3.7. Ізоляція обертових машин високої напруги

Обертові машини використовуються при виробництві електричної енергії (турбогенератори, гідрогенератори), при виробітці реактивної потужності (синхронні компенсатори), а також при перетворенні електричної енергії в різні види механічної енергії (електродвигуни).

Генератори є найбільш відповідальним устаткуванням, до якого пред'являються дуже високі вимоги відносно надійності і довговічності роботи.

У наш час в експлуатації перебувають турбогенератори потужністю 500...800 МВт (3000 об/хв) з номінальною напругою 21...24 кВ типу ТГ. Сучасні гідрогенератори мають потужність 500...640 МВт [1-3].

В 1980 р. на заводі «Електросила» виготовлений турбогенератор типу ТВВ-1200 для другої черги Костромської ГРЕС. Генератор має потужність 1200 МВт, номінальна напруга 24 кВ, охолодження сердечника й обмотки ротора - водневе, обмотки статора - водяне. Маса генератора становить 610 т. Крім того, ізоляція електричних машин випробовує постійні вібрації і великі ударні механічні навантаження при коротких замиканнях, вплив високих температур і продуктів розкладання повітря (озон, окисли азоту й ін.). Великі генеруючі потужності електричної енергії і, як наслідок, великі струми в активних частинах електричних машин приводять до значних теплових навантажень в ізоляції.

У генераторах малої і середньої потужності застосовується поверхнева система охолодження повітряним потоком. В електричних машинах великої потужності (200 МВт і вище) використовується внутрішнє водяне, масляне або водневе охолодження обмоток з використанням мідних порожніх провідників.

Ізоляцію машин можна підрозділити на корпусну (головну) і міжвиткову (поздовжню). Сучасні турбогенератори великої потужності, як правило, мають обмотку з одновитковими стрижнями, і, отже, виткова ізоляція в таких машинах у стрижні відсутня. На рис. 3.36 представлений розріз паза статорної обмотки турбогенератора середньої потужності.

Головною (високовольтною) ізоляцією є ізоляція стрижня щодо корпуса 2, 3 і між стрижнями 7. Сучасні машини мають безперервну компаундіровану ізоляцію, покриту азбестовою стрічкою. Мікалента складається із двох шарів спеціальної паперової підкладки, між якими розташовуються пластинки слюди. Слюда в мікаленті втримується масляно-бітумним лаком (компаундом). Стрижні складаються з мідних провідників, розділених низьковольтною ізоляцією 6 з азбесту або скловолокна.

Високовольтна ізоляція обертових машин розділяється на термопластичну і термореактивну (сучасні конструкції потужних машин).

Термопластична ізоляція, застосовується як у старих, так і у сучасних конструкціях, відповідно до циклів нагрівання й охолодження розм'якшується і знову твердне, що може приводити до виникнення в товщі ізоляції газоподібні включення, що знижують її електричну міцність.

Термореактивна смола при циклах нагрівання не розм'якшується, тому що  вона перебуває в неплавкому і нерозчинному стані. Ця властивість дозволяє використати таку ізоляцію при більш високих температурах зі збереженням первісної електричної міцності й високої надійності. У цей час широке впровадження одержала мікалентна ізоляція на основі підкладки із двох стрічок скловолокна з укладеної між ними слюдою і просоченою епоксидним компаундом або поліефірним лаком.

По конструктивному виконанню ізоляція стрижнів розділяється на гільзову (старі конструкції) і безперервну (сучасні конструкції).

Суть гільзової ізоляції полягає в тому, що пазова частина (більш напружена) виконується у вигляді гільзи з мікафолію (міканіт з підкладкою з паперу, шовкової або скляної тканини), а лобова частина (менш напружена) - на основі мікаленти. При такому способі ізолювання неминучим є наявність стику (слабкого місця) за межами виходу стрижня з паза. Порушення безперервності ізоляції приводить до істотного зниження електричної міцності в цьому місці. Тому гільзова ізоляція застосовується в машинах малої потужності й напруги.

Безперервна ізоляція, виконувана з того самого матеріалу на всій довжині стрижня, має практично однакову електричну міцність у пазовій і лобовій частинах. Після нанесення декількох шарів мікаленти стрижні містяться в спеціальні компаундіровочні казани, де ізоляція сушиться, вакуумується і просочується під тиском розплавленим компаундом - компаундірування ізоляції. Безперервна компаундірована мікалентна ізоляція є термопластичною.

Сучасні потужні турбогенератори мають пази й стрижні прямокутної форми. Тому для вирівнювання поля на кромки стрижня накладається напівпровідна лакотканина або папір для збільшення радіуса закруглення. Потім поверх ізоляції стрижня наноситься напівпровідне покриття, що електрично з'єднується із залізом статора щоб уникнути розрядів між стрижнем і стінкою паза.

Для усунення крайового ефекту (корони) у місці виходу стрижня з паза використовується нанесення напівпровідних покриттів по поверхні ізоляції, що дозволяє запобігти її передчасне руйнування. Іноді застосовується і ємнісне вирівнювання за допомогою провідних або напівпровідних обкладок (екранів), що вбудовуються у товщу ізоляції.

Найпоширенішим методом протикороного захисту є двоступінчасте нанесення напівпровідного шару на ізоляцію в місці виходу з паза. У пазовій частині на відстані 50…100мм від кромки паза наноситься напівпровідний лак з r_S = 10³…10⁵Ом, а потім ізоляція просочується лаком з r_S = 10⁷…10⁹Ом на довжині 200...300 мм. Напівпровідне покриття покривається шаром ізоляційного матеріалу товщиною 0,4...0,5 мм, що поліпшує його надійність.

Лобові частини обмотки оформляються з таким розрахунком, щоб у них була відсутня корона при номінальній напрузі.

При внутрішньому водяному охолодженні обмоток вода підводить через головки лобових частин за допомогою спеціальних ізоляційних шлангів із фторопласта або тепломаслостійкої гуми, що з'єднує наконечники головок обмотки, що перебувають під високим потенціалом, із заземленим водозбірним колектором.

Міжвиткова ізоляція машин малої і середньої потужності
(до 30 МВт) має стрижні з декількома витками, напруга між якими не перевищує декількох сотень вольт. Ізоляція між витками розраховується таким чином, щоб вона могла витримувати порівняно невисокі випробувальні напруги (U_исп = 1000…2250В). Особливістю виткової ізоляції обертових машин є відсутність розрахунку на вплив імпульсних хвиль атмосферних перенапруг, тому що  генератори приєднуються до повітряних ЛЕП через кабелі або трансформатори. При безпосередньому приєднанні генераторів на повітряні мережі 3...10 кВ (така робота іноді допускається) необхідно враховувати градієнтні перенапруги при впливі імпульсних хвиль на виткову ізоляцію.

У нашій країні вирішуються питання по розробці і створенню генераторів високої напруги на 35...100 кВ і навіть 220 кВ, що дозволить живити розподільні електричні мережі безпосередньо від генераторів і відмовитися від застосування підвищувальних трансформаторів, забезпечивши народному господарству великий економічний ефект. Розроблено конструкцію гідрогенератора на 110 кВ із корпусною паперово-масляною ізоляцією. Статор з обмоткою відділений від обертового ротора ізоляційною перегородкою. Простір статора заповнений маслом, що служить у якості ізоляційного і охолодного середовища. Ізоляція обмоток - паперово-масляна.

Генератори на 35...220 кВ можуть безпосередньо підключатися до ЛЕП, тому ізоляція таких машин повинна бути розрахована на вплив атмосферних перенапруг.