Изоляция электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Классификация изоляции по назначению в электрической машине (ЭМ)

электроизоляционный провод обмотка

По назначению в ЭМ изоляцию можно разделить на следующие виды.

Корпусная изоляция -- отделяет проводники от магнитопровода (сердечника). Корпусная изоляция разделяется на высоковольтную, длительно работающую при напряженностях, превышающих напряженности начала частичных разрядов, и низковольтную.

Изоляция межфазовых зон и соединений обмотки -- разделяет различные фазы и концевые элементы обмотки фазы, находящиеся в работе под разными потенциалами.

Витковая изоляция -- разделяет витки в одной секции или катушке обмотки.

Изоляция элементарных проводников -- разделяет проводники в одном витке или в стержне (одновитковая катушка) обмотки.

Кроме того к элементам электроизоляционных конструкций относятся полупроводящие покрытия. В различных типах ЭМ могут использоваться все указанные виды изоляции или часть из них.

Рассмотрим применение изоляции в основных типах ЭМ.

Мощные турбо- и гидрогенераторы, синхронные компенсаторы. Номинальное напряжение UH в этих машинах наиболее высокое -- 24 кВ в турбогенераторах и 18 кВ в гидрогенераторах. За рубежом применяется напряжение до 27 кВ.

Обмотка статора обычно стержневого типа. Она содержит корпусную, межфазовую изоляцию и изоляцию элементарных проводников. На рис. 1 представлено сечение пазовой части стержневой обмотки, на котором показаны основные элементы конструкции -- изолированные сплошные и полые элементарные проводники 1, 2; корпусная изоляция 4, полупроводящие покрытия на проводниках 7 и поверхности изоляции 5. На рис. 2 показано расположение изоляции межфазовых промежутков 1 и мест соединения обмотки 2.

Рис. 1

К корпусной изоляции предъявляются высокие требования по электрическим свойствам, особенно по долговечности и стойкости к различным нагрузкам.

Рис. 2

Конструктивно корпусная изоляция статорных обмоток в турбогенераторах и гидрогенераторах одинакова. Однако при равных номинальных напряжениях в турбогенераторах толщина изоляции на 10... 20% больше из-за повышенных требований к надежности мощных блоков с турбогенераторами.

Изоляция элементарных проводников должна выдерживать, главным образом, механические нагрузки при изготовлении. Особенное значение эта изоляция приобретает в машинах с форсированным (водяным) охлаждением, где имеются полые проводники. Замыкание между элементарными проводниками, происходящее вследствие повреждения изоляции, может привести к разрушению стенки проводника и попаданию воды в корпусную изоляцию. Изоляция элементарных проводников подвергается тепловому износу, частичным разрядам (в местах, примыкающих к корпусной изоляции), истиранию (в случае нарушения сцепления между проводниками).

Полупроводящие покрытия служат для выравнивания электрического поля в пазовой и лобовой частях обмотки (подробно рассматриваются в § 21).

Обмотка ротора. Номинальное напряжение обмотки ротора от 300 до 500 В, она содержит корпусную 1 и витковую 2 изоляцию (рис. 3), подвергающуюся в работе тепловым, механическим воздействиям, загрязнению и при длительных перерывах в работе -- увлажнению.

Рис. 3

Конструктивно обмотки ротора различаются. На рис. 3, а представлена катушка явнополюсного ротора (п = = 30... 100 об/мин) гидрогенератора, а на рис. 3,6 -- сечение паза неявнополюсного ротора (п = 1500...3000 об/мин) турбогенератора.

Асинхронные двигатели. Это широкий класс машин с номинальным напряжением от 220 В до 10 кВ и мощностью от десятков Вт до нескольких МВт. Конструктивно общим для них является применение в статоре катушечной обмотки, содержащей корпусную и витковую изоляцию. Однако в зависимости от напряжения и мощности исполнения изоляции обмоток сильно отличаются.

