Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электротехнические материалы и изделия

Диссертационная работа:

Гегенава Анна Геннадиевна. Исследование и усовершенствование противокоронных покрытий высоковольтных электрических машин : диссертация ... кандидата технических наук : 05.09.02.- Санкт-Петербург, 2003.- 206 с.: ил. РГБ ОД, 61 03-5/2975-7

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 15

  1. Лобовая часть статорной обмотки высоковольтных электрических машин как проходной изолятор. 15

  2. Способы регулирования электрического поля в лобовой части статорной

оомотки

1.2.1. Конструкции, использовавшиеся в АО "Электросила" 19

2.2. Емкостной метод регулирования поля 22

2.3. Регулирование поля резистивными покрытиями 24
2.3.1. Ленточные покрытия 25

1.2.3.2. Эмалевые покрытия 26

3. Способы расчета напряженности электрического поля в противокоронном

29 покрытии

  1. Покрытие с линейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) 29

  2. Покрытие с нелинейной ВАХ 30

  1. Общий принцип расчета поля в противокоронном покрытии 30

  2. Расчет идеализированной модели 31

  3. Метод принудительного деления потенциала 35 1.4. Эмалевые покрытия. Состав 37

1.4.1. Наполнитель 36

1.4.1.1. Карбид кремния 36

  1. Общие сведения 36

  2. Вольт-амперные характеристики нелинейных полупроводниковых сопротивлений. Математическое описание ВАХ

  3. Механизм проводимости карбида кремния (SiC) 43 1.4.1.1.3.1. Рассмотрение механизма образования проводимости слоя эмали на основе теории перколяции

  4. Влияние дисперсности порошков SiC на проводимость технологичность

1.4.1.2. Оксид цинка 62

  1. Связующие вещества 64

  2. Дополнительные вещества 65

->

1.4.4. Технология изготовления эмалевых покрытий 66

  1. Измерение электропроводности эмалевых покрытий 68

  2. Выводы. Постановка задачи 70 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТИВОКОРОННЫХ ПОКРЫТИЙ. ПАРАМЕТРЫ ВАХ И ВЛИЯНИЕ НА НИХ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ 72

2.1. Обоснование экспоненциальной зависимости ВАХ для тонкослойных

72 противокоронных покрытии

2.2. Методика измерения ВАХ 79

  1. Подготовка образцов 79

  2. Выбор частоты испытательного напряжения 79

  1. Методика и схема измерений ВАХ на различных частотах 79

  2. Методика и схема измерений ВАХ на постоянном токе 85

2.2.3. Определение электрических и тепловых условий испытаний 86

  1. Время и величина напряженности стабилизации в электрическом поле 87

  2. Длительность и величина температуры запечки 88

  3. Определение влияния температуры на ВАХ в рабочих условия 88

  4. Заключение 89

2.3. Выводы 92
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВАХ 93

  1. Экспериментальное определение предельных нагрузок в покрытии 93

  2. Методика расчета нагрузок в покрытии 94

  1. Уравнения для расчета максимальной напряженности в покрытии 94

  2. Краевые условия. Входные и выходные данные для расчета 96

  3. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных 100

3.3. Расчет нагрузок в покрытии 103

  1. Линейная ВАХ 103

  2. Нелинейная ВАХ 105

  1. Зависимость нагрузок в покрытии от удельной емкости изоляции и испытательного напряжения

  2. Определение области допустимых параметров ВАХ 109

3.4. Выводы 115

ГЛАВА 4. СОСТАВ ЭМАЛИ. КОМПОНЕНТЫ И ИХ СООТНОШЕНИЕ 116

  1. Исследование сопротивления порошка карбида кремния. Выбор 116 оптимальных параметров

  2. Исследование дисперсионного состава порошков 120

  3. Выбор проводящей присадки 123

  4. Оксид цинка как возможный наполнитель 129

  5. Метод определения содержания компонентов в эмали 130

  1. Способ №1 130

  2. Способ №2 131

4.6. Определение оптимального состава и влияния на свойства покрытия

132 каждого компонента

  1. Определение оптимального соотношения компонентов связующего 132

  2. Определение оптимального содержания наполнителя SiC и проводящей

* 136
добавки

4.7. Применение теории перколяции для анализа влияния размера и

141 содержания частиц наполнителя эмали

4.8. Выводы 148
ГЛАВА 5. КОНСТРУКЦИЯ ПОКРЫТИЯ. РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ 149

