8.5. Изоляция обмоток синхронных генераторов

Технико-экономические показатели синхронных генераторов в значительной степени определяются типом и качеством изоляционных материалов, используемых для обмоток электрических машин. С ростом мощностей единичных агрегатов почти пропорционально возрастает ток обмотки статора, в то время как уровень напряжения не может быть увеличен из-за опасностей пробоя изоляции, возникновения короны, высокого нагрева изолирующих сред. Следует отметить, что обмотки статора работают в тяжелых условиях высоких температур, механических воздействий, существенной виброактивности, переменных нагрузок. По этим причинам вопросы надёжности, долговечности, уменьшения толщины изоляции постоянно находятся в поле зрения специалистов, связанных с электромашиностроительной отраслью.
До начала 60-х годов большинство генераторов изготавливалось с применением термопластичной изоляции, требующей пропитки битумными компаундами. Её положительные свойства - эластичность и хорошая сопротивляемость влаге. Однако в процессе эксплуатации этот тип изоляции может подвергаться размягчению и даже частичному вытеканию из зоны пазов. Поэтому в настоящее время термопластичная изоляция имеет очень ограниченное применение.
Для статорных обмоток современных генераторов используют термореактивную изоляцию, которая полимеризуется и затвердевает при температуре 150-160о С и при повторных нагреваниях не размягчается. Эта изоляция по сравнению с термопластичной имеет более высокую электрическую и механическую прочность. Применение нового типа изоляции позволило повысить напряжение турбогенераторов до 24 кВ.
В 90-е годы в Швеции созданы ГГ и ТГ типа Power-former, которых для обмоток статора применялась изоляция из сшитого полиэтилена. Напряжения ГГ и ТГ составили 155 и 136 кВ соответственно, что позволило включить их в сеть непосредственно без повышающего трансформатора.

8.5.1 Работа синхронных генераторов на автономную сеть

Турбогенераторы и гидрогенераторы большой мощности практически не работают автономно, но эти режимы важны для понимания процессов при включении генераторов в электрические сети, объединяющие несколько генераторов. Под холостым ходом, или в зарубежной терминологии работа с открытым контуром, понимается режим работы генератора, при котором ток в обмотке статора (якоря) равен нулю. Обмотка статора при этом, не присоединена ни к какой нагрузке. Магнитное поле в генераторе при холостом ходе создаётся только магнитодвижущей силой (МДС ) обмотки возбуждения, иными словами, произведением тока обмотки возбуждения на число её витков на одном полюсе ротора. Магнитное поле возбуждения, как уже отмечалось ранее, индуктирует электродвижущую силу (ЭДС) обмотки статора . Зависимость от (или ) называется характеристикой холо-стого хода (XXX). XXX снимается при постоянной частоте вращения ротора , т.е. при постоянной частоте изменения ЭДС обмотки статора.
Начальная часть XXX (рис. 8.4,а) линейна, а при дальнейшем увеличении тока возбуждения пропорциональный рост замедляется. Это явление вызвано так называемым насыщением ферромагнитных материалов магнитопроводов электрических машин. Изменение частоты вращения ротора пропорционально сказывается на значениях ЭДС обмотки статора.

Важное семейство характеристик генераторов - это зависимости токов обмотки статора I_k от токов обмотки возбуждения при коротком замыкании зажимов обмотки статора, т.е. характеристики короткого замыкания (ХКЗ) (рис. 8.4,б).
В отличие от XXX, эти характеристики линейны, так как магнитное поле генератора в этом режиме определяется магнитодвижущими силами двух обмоток, статора и ротора, действующими навстречу друг другу. Это приводит к уменьшению результирующего магнитного потока и исчезновению насыщения магнитопроводов. ХКЗ зависят от вида КЗ (трёхфазное, двухфазное, однофазное).
Зависимости напряжения на зажимах генератора от тока статора называются внешними характеристиками генератора (рис. 8.5,а).

Наибольшее уменьшение напряжения на зажимах обмотки статора будет при индуктивной нагрузке (cos φ =0 ). При ёмкостном характере нагрузки [cos ( - φ )=0 ] напряжение будет даже возрастать, что нежелательно, так как может привести к неустойчивому режиму. При активном характере нагрузки ( cos φ =1 )напряжение обмотки статора уменьшается, но в меньшей степени, чем при cos φ =0 . Поддержание постоянного напряжения обмотки статора при нагрузках разного характера осуществляется путём регулирования тока обмотки возбуждения. Связи между током возбуждения и током статора генератора называются регулировочными характеристиками (рис. 8.5,б). Между внешними и регулировочными характеристиками существует взаимная зависимость.