Турбогенератордың изоляциясы

 

Существует два типа термопластичной изоляции ВЫСОКОвольтных об-моток турбогенераторов—гильзовая изоляция микафолия, выпеченного на шеллаке» которая введена в наше века в Европе» непрерывная микалентная, изоляция асфальтобитумном связующем, появившаяся несколько позже в Америке. Если гильзовая изоляция на шеллаке успешно применяемость в ев-ропейских фирм для генераторов мощностью до 150 МВт при напряжении до 10,5—11 кВ, то микалентная изоляция на асфальтовых лаках получила еще более широкое распространение как в Америке так и в Европе; ори напряже-ниях до 20 кВ эта изоляция и до последнего времени занимает лидирующее положение в конструкциях электрических машин.

Непрерывный рост единичной мощности и удельных токовых нагрузок турбогенераторов поставил перед конструкторами и исследователями задачу поиска и разработки новых изоляционных материалов и технологических процессов, удовлетворяющих возросшим требованиям в этой области.

Главные недостатки существующих типов изоляции следующие:

а) как микалента, так и микафолий представляют собой композицию из лепестков слюды, наклеенных на бумажную подложку. Эти материалы, с од-ной стороны, не обладают весьма достаточной гибкостью и прочностью на разрыв и в силу этого затрудняют плотную намотку их на изолируемый стержень; с другой стороны, бумажная подложка разлагается под действием температуры и приводит к постепенному нарушению монолитности изоля-ции, а следовательно, сокращает общий срок ее жизни;

б) неодинаковый коэффициент теплового расширения меди и изоляции, выполненной как на шеллаке, так и на асфальтовом лаке, при определенном числе температурных циклов нарушает механическую связь между слюдой и связующим, а в некоторых случаях вызывает разрыв лепестков слюды;

в) диэлектрические потери асфальтовой изоляции, хотя и ниже, чем у шеллачной, но все же сильно зависят от температуры и напряжения;

г) механическая прочность компаундированной изоляции в разогретом состоянии отнюдь недостаточна, особенно при больших объемах тока в пазу в современных крупных турбогенераторах.

В итоге главные усилия при раз-работке новых типов высоковольтной изоляции были направлены:

1) на замену бумажной подложки для слюдяной изоляции чем-то дру-гим более прочным в механическом и химическом отношении материалом;

2) на замену связующего на шеллаке или на асфальтовом битуме тпкже другим, обладающим более совершенными физическими свойствами, в первую очередь пониженными диэлектрическими потерями и повышенной механической прочностью.

Фирма «Вестингауз» (США), а вслед за ней многие фирмы США и Западной Европы начиная с 1950 г. вели усиленные разработки новых компо-зиций изоляционных материалов и новых технологии производства. В ре-зультате появился целый ряд видов изоляции, которые отличаются в той или иной мере исходными материалами и способом изготовления, но имеющих весьма схожие физические свойства. В качестве изоляционного материала в них применяются:

а) стекломикалента, состоящая из лепестков слюды и двойной подлож-ки из стеклоткани;

б) стеклослюдинитовая или стеклослюдопластовая лента, представля-ющая собой композицию из слюдобумаги и подложки из стеклоткани.

Связью для указанных материалов послужили искусственные термореактив-ные смолы, в свою очередь способные к затвердеванию при нагревании до определенной температуры, но и в той же мере не подверженные размягче-нию при повторных нагреваниях. Из синтетических термореактивных смол наиболее известны эпоксидные композиции, затвердевающие при температу-ре 150—160° С. Слюдобумага на стеклянной подложке значительно гибче, чем обычные микаленты, и она допускает более плотную обтяжку в процессе изолирования. Она более равномерна по толщине и благодаря этому дает возможность получить изолированные стержни с меньшими допусками по сечению. Важнейшее преимущество слюдобумаг заключается в их поведении при температурных деформациях меди. Коэффициент теплового расширения меди в среднем в пять-шесть раз больше, чем слюды. При удлинении меди связь листков слюды друг с другом и с медью нарушается. При нарушении механической связи возникает вспучивание изоляции. В слюдобумагах мел-кие чешуйки слюды связаны между собой мостиками из синтетической смо-лы, которые воспринимают усилия расширения, благодаря чему нарушения общего строения изоляции не происходит. В настоящее время известны три основных способа изготовления термореактивной изоляции высоковольтных обмоток. 1. Стержень, предварительно упрочненный путем промазки эпок-сидным (или иным) лаком так, чтобы форма и геометрические размеры лобо-вой части в дальнейшем не изменялись, обматывается заданным числом сло-ев слюдинитовой ленты, предварительно пропитанной термореактивным ла-ком повышенной вязкости. Изолированный стержень сушится при 70° С и атмосферном давлении в течение 30 мин и затем в вакууме в течение 4 ч, по-сле чего его прессуют в горячих прессформах при температуре 150—160° С в течение 2 ч. Притом смола, которой пропитана лента, прочно склеивает от-дельные слои и отверждается. Такой процесс не требует никакой дополни-тельной пропитки изоляции. Стержень, предварительно упрочненный, обма-тывается лентой, содержащей малое количество склеивающего вещества без растворителей. Следующее действие, изолированный полным числом слоев ленты стержень пропитывается в термореактивной смоле небольшой вязко-сти под вакуумом при температуре 150—160°С в течение 4—6 ч.

