§ 4. Перенапряжения и испытательные напряжения
Наряду с длительным воздействием электрического поля рабочей напряженности изоляция может подвергаться кратковременным перенапряжениям (ПН). Стойкость изоляции к ним (гарантированная импульсная прочность (ГИП) проверяется испытаниями высоким напряжением, проводимыми в процессе и после изготовления машины и периодически во время эксплуатации.
Обычно ГИП изоляции электрических машин существенно меньше, чем у других элементов схемы (трансформаторов, выключателей), а в некоторых случаях принимаются специальные меры по защите электрических машин от ПН.
Природа и величина перенапряжений
ПН весьма разнообразны по природе, зависят от типа электрической машины (генератор или двигатель), ее конструкции (стержневая или катушечная обмотка), схемы включения, коммутационной аппаратуры и являются статистической величиной. Наиболее существенно различие между ПН, действующими на генераторы и двигатели.
Рис. 9
Перенапряжения на генераторах. Крупные генераторы, как правило, соединяются с потребителями линиями передач с помощью трансформатора (блочная схема), через который и происходит передача грозовых или коммутационных ПН, возникающих на ЛЭП и подстанциях (рис. 9, а).
ПН на высокой стороне трансформатора, ограниченное разрядником, за счет электромагнитной связи между обмотками ВН и НН передается на генератор, причем коэффициент передачи равен коэффициенту трансформации kw. Для анализа процесса может быть использована упрощенная схема рис. 9,6, на которой обозначено Lxf, L2т — индуктивности первичной и вторичной обмоток; L—индуктивность намагничивания; г — эквивалентное сопротивление потерь; Z — волновое сопротивление обмотки генератора — линии, состоящей из продольных L и поперечных С; Ст — емкость трансформатора и шинопровода. При ограничении U1 существующими разряд-
никами до безопасного для трансформатора уровня ПН на обмотке генератора не превышают принятого уровня испытательных напряжений (ИН), равного (1,5... l,7)i/„, и дополнительные разрядники на генераторной стороне не требуются.
При работе генератора непосредственно на кабельную сеть с изолированной нейтралью ПН могут вызываться замыканиями отдельных фаз сети на землю (дуговые ПН). Однако и в этом случае ПН обычно не превышают уровня испытательного напряжения.
Перенапряжения на двигателях. ПН воздействуют на более сложную схему, содержащую значительные продольные межвитковые емкости Св. Схема представлена на рис. 10,
Рис. 10
тде LK — индуктивность рассеяния одной катушки, обмотки, содержащей wK витков; Ск — емкость корпусной изоляции катушки; Св — емкость межвитковой изоляции. Перенапряжениям подвергается не только корпусная изоляция, но и межвитковая, причем в последнем случае кратность ПН, т. е. отношение их величины к амплитуде рабочего напряжения
, может быть значительно выше. Это возможно при очень крутых импульсах (длительность фронта Тф 1 мкс), когда начальное распределение напряжения задается исключительно емкостями и большая часть ПН ложится на первую катушку. Тогда при включении, например на фазное напряжение на этой катушке, возникнет продольное напряжение, в N раз большее рабочего, где N— число последовательных катушек в фазе обмотки. При Тф > 5 мкс распределение более равномерно, и даже при больших входных импульсах перегрузка витковой изоляции окажется меньшей. В общем случае распределение напряжения в обмотке и, следовательно, продольные (витковые) ПН зависят от крутизны тф ПН. Поэтому для двигателей должны учитываться характеристики входного ПН — кратность и длительность фронта. Из-за разнообразия конструкций ЭМ и условий их включения разброс этих показателей очень велик.
Рис. 12
Огибающая кривая диаграммы АТпн—Тф, построенной по> большому числу экспериментальных данных, показана на рис. 11, а напряжение, приходящееся на первую катушку,— на рис. 12. Причиной очень крупных ПН (тф ^ 0,2 мкс) является включение машин в сеть, особенно неодновременное замыкание контактов. Менее крутые, но большие по величине ПН, могут вызываться отключением с обрывом тока. В этом случае возникает процесc перехода оставшейся в машине магнитной энергии Lsio2/2 (где Ls — индуктивное рассеяние; i'o — ток обрыва дуги в выключателе) в емкостную энергию контура CSU2/2 (Cs — емкость обмотки двигателя), что может вызвать ПН величиной Uпн = i(Ls/Cs. Эти ПН, хотя и ограничиваются повторными замыканиями в выключателе, могут достигать кратности, близкой к 5.
Рис. 11
Для сглаживания фронта волны ПН и уменьшения их величины в некоторых случаях параллельно обмотке подключаются конденсаторы.
Испытательные напряжения
Исходя из приведенных выше соображений устанавливаются величины испытательных напряжений.
Для корпусной изоляции крупных генераторов на основе длительного опыта изготовления и эксплуатации установлены величины выпускного испытательного напряжения (2UH + 1... 3) кВ и периодического испытательного напряжения (через 2...6 лет)—(1,5...1,7)UH. Корпусная изоляция должна проектироваться таким образом, чтобы и в конце расчетного срока службы генератора (20... 30 лет) отсутствовали пробои при UИСп/
Испытания витковой изоляции возможны только в процессе изготовления машины, их методика и величины иясп не стандартизованы в международном и всесоюзном масштабах. Обычно отдельные катушки подвергаются испытанию импульсным напряжением с амплитудой, в 1,5—2 раза превышающей номинальное напряжение.