5.1. Конструкция покрытия 149

  1. Двухступенчатое покрытие 149

  2. Геометрические и электрические характеристики ступеней 150

  1. Исследование воздействия рабочих факторов (влажности, температуры, электрической нагрузки и состава) на свойства покрытия .,-,

  2. Выводы 161

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 164

ПРИЛОЖЕНИЯ 177

Приложение 1 178

Приложение 2 184

Приложение 3 187

Приложение 4 206

Введение к работе:

При эксплуатации высоковольтных электрических машин (турбо- и гидрогенераторов) и особенно при их электрических испытаниях, как на заводе изготовителе, так и на месте работы (во время ремонтов), одной из важнейших проблем является подавление поверхностных разрядов на статорной обмотке. Борьба с этим явлением, иногда называемым коронированием, в электрической машине осуществляется путем использованием двух, различных по функциям и характеристикам, видов покрытий.

В пазовой части статорной обмотки на поверхность изоляции наносится покрытие низкого сопротивления («проводящее»), обеспечивающее контакт во многих точках между покрытием и стенками паза, то есть вся поверхность пазовой части оказывается заземленной, и устраняется разность потенциалов между поверхностью изоляции и стенкой паза.

Совершенно другие функции выполняет покрытие в лобовой части, начинающееся от края пазового покрытия. При его отсутствии между краем заземленной поверхности стержня и находящейся под высоким напряжением медной жилой возникает продольная составляющая электрического поля, превышающее напряжение ионизации воздуха при напряжении на внутреннем электроде - проводнике, меньшем, чем рабочее. Например, для изоляции турбогенераторов 800... 1000 МВт на номинальное напряжение 24...27 кВ начальное напряжение коронных разрядов, определяемое формулой Теплера [1,2], имеет величину 5,3 кВ, что в 3 раза меньше рабочего фазного напряжения, равного 14.0... 15.0 кВ. Длина разрядов нарастает пропорционально пятой степени разности испытательного и начального напряжения и при 32 кВ, что меньше стандартного испытательного напряжения, возникают мощные скользящие разряды.

С целью устранения ионизации воздуха в лобовой части обмотки используется противокоронное покрытие, предназначенное для выравнивания распределения напряжения по поверхности изоляции и снижения продольной напряженности до уровня, обеспечивающего отсутствие ионизации при рабочих нагрузках и отсутствие перекрытий при испытаниях высоким напряжением. Разработанные в 70 годы XX века противокоронные эмали, у которых проводимость резко нарастала с увеличением напряженности (так называемые, материалы с нелинейной ВАХ) благодаря использованию в них в качестве наполнителя порошкообразного карбида кремния (SiC), успешно применялись несколько десятилетий.

Однако, применение в энергетике новой технологии - парогазовых циклов и усовершенствование существующих, создание новых изоляционных материалов привело к обострению конкуренции на рынке генераторов и стремлению снизить их стоимость за счет существенного увеличения электрических и тепловых нагрузок изоляции [3, 4].

Эти факторы, в свою очередь, приводят к усложнению работы противокоронных (также называемых - резистивными, противоразрядными, полупроводящими, лобовыми, краевыми) покрытий на поверхности изоляции статорной обмотки электрических машин высокого напряжения и повышению интенсивности разрядных процессов, которые существенно сокращают срок службы изоляции при отказе покрытий.

Ужесточение воздействий на покрытия и необходимость их совершенствования связаны с тремя тенденциями в создании высоковольтных электрических машин.

Во-первых, на 30-60% возросла напряженность электрического поля в изоляции при рабочих условиях и, соответственно, испытаниях, что позволяет существенно уменьшить стоимость машины (до 20%), благодаря снижению расхода материалов (медь, сталь, изоляция) [3, 4]. Однако нагрузки

7 в покрытии при этом возрастают, как будет показано ниже в работе, почти пропорционально квадрату напряженности;

Во-вторых, переход к воздушному охлаждению (вместо водородного при давлении З...4атм) в крупных турбогенераторах в 2...Зраза снизил разрядное напряжение газовой среды, и создал возможность, при возникновении частичных разрядов, появления в рабочей газовой среде повышенного количества озона, резко ускоряющего химическое разрушение покрытия и изоляции [3-7]. Повышению интенсивности частичных разрядов способствует, также, увеличение рабочей температуры;