1. Электрическая прочность двух видов изоляции в исходном состоя-нии приблизительно одинакова. Относительно изменения прочности после длительной работы нет достаточных достоверных статистических данных. Опыты по искусственному старению свидетельствуют о том, что термореак-тивная изоляция отличается значительно более высокой стабильности чем термопластичная

2. Обращает на себя внимание чрезвычайно слабая зависимость от приложенного напряжения. При возрастании температуры от 20 до 120° Сзначение увеличивается в среднем на 150% от первоначального, в то время как для асфальтовой изоляции это увеличение составляет 200—250%.

3. Механическая прочность основного изолирующего материала указа-на. Интерес представляет прочность готовой изоляции при продавливании шариком диаметром 10 мм, так как именно она характеризует поведение изо-ляции в пазу, как в длительном режиме, так и при ударах во время коротких замыканий.

4. Теплопроводность изоляции, на термореактивных связующих, по расчетам швейцарской фирмы «Изолаверке», составляет на 60% выше сред-ней теплопроводности компаундированной изоляции. Из приведенных дан-ных можно сделать вывод, что изоляция из стеклослюдяных материалов на термореактивных; синтетических смолах имеет несомненные преимущества не только перед гильзовой изоляцией на шеллаке, но и перед микалентной компаундированной изоляцией на асфальтовом лаке.

Необходимо иметь в виду, что изоляция на термореактивных связую-щих, по природе своей является жесткой и не поддается пластической де-формации в процессе укладки обмотки в паз. Поэтому крайне важно придать стержню еще до процесса изолирования совершенно правильную геометри-ческую форму и сохранить ее вплоть до полного окончания всех технологи-ческих операций.

По конструкции изоляция можно разделить на гильзовую (старые кон-струкции) и непрерывную (современные новейшие конструкции).В качестве основной изоляции стержней обмотки статора используется непрерывная микалентная изоляция на асфальтовом или битумном связующем Главные преимущества этого типа изоляции перед более ранним типом гильзовой изоляции заключаются:

а) в однородности по всей длине витка, т.е. в отсутствии стыка между изоляцией пазовой и лобовых частей;

б) в улучшенных электрических и тепловых характеристиках.

Однородность изоляции достигается тем, что она осуществляется пу-тем намотки последовательных рядов микаленты непрерывно от одного кон-ца стержня к другому, в то время как при гильзовой изоляции микафолиевая гильза накладывалась только на прямом участке стержня, а лобовые части изолировались обособленно (гибким миканитом и лакированной лентой — рисунок 2.1.).

Рисунок 2.1- Типы изоляции: гильзовая (а) и микалентная непрерывная (б) изоляция (сопряжение пазовой и лобовой частей).

 

Применение асфальтов как основного связующего резко меняет харак-теристики изоляции. Микалентная асфальтовая изоляция имеет более плот-ное строение благодаря тому, что она подвергается вакуумному компаунди-рованию при ее изготовлении. Это значит, что воздушные включения между слоями изоляции в максимальной степени ликвидируются.

В гильзовой изоляции, получаемой путем обкатки и выпечки микафо-лиевого листа на шеллаке, малые воздушные прослойки неизбежны. Наличие воздушных прослоек под действием высокого потенциала и температуры приводит к постепенному разложению шеллачной основы. Шеллак становит-ся хрупким и крошится. Помимо этого, слоистое строение обусловливает вспухание изоляции в местах вентиляционных каналов, что препятствует свободному удлинению гильзы под действием температуры. Известны слу-чаи, когда при достаточно большом теплоперепаде в изоляционной гильзе и при большой длине сердечника гильза разрывалась, что приводило к тяжелой аварии турбогенератора.