Изоляция статорных обмоток. Для статорных обмоток можно выделить два основных варианта исполнения:

а) всыпная обмотка с предварительным изолированием паза (Рн < 100 кВт). В этом случае различают корпусную

(или пазовую) изоляцию и витковую. Роль ВИТКОВОЙ изоляции во всыпной обмотке выполняет изоляция элементарного проводника;

б) катушечная (шаблонная) обмотка с полностью нанесенной на нее изоляцией (Рн > 100 кВт). Основные элементы изоляции этой обмотки: корпусная, витковая и изоляция элементарного проводника.

Основные воздействия: при UH < 660 В -- тепловые и механические; при UH > 3000 В добавляется электрическое старение под действием частичных разрядов (особенно в ЭМ с рабочей температурой 180° С).

Изоляция роторных обмоток. Фазные роторы асинхронных двигателей малой мощности имеют всыпную обмотку, изоляция их не отличается от аналогичной статорной обмотки сравнимой мощности. Роторные обмотки электродвигателей большой мощности выполняются стержневыми из неизолированной меди и имеют только корпусную изоляцию. Вследствие повышенных механических нагрузок на обмотку (скорость вращения ротора до 3000 об/мин) изоляция усиливается дополнительными прокладками на дно паза и под клин.

Машины постоянного тока.

Изоляция якорных обмоток. В машинах мощностью до 10 кВт применяется всыпная обмотка, изоляция не отличается от изоляции статорных всыпных обмоток.

В якорях машин большой мощности обмотки выполняются стержневыми, меньшей мощности -- катушечными. Изоляция так же, как в статорных обмотках, разделяется на корпусную, витковую и изоляцию элементарного провода.

В связи с повышенными механическими нагрузками на якорную обмотку (под действием центробежных сил) корпусная изоляция усиливается дополнительным изолированием паза. Основные воздействия на изоляцию тепловые и механические.

Изоляция коллектора состоит из межламельной и корпусной изоляции, отделяющей коллекторные пластины от нажимных деталей и вала якоря. Основные воздействия на изоляцию -- механические и тепловые.

Изоляция главных и дополнительных полюсов. В главных и дополнительных полюсах применяют обмотки катушечного типа. Изоляция их разделяется на корпусную (от полюса и сердечника) и витковую. Основные воздействия на изоляцию тепловые.

2. Тепловые воздействия на изоляцию и классы нагревостойкости

Математическое описание старения.

Классы нагревостойкости

Тепловое старение изоляции является следствием постепенного химического изменения входящих в ее состав органических веществ, например, пленок, волокон, связующих.

Скорость протекания химических процессов определяется кинетикой реакций, для теплового старения -- термической и термоокислительной деструкцией молекул, из которых состоит полимер (реакцией деструкции называют реакцию, протекающую с разрывом химической связи в главной цепи макромолекулы). Если обозначить Л0 -- начальное число молекул вещества в единице объема, a At-- число молекул через промежуток времени t, то скорость химических реакций в большинстве случаев может быть выражена формулой

(1)

где Kt -- средняя вероятность распада одной молекулы в единицу времени, определяющая скорость химических реакций.

Зависимость Kt от температуры подчиняется закону Аррениуса

(2)

где В -- постоянная, зависящая от структуры веществ, вступающих в реакцию; W -- энергия активации, k -- постоянная Больцмана.

Подставляя (2) в (1) и интегрируя, получаем

) (3)

где Т = 273+0; 0--испытательная температура.

Для удобства обозначим 1п(--1/5 In At/AQ) -- G, где G -- постоянная, зависящая от исходных свойств материала А0 и задаваемого условиями испытаний предельного уровня деградации At. На основании зависимости In t = G 4- W/kT определяется время выхода из строя электроизоляционного материала или системы изоляции. Обычно представляет интерес оценка изменения срока службы изоляции t при изменении температуры в сравнительно узком диапазоне (порядка десятков градусов). В этом случае достаточную для такой оценки точность дает более удобное для расчетов выражение (так называемое правило Монтзингера)

(4)

где А и А0 -- постоянные.

Как следует из этого выражения, при изменении температуры изоляции на Л0 срок службы ее меняется вдвое. Величина Л0 зависит от состава изоляции, качества ее изготовления, степени предшествующего старения и других факторов. Экспериментально установлено, что постоянная Д0 лежит в пределах от 8 до 20° С. Для расчетов часто используют значение Л0=1О°С. Системы изоляции, у которых при одинаковых сроках службы значения рабочих температур отличаются не более, чем на 5° С, объединяют в один класс. В существующей классификации изоляции по нагревостойкости согласно [14] нормируются предельные температуры, установленные из условий работы изоляционных материалов в воздушной среде.

Необходимо подчеркнуть, что в табл. 1 приведены предельные температуры для систем изоляции, а не отдельных ее компонентов и материалов, которые сами по себе могут иметь очень сильно различающиеся температурные индексы.

Таблица 1

Класс нагревостойкости	У	А	Е	В	F	Н	С
Максимально допустимая температура при длительной эксплуатации, °С	90	105	120	130	155	180	>180

Например, микалентная компаундированная изоляция на- гревостойкостью класса А содержит щепаную слюду, тепловая деградация которой происходит при температуре выше 500° С, и связующее битум, размягчающееся при 100° С. Из этого примера следует, что нельзя судить о классе нагревостойкости конструкции, состоящей из разнородных материалов, по характеристикам компоненты. Применение высоконагревостойкого наполнителя при менее нагревостойком связующем может повысить класс изоляции по отношению к связующему.

Для электрических машин, не имеющих системы водяного охлаждения обмотки, главной причиной выхода из строя изоляции являются тепловые воздействия. Поэтому повышение класса нагревостойкости изоляции, например за счет внедрения полимерных материалов на основе ароматического полиамида (фенилона), полиамида, полиамидимида и др. (нагревостойкость их 220° С и выше), позволяет повысить эксплуатационную надежность, мощность машины.

Для крупных электрических машин применяется изоляция классов В и F, т. е. с предельно допускаемыми температурами 130 и 155° С. Поэтому в эксплуатации предельные температуры активных и конструктивных частей генератора, соприкасающихся с изоляцией, не должны превышать этих значений (ГОСТ 533--76). Температура обмотки в эксплуатации контролируется с помощью датчиков температуры, термометров сопротивления, установленных на активную сталь генератора и изоляцию в предполагаемых наиболее нагретых точках. У генераторов с водяным охлаждением температура практически поддерживается на уровне значительно ниже допустимого по ГОСТу. Определяющей в этом случае является температура воды, выходящей из обмотки, обычно эта температура не должна превышать 85° С.

3. Процесс и признаки теплового старения

В процессе теплового старения в изоляции происходят химические и физические изменения. Во-первых, длительное действие температуры и взаимодействие изоляции с кислородом воздуха вызывают усадку изоляции или появление в ней пор и трещин. При термоокислительных процессах может произойти и дополнительная сшивка молекул полимеров, приводящая к увеличению жесткости, появлению хрупкости. Во-вторых, возможен и обратный процесс -- химическое разложение (деполимеризация) под действием температуры, при этом материал может размягчаться выделять летучие продукты, разрушающие соприкасающиеся с ним другие компоненты.

Физические изменения в системах изоляции, обусловленные процессом теплового старения, зависят от ее состава и конструктивного исполнения обмотки. Удобно их рассмотреть на примерах изоляции всыпной катушечной, шаблонной и стержневой обмоток.

Изоляция всыпных обмоток. Наиболее слабым элементом этой конструкции оказывается витковая изоляция» представляющая собой два слоя изоляции обмоточного„провода (соприкасающиеся витки), соединенных пропитывающим составом. В такой изоляции на границе раздела проводник-- полимер создается внутреннее напряжение авн, определяемое соотношением [1]

(S)

где ад, ам --ТКЛР полимера и металла соответственно; Јп- модуль упругости полимера; АТ -- разность между температурой -стеклования полимера Тс и наименьшей температурой обмотки в эксплуатационных условиях.

Выражение (5) справедливо для одноосного растяжения, возникающего в устройствах продолговатой формы, каким является и обмоточный провод. Внутреннее напряжение создается только в стеклообразном состоянии полимера, поэтому в (5) и входит АТ как различие низкой эксплуатационной температуры, например при перерывах в работе, и Тс.

Рис. 4

В процессе теплового старения из-за указанных выше химических процессов в полимерном материале изменяются его физические параметры (увеличиваются Тс и снижается ап), что приводит в целом к возрастанию авн, особенно в начальный период старения. Кривую изменения ствн в процессе теплового старения полимерного материала можно условно разделить на две области (рис. 4). Первая (до 1000 ч) характеризуется быстрым нарастанием напряжении, во второй (свыше 1000 ч) рост напряжений замедляется, так как модуль упругости, температура стеклования и TKJIP стабилизируются.

Внутренние напряжения влияют на стойкость материала к растрескиванию: Полимер растрескивается в том случае, когда внутренние напряжения сигма-вн и прочность 0р становятся соизмеримыми. Относительное сближение этих величин может происходить как в результате повышения сигма-вн, так и в результате снижения стР. Приведенные на рис. 4 зависимости авн, ар от времени старения даны для широко используемого в электрических машинах пропиточного лака МЛ-92 (меламинглифталевого).

4. Изоляция катушечных и стержневых обмоток крупных машин

Неорганические компоненты изоляции -- слюда, слюдинит, слюдопласт, стеклоткань, при рабочих температурах генератора практически не претерпевают каких-либо химических изменений, т. е. не старятся.

В термореактивной изоляции (ТРИ), состоящей из слюдинита, стеклоткани и эпоксидной смолы, старится связующее-- термореактивная смола, ее деполимеризация приводит к повышению хрупкости -- ухудшению механических свойств изоляции в целом.

В микалентной компаундированной изоляции (МКИ), состоящей из листов слюды, бумажной подложки и битумного лака, также старятся органические компоненты -- бумажная подложка и битум, при этом подложка становится хрупкой, постепенно происходит ее химическое и механическое разрушение. Битумно-масляный лак, входящий в состав микаленты, и битумный компаунд, которым она пропитывается при компаундировке (пропитке и опрессовке), при старении становятся из вязких также хрупкими, частично улетучиваются, при механических воздействиях крошатся. В результате этого ослабляется связь как между слоями микаленты, так и между листками слюды в слое, изоляция легко расслаивается. При длительном_ нагреве микалентной изоляции параллельно с химическими процессами идет также процесс так называемого «распухания», имеющий в своей основе механические явления. С повышением температуры резко ухудшаются механические свойства лака и компаунда (они размягчаются), вследствие чего листки слюды, согнутые на углах сечения стержня, имеют возможность несколько распрямляться, тем самым увеличивать радиус закругления изоляции на углах стержня. При этом в меньшей степени распрямляются внутренние слои, испытывающие давление внешних слоев, в большей степени -- внешние слои, сдерживаемые лишь вязкостью связующего и покровной лентой.

Рис. 5

В результате описанного процесса сечение изолированного стержня принимает бочкообразную форму, между слоями изоляции, по-разному изогнутыми, появляются или увеличиваются воздушные прослойки, появляется или увеличивается зазор между внутренним слоем изоляции и поверхностью проводников стержня.

На рис. 5 представлено схематическое изображение сечения микалентной изоляции до распухания (а) и после распухания (б). Распухание особенно сильно проявляется в местах, где ему ничто не препятствует, -- в лобовых частях (включая место выхода из паза); в пазовой части оно ограничено размерами паза. Таким образом, состаренное состояние МКИ характеризуется следующими признаками:

изоляция утолщена в лобовых частях, на выходе из паза и в вентиляционных каналах статора (выпучивание изоляции в канал);

снятая со стержня изоляция расщепляется по слоям намотки микаленты;

снятая со стержня изоляция распадается на отдельные листки слюды (при очень сильной степени старения), бумажная подложка практически отсутствует, связующее осыпается;

понижается содержание связующего и повышается содержание воздушных включений.

Возможны другие условия теплового старения изоляции, например, сравнительно кратковременное действие температур, существенно превