависит от режима работы нейтрали сети, для которой предназначено электрооборудования.
В настоящее время в России сети напряжением до 35 кВ работают с изолированной нейтралью. При этом, при однофазном замыкании на землю, через место замыкания проходит емкостной ток неповрежденных фаз величиной достигающий десятков, редко сотен ампер. При глухом замыкании напряжение здоровых фаз возрастает в 
раз, однако, линейное напряжение не изменяется, установка может не отключатся, возможна длительная работа в режиме однофазного замыкания, что и обеспечивает повышенную надежность таких сетей.
Поскольку изоляцию всех фаз приходится рассчитывать на линейное напряжение, это увеличивает стоимость оборудования.
Устойчивость работы сетей с изолированной нейтралью связана с величиной тока однофазного короткого замыкания (КЗ). В разветвленных воздушных сетях, в кабельных линиях большие емкостные токи приводят к прерыванию тока в без токовую паузу и возникновения «перемежающейся» дуги, что является по существу коммутацией, сопровождается перенапряжением и может вызвать переход однофазного КЗ в двух-трехфазное.
Ток однофазного КЗ в таких сетях приходится ограничивать, что реализуется требованием ПУЭ включать в нейтраль трансформатора дугогасящий реактор или резистор (применением системы с «эффективно заземленной нейтралью»).
Компенсация емкостного тока замыкания на землю должна применяться при значениях этого тока в нормальных режимах:
1) Сети 3–20 кВ, имеющие железобетонные или металлические опоры на ВЛ и все сети 35 кВ – более 10 А.
2) Сети, не имеющие железобетонных или металлических опор напряжением 3–6 кВ – более 30 А.
3) Напряжением 10 кВ – более 20 А.
4) Напряжением 15–20 кВ – более 15 А.
5) Сети генераторного напряжения 6 – 20 кВ блоков генератор-трансформатор – более 5 А.
Следует отметить, что большинство Европейских сетей, сети США такого класса напряжения работают с заземленной нейтралью и имеют фазную изоляцию, рассчитанную на фазное напряжение, что ограничивает возможность использования импортного оборудования такого класса в России.
Сети напряжением выше 35 кВ работают в режиме заземленной нейтрали:
|
|
|
1) 110 кВ – эффективно заземленная нейтраль (нейтраль заземляется через разъединитель с установкой ограничителя перенапряжений – РВ или ОПН). Режим эффективно заземленной нейтрали используется как один из методов ограничения токов КЗ, путем разземления нейтрали отдельных трансформаторов системы класса 110 кВ.
2) 220 кВ – глухозаземленная нейтраль.
В этих системах ток однофазного замыкания практически полностью проходит через заземленные нейтрали трансформаторов, имеет индуктивный характер, сравним по величине с током трехфазного КЗ.
Нейтраль считается эффективно заземленной, если при одно или двухфазном замыкании на землю в любой точке сети вынужденная составляющая напряжения на здоровой фазе относительно земли не превосходит 0,8 наибольшего рабочего линейного напряжения сети или 1,4 наибольшего фазного напряжения. В сетях с эффективным заземлением нейтрали это повышение рабочего напряжения длится только в период существования аварии (до отключения короткого замыкания). В связи с этим с достаточно большими токами короткого замыкания в этих сетях ликвидация аварии должна происходить за малое время, необходимое для срабатывания релейной защиты – за доли секунд.
При выборе изоляции электрооборудования за расчетное рабочее напряжение обычно принимается:
1) для оборудования, предназначенного для работы в сетях с изолированной или резонансно-заземленной нейтралью - наибольшее рабочее линейное напряжение сети;
2) для оборудования, предназначенного для работы в сетях с эффективно заземленной нейтралью - наибольшее рабочее фазное напряжение сети, равное:
. (3.2)
Перенапряжения
Под перенапряжением понимают любое напряжение, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения на изоляции элементов электрической сети. Для рационального проектирования изоляционных конструкций необходимо знать следующие характеристики перенапряжений:
1. Максимальное значение Umax или кратность kp по отношению к амплитуде наибольшего рабочего фазного напряжения Uраб.ф.наиб:
|
|
|
. (3.3)
2. Длительность воздействия.
3. Форма кривой напряжения.
4. Частота воздействия.
5. Ширина охвата сети, под которой подразумевается количество изоляционных конструкций, на которые одновременно воздействует данный вид перенапряжения.
Все перечисленные характеристики перенапряжений подвержены значительному статистическому разбросу, так как они зависят от ряда факторов, в том числе и случайных. Например, для выбора изоляции существенное значение имеют частость или характеризующие ее математическое ожидание и дисперсия числа перенапряжений, превосходящих некоторую кратность в течение определенного интервала времени (например, за 10 лет), или Т-летний уровень перенапряжений, т. е. кратность перенапряжений, которая может быть достигнута или превзойдена в среднем один раз в Т лет.
Все перенапряжения подразделяются на внутренние и внешние (см. прил. В). Первоначально исследования в этой области были направлены на обеспечение надежной эксплуатации линий электропередачи и электрооборудования. Изучалась работа линейных изоляторов, электропроводность и диэлектрические потери в изоляционных материалах, грозовые перенапряжения и защита от них электрооборудования, создавались теории пробоя изоляции.
В дальнейшем с повышением номинальных напряжений электропередач на первый план вышли проблемы внутренних перенапряжений, их ограничения, координации изоляции.
Внутренние перенапряжения подразделяются на режимные (или квазистационарные) и коммутационные. К режимным перенапряжениям относятся перенапряжения на разомкнутом конце односторонне включенной “холостой” линии, резонансные перенапряжения на основной частоте и высших гармонических, параметрический резонанс. Режимные перенапряжения характеризуются невысокой кратностью (kп ≤1,5-2,0) и относительно большой длительностью – от долей секунд до десятков минут.
Коммутационные перенапряжения обусловлены включением или отключением линий или элементов оборудования, замыканиями на землю или между фазами, отключениями коротких замыканий. Эти перенапряжения характеризуются большой кратностью (kп доходит до значений 3-4,5 и более) и меньшей длительностью.
Для номинальных напряжений 330 кВ и выше в связи со значительным увеличением стоимости изоляции с ростом номинального напряжения целесообразно применение мер по искусственному ограничению кратности перенапряжений. В последнее время в связи с расширяющимся применением нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на основе керамики с добавками окиси цинка, имеющими чрезвычайно высокую нелинейность вольт - амперной характеристики, целесообразно ограничение внутренних перенапряжений и для более низких классов напряжения. При этом расчетные кратности перенапряжений могут быть значительно снижены.
Для оборудования подстанций и сетей вводится понятие о расчетной кратности внутренних перенапряжений kп.р., для которой появление перенапряжений с большой кратностью маловероятно (1 раз в 50 – 100 лет). Значение расчетной кратности внутренних перенапряжений выбирается из технико-экономических соображений с учетом характеристик защитных устройств.
При этом необходимо учитывать также статистические характеристики ущерба (математическое ожидание и дисперсию) вследствие повреждения, простоя и внеочередного ремонта оборудования энергосистемы, а также вследствие порчи оборудования, брака продукции, простоя рабочих, нарушения технологического процесса у потребителей электроэнергии.
Допустимая расчетная кратность внутренних перенапряжений для изоляции электрооборудования сетей 6–35 кВ по отношению к наибольшему рабочему фазному напряжению рекомендуемое в [1], приведена в табл. 3.2 и определяется выражением:
, (3.4)
где Uисп – нормированное одноминутное заводское испытательное напряжение (действующее значение) главной изоляции электрооборудования; kи = 1,3 – коэффициент импульса при внутренних перенапряжениях для главной изоляции трансформаторов 6–35 кВ; kк =0,9 – коэффициент кумулятивности.
Для электродвигателей коэффициент импульса и кумулятивности принимаются равными единице, а значение испытательного напряжения задается выражением:
. (3.5)
Значения kдоп приведены в табл. 3.2.
Для аппаратов и внешней изоляции допустимые кратности внутренних перенапряжений на 10 – 15% выше.
Указанные в табл. 3.2 значения допустимой кратности для электродвигателей приведены для современной термореактивной изоляции.
Таблица 3.2
Допустимая кратность внутренних перенапряжений kдоп
для электрооборудования 6–35 кВ
| Uн, кВ | 6 | 10 | 15 | 20 | 35 |
| Нормальная изоляция | 7,0 | 5,9 | 5,2 | 4,9 | 4,3 |
| Облегченная изоляция | 4,5 | 4,1 | 4,3 | 4,4 | – |
| Изоляция электродвигателей | 3,4 | 3,3 | – | – | – |
Вместе с тем, в эксплуатации находится еще большая доля двигателей с микалентной изоляцией.Такая изоляция подвержена сравнительно быстрому старению, а срок наработки электродвигателей с микалентной изоляцией достигает 10 лет и более, поэтому выбор защиты такой изоляции требует особого внимания. В частности, уровень допустимых для микалентной изоляции крайностей перенапряжений, по-видимому, следует выбирать не по заводским испытательным нормам, а по нормам профилактики испытаний в эксплуатации.
Общепринятые расчетные кратности внутренних перенапряжений для оборудования сетей 110–1150 кВ приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