В-третьих, повысилось номинальное напряжение в наиболее крупных генераторах. Так, например, крупнейшим в России производителем электроэнергетического оборудования предприятием АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), в 2000 г. впервые в мировой практике, был получен заказ на изготовление турбогенератора мощностью 1000 МВт с номинальным напряжением 27 кВ для иранской атомной электростанции «Бушер». До этого максимальное напряжение производимых предприятием генераторов мощностью 800... 1000 МВт составляло 24 кВ. Проблема, связанная с увеличением номинального напряжения, усложнялась требованием заказчика непропорционально повысить одноминутное испытательное напряжение отдельных стержней обмотки статора: номинальное напряжение увеличилось на 12,5 %, а испытательное напряжение возросло на 30 % (82 кВ против 62 кВ). При этом толщина изоляции не изменилась. Хотя для изоляции слюдотерм, изготавливаемой по усовершенствованной технологии, повышение испытательной напряженности не представляет опасности, существовавшая конструкция лобового противоразрядного покрытия, как показали предварительные опыты, не позволяла выполнить требуемые испытания. Также необходимо отметить, что подобные условия невыполнимы и для известных зарубежных аналогов лобовых покрытий таких производителей, как "Alstom" (Франция),

8 "General Electric" (США) - на этих предприятиях высоковольтные испытания, отдельных стержней статорной обмотки, напряжением свыше 70 кВ проводятся три раза по 20 секунд, так как покрытие не обеспечивает термостабильность в течение 1 мин.

Указанные выше проблемы, связанные с усовершенствованием и созданием новых конструкций крупных генераторов, а также отмеченное ужесточение условий испытаний изоляции, определили необходимость работы по изучению и усовершенствованию противокоронных покрытий.

Актуальность работы

По данным производителей мощных высоковольтных электрических машин -60% проблем, возникающих при эксплуатации, связаны с разрядными процессами на поверхности изоляции статорной обмотки [3,8].

Несмотря на широкое использование противокоронных покрытий с нелинейной вольт-амперной характеристикой, их конструкция и состав были установлены исключительно эмпирическим путем около 30 лет назад и удовлетворяли производственным и эксплуатационным требованиям того периода. Однако принципы выбора параметров В АХ покрытия и его рецептуры не были определены и созданные ранее покрытия оказались непригодными для новых условий, когда произошло существенное увеличение рабочих и испытательных напряженностей в изоляции, вызванное требованиями рынка.

В связи с этим изучение характеристик противокоронных покрытий, их составов, определение влияния компонентов на свойства, разработка новых конструкций, разработка методик контроля, а также изменения свойств при старении в различных режимах является актуальной задачей, как с научной точки зрения, так и с точки зрения обеспечения работоспособности и надежности конструкции изоляции в целом.

9 Особое значение имеет создание противокоронной защиты для турбогенератора АЭС «Бушер» на номинальное напряжение 27 кВ, так как эта система явилась прообразом и испытательной моделью для разрабатываемой в настоящее время конструкции крупнейшего в мире турбогенератора 1500 МВт, 27 кВ для российских АЭС.

Целью работы является разработка противокоронного покрытия, обладающего технологическими преимуществами эмалевого варианта и обеспечивающего как проведение массовых производственных испытаний статорной изоляции при максимально возможном уровне напряжений, так и длительную работу на месте эксплуатации, независимо от климатических особенностей региона; теоретическое и экспериментальное обоснование новой конструкции; оценка ее работоспособности при длительном воздействии рабочих условий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработана комплексная экспериментальная методика контроля противокоронных покрытий высоковольтных электрических машин, базирующаяся на обоснованном выборе электрических и технологических характеристик. Использование данной методики позволило провести многофакторное исследование имеющихся аналогов противокоронных покрытий и разработать новое по свойствам и составу покрытие, позволяющее повысить испытательные и рабочие напряженности электрического поля в изоляции на 30-40%.

  2. Установлено, что вольт-амперная характеристика разработанного композиционного материала на основе карбида кремния и электроизоляционных лаков, используемая в качестве противокоронного покрытия, наиболее адекватно описывается экспоненциальной зависимостью между напряженностью электрического поля и проводимостью материала.

10 3. Разработана и экспериментально обоснована двухступенчатая конструкция противокоронного лобового покрытия. Впервые введена в конструкцию покрытия первая ступень, имеющая повышенную проводимость, по сравнению с основной второй ступенью, обеспечивающая равномерное распределение плотности тока по периметру элемента статорной обмотки (стержня или катушки). Предложенная конструкция не только позволяет увеличить нормы испытательных и рабочих напряжений, но и увеличивает срок службы покрытия более чем в 3 раза. Разработанное покрытие (состав и конструкция) защищены патентом РФ (№2187874).

Практическая значимость

  1. Разработанное в диссертационной работе покрытие используется во вновь изготавливаемых и модернизируемых высоковольтных турбо- и гидрогенераторах, обеспечивая в заводских условиях проведение массовых производственных испытаний полных комплектов статорных обмоток высоким напряжением и надежную работу на электростанциях заказчиков. Начиная с 2000 г., изготовлено более 20 машин мощностью до 1000 МВт с разработанным покрытием.

  2. Новая двухступенчатая конструкция противокоронного покрытия статорной обмотки высоковольтных машин стандартизирована на предприятии-изготовителе этого оборудования. Результаты диссертационной работы, начиная с 2000г., используются в АО «Электросила». Разработана и введена в действие соответствующая нормативно-техническая документация (пять стандартов и инструкций предприятия: "Машины электрические. Турбогенераторы на номинальное напряжение 27 кВ. Обмотка статора. Инструкция по приготовлению и нанесению лобового полупроводящего покрытия." (ОБС.922.067 ТУ); "Изготовление эмалей ПЛК-259ч, ПЛК-274, ПЛК-275." (ОБС.900.118 ТИ); "Машины электрические переменного тока.

Турбогенераторы и гидрогенераторы. Полупроводящие покрытия обмоток статора. Конструкция." (СПТ БС 6-48-2001); "Эмали ПЛК-259ч, ПЛК-274, ПЛК-275." (ОБС.504.090 ТУ); "Машины электрические переменного тока. Нанесение полупроводящих покрытий на обмотку статора. Типовой технологический процесс." (ОБС.922.068 ТИ).).

Работа выполнена в соответствии с производственной программой и заказами, полученными АО "Электросила" на поставку турбо- и гидрогенераторов:

[.Турбогенератор типа ТВВ-1000-2-27 для АЭС "Бушер" (Иран), на номинальное напряжение 27 кВ, 1999-2000 гг.

2. Турбогенератор типа ТВВ-1000-2-24 для АЭС "Тянь-вань" (Китай), на

номинальное напряжение 24 кВ, 2001 г.

3. Гидрогенератор типа СВ-1313 для ГЭС "Бурея" (Россия), на

номинальное напряжение 15.75 кВ, 2002 г.

4. Серия гидрогенераторов типа СВ-772/120 для ГЭС в Бразилии, на

номинальное напряжение 13.8 кВ, 2000-2003 гг.

На защиту выносятся

  1. ВАХ противокоронного эмалевого покрытия с карбидкремниевым наполнителем и методика экспериментального определения параметров ВАХ.

  2. Расчет нагрузок покрытия в предельных испытательных режимах и экспериментальное определение их максимально допустимых значений.

  3. Определение области параметров зависимости проводимости покрытия от напряженности электрического поля, в которой нагрузки не превышают предельно допустимые.

  4. Методика и результаты ресурсных испытаний различных вариантов противокоронного эмалевого покрытия.

  5. Конструкция покрытия и состав эмали, обеспечивающие работоспособность покрытия в кратковременных предельных и длительных рабочих режимах.

Достоверность результатов подтверждается:

применением современной измерительной техники и удовлетворительной воспроизводимостью экспериментальных результатов;

соответствием полученных результатов экспериментальным данным других авторов (в тех случаях, когда эти данные имеются);

совпадением расчетных и экспериментальных результатов при определении нагрузок в покрытии;

использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.

Личный вклад автора.

Полученные результаты были достигнуты как самостоятельно (создание всех экспериментальных установок, используемых в работе, получение экспериментальных данных и их обработка), так и в соавторстве (разработка расчетной методики).

В процессе работы автор пользовался консультациями к.т.н. Ваксера Б. Д.

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались и докладывались на двух Российских и
четырех международных конференциях (Конференция молодых
специалистов электроэнергетики-2000, 18-22.09.2000 г., Москва; Девятая
международная конференция «Физика диэлектриков - 2000», 17-
22.09.2000 г., Санкт-Петербург; IV Международная конференция

«Электротехника, электромеханика и электротехнология-2000», 18-22.09.2000 г., Клязьма; Межвузовская научная конференция «XXIX Неделя науки СПбГТУ», 27.11-02.12.2001 г., Санкт-Петербург; Четвертый международный симпозиум ЭЛМАШ-2002 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта,

13 нефтяной и газовой промышленности», 7-11.10.2002 г., Москва; Третья

Международная конференция «Электрическая изоляция - 2002», 18-

21.06.2002 г., Санкт-Петербург). Основные результаты работы изложены в

следующих публикациях:

  1. Ваксер Б.Д., Полонский Ю.А., Гегенава А.Г. Вольт-амперная характеристика краевого противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения: Тезисы докладов девятой международной конференции «Физика диэлектриков - 2000». 17-22.09.2000. -Санкт-Петербург, РГПУ, 2000.-С. 111-112.

  2. Гегенава А.Г Свойства противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения: Конференция молодых специалистов электроэнергетики-2000. 18-22.09.2000. - Москва, 2000.-С. 27-29.

  3. Ваксер Б.Д., Петров В.В., Гегенава А. Г. Подавление разрядов на поверхности обмоток электрических машин высокого напряжения: Труды IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнология-2000». 18-22.09.2000.- Россия, Клязьма, 2000.-С. 291-292.

  4. Ваксер Б.Д., Гегенава А. Г. Подавление поверхностных разрядов в конструкции проходного изолятора с помощью резистивного покрытия // Электротехника. - 2001. - № 6. - С.52-56.

  5. Гегенава А. Г. Противоразрядное покрытие стержней статорной обмотки турбогенератора с номинальным напряжением 27 кВ // Сборник «Электросила». -2001.-№ 40.- С. 22-28.

  6. Ваксер Б.Д, Полонский Ю.А., Гегенава А.Г. Исследование характеристик противокоронных покрытий различного состава, используемых для статорных обмоток электрических машин: Материалы межвузовской научной конференции «XXIX Неделя науки СПбГТУ». 27.11 -02.12.2001. - Санкт-Петербург, 2001.- Ч. 1.- С.76-77.

  1. Гегенава А.Г. Исследование эмалевого противокороного покрытия высоковольтных электрических машин: Труды международной конференции «Электрическая изоляция - 2002». 18-21.06.2002. - Санкт-Петербург, 2002. -С. 268-269.

  2. Гегенава А.Г. Свойства противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения // Электричество. -2002.-№9. -С. 64-66.

  3. Ваксер Б.Д, Гегенава А.Г. Воздействие эксплутационных условий на противокоронные покрытия изоляции высоковольтных электрических машин // «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности»: Четвертый международный симпозиум ЭЛМАШ-2002. 7-11.10.2002. -Москва, 2002.-Часть II.-С. 79-80.

  4. Гегенава А.Г., Полонский Ю.А. Карбид кремния как наполнитель в противокоронных композиционных материалах для высоковольтных электрических машин // Ведомости Санкт-Петербургского Политехнического университета. 2002. №4. С. 125-127.

По результатам работы получен Патент Российской Федерации №2187874 «Обмотка электрической машины высокого напряжения». Действуете 30.06.2001. Авторы: Гегенава А.Г., Пищулина О.П.

Подобные работы
Кокцинская Елена Михайловна
Разработка и исследование противокоронных покрытий ленточного типа для современных способов изготовления систем изоляции высоковольтных электрических машин
Шикова Татьяна Михайловна
Исследование и усовершенствование технологии изготовления изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических машин
Котнаровска Данута Казимировна
Разработка и исследование износостойких модифицированных эпоксидных покрытий деталей машин
Доценко Василий Григорьевич
Исследование и усовершенствование механизмов нитеподачи основовязальных машин. Приложения
Ковалева Ольга Сергеевна
Исследование и усовершенствование механизмов, участвующих в прокладывании уточной нити на ткацких машинах с малогабаритным прокладчиком утка, с целью повышения их производительности
Агеев Евгений Викторович
Получение порошков из отходов твердых сплавов методом электроэрозионного диспергирования, их аттестация и применение для плазменно-порошковой наплавки износостойких покрытий для деталей машин
Рожков Дмитрий Михайлович
Разработка управляемого технологического процесса восстановления посадочных мест корпусных деталей машин в сельском хозяйстве гальваническими покрытиями
Зайцев Алексей Александрович
Совершенствование тепловой работы кристаллизаторов машин непрерывного литья заготовок с защитными покрытиями рабочих стенок
Хмелев Денис Александрович
Повышение эффективности работы эластичных покрытий нажимных валиков вытяжного прибора прядильных машин ПМ-88-Л5, ПМ-88-Л8
Земсков Вячеслав Алексеевич
Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин на основе применения метода электроэрозионного синтеза покрытий

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net