Воздействие импульсов на генераторы и волновые процессы в обмотках

Как правило, генераторы работают в блоках с трансформаторами или приключены непосредственно к кабельной сети. Поэтому генераторы не подвергаются непосредственному воздействию грозовых волн. Изоляция генераторов нормального исполнения не рассчитывается на перенапряжения атмосферного происхождения, и в изоляционных конструкциях генераторов отсутствуют устройства для выравнивания распределения напряжения по обмотке при импульсах. В этом коренное отличие конструкции изоляции генераторов от трансформаторов.

В то же время на генератор, работающий в блоке с трансформатором, могут воздействовать импульсы атмосферного происхождения, переходящие через обмотки трансформаторов. На изоляцию генераторов воздействуют также коммутационные импульсы, в частности при дуговых замыканиях на землю в кабельной сети и при несинхронных включениях генератора на сеть. Наконец, в ряде случаев для удешевления сетевого строительства допускается работа генераторов малой и средней мощности непосредственно на воздушные сети 3—10 кВ. Все эти случаи послужили причиной постановки ряда исследований для изучения импульсной прочности изоляции машин и волновых процессов в обмотках.

Рис. 9.7 – Схема замещения обмотки для расчета вол­новых процессов в виде цепочки со звеньями ΔL, ΔС.

Коэффициент импульса главной изоляции β в среднем составляет 1,25. Максимальная амплитуда импульса, допустимая для изоляции машин, равна β , где U_исп — испытательное напряжение главной изоляции на промышленной частоте.

Под воздействием импульсного напряжения в обмотке возникает переходный процесс. Схема замещения обмотки машины может быть представлена аналогично трансформаторной обмотке в виде цепочки элементов ΔС, ΔК и ΔL, где ΔС и ΔL — емкость на землю и индуктивность витков, ΔК — междувитковая емкость. В отличие от трансформаторов емкости ΔК незначительно влияют на переходный процесс, поэтому схема замещения обмотки может быть представлена в виде цепочки элементов АС и AL (рис. 9.7). При разбиении обмотки на все более мелкие звенья схема вырождается в линию с распределенными постоянными с волновым сопротивлением и скоростью распространения волны , где L₀, и С₀, —индуктивность и емкость на единицу длины.

Рис. 9.8 – Волновое сопротивление обмотки машины (одной фазы) в зависимости от параметра при движении волн по одной фазе (кривая 1) и по трем фазам (кривая 2).

Рис. 9.9 – Движение волны по витку обмотки машины.

Таким образом, слабая электромагнитная связь катушек позволяет замещать обмотку линией с усредненным волновым сопротивлением, по которой движется волна, причем обратным «проводом» служит сталь статора. Волновые сопротивления обмотки снижаются с увеличением мощности машины, когда растет емкость обмотки и снижается ее индуктивность. По этой же причине волновые сопротивления обмотки растут с повышением номинального напряжения. Зависимость z от параметра , приведенная на рис. 7.8, получена усреднением данных обмеров большого числа турбо­генераторов.

Поверхностный эффект в стали на высоких частотах приводит к вы­теснению импульсного тока к поверхности паза. Это вытеснение вызывает интенсивное затухание и сглаживание фронта волны. Форма бегущей волны показана на рис. 7.9. Начало фронта движется со ско скоростью , где – относительная диэлектрическая постоянная изоляции, с – скорость света. Практически, однако, за начало фронта волны следует принять точку а, где начинается быстрый подъем напряжения. Скорость v перемещения точки А существенно ниже v₀. С ростом мощности машины скорость v падает (рис. 7.10).

Рис. 9.10 – Средняя скорость распространения волн по обмотке машины в зависимости от мощности при движении волн по одной фазе (кривая 1) и по трем фазам (кривая 2).

Полагая, что волна в обмотке имеет косоугольный фронт с крутизной а, найдем, что на междувитковую изоляцию машин средней и малой мощности действует напряжение

(9.1)

где v —скорость распространения волны, м/мксек;

l — длина витка, м;

α — крутизна, кВ/мксек.

Приравнивая ΔU допустимому импульсному напряжению на междувитковой изоляции, определяем допустимую среднюю крутизну волны:

(9.2)

где U_испв — испытательное напряжение междувитковой изоляции.

Расчеты показывают, что для защиты междувитковой изоляции снижения крутизны до 5—6 кВ/мксек вполне достаточно.

При падении волн по всем трем фазам напряжение на изолированной нейтрали может за счет отражения подняться до двойной величины. Как и в трансформаторных обмотках, столь значительный подъем напряжения возможен только при воздействии на обмотку волны с достаточно крутым фронтом. Из расчетов следует, что опасные для изоляции нейтрали повышения напряжения отсутствуют, если а ≤ 2 кВ/мксек. Основным видом контроля изоляции статорных обмоток является испытание повышенным напряжением промышленной частоты. Эти испытания позволяют исключить слабые места изоляции обмоток и, таким образом, своевременно предупредить некачественное изготовление обмотки на заводе-изготовителе (пооперационные технологические испытания) и аварийные выходы машины из строя в процессе эксплуатации. Оптимальный уровень испытательного напряжения, а также длительность приложения его к испытываемому объекту устанавливаются на основании анализа эксплуатации и результатов испытания на электрическую прочность выбранного типа изоляции с учетом технической и экономической целесообразности. Испытательное напряжение не должно быть чрезмерно завышенным, чтобы исключить необратимое старение изоляции и неоправданный отсев за счет пробоя стержней с изоляцией удовлетворительного уровня, и в то же время испытательное напряжение не должно быть настолько низким, чтобы не выявить стержни с действительно заниженным уровнем прочности изоляции. Длительность приложения испытательного переменного напряжения составляет 1 мин.

Рис. 9.11 – Испытательные напряжения изоляции обмотки статора в зависимости от номинального напряжения. 1 — готовый стержень после изготовления; 2 — обмотка после сборки и испытания машины (пофазно); 3 — обмотка перед сдачей машины в эксплуатацию (пофазно).

Величины испытательных напряжений, применяемые в процессе изготовления обмотки и сдачи генератора в эксплуатацию, определяются в зависимости от номинального напряжения машины согласно кривым на рис. 9.11. Снижение испытательных напряжении по мере монтажа машины объясняется возможностью образования в изоляции микроскопических трещин, в частности при закладке стержней в пазы.

Величина испытательного напряжения при периодически проводимых профилактических испытаниях изоляции в процессе эксплуатации генератора составляет U_исп= (1,5 - 1,7) U_ном.

В последние годы для проверки качества состояния изоляции обмотки используются испытания высоким постоянным напряжением. Испытание постоянным напряжением особенно широко применяется для оценки состояния изоляции на местах установки машин и на основании этого опыта начинает внедряться при пооперационном контроле сборки обмотки на заводах-изготовителях. При приемо-сдаточных испытаниях машины производят испытание изоляции постоянным напряжением величиной U_исп=1,15 (2U_H+3) кВ с одновременным измерением токов утечки при увеличении напряжения от нуля до испытательного значения. По абсолютной величине токов утечки и по характеру изменения токов утечки от напряжения судят о степени увлажненности изоляции и возможности проведения более жесткого испытания — переменным напряжением (кривая 3 на рис. 9.11) непосредственно перед пуском машины в эксплуатацию

Кроме испытания изоляции повышенным переменным и постоянным напряжением, качество изоляции контролируется также путем измерения диэлектрических потерь. Это испытание проводится обычно только на заводах-изготовителях для контроля технологических процессов изготовления изоляции — пропитки, опрессовки, термообработки и пр., определяющих однородность и монолитность изоляции. Измерение tgδ производится при номинальном напряжении машины и при изменении напряжения от 0,5<U_ном до 1,5U_ном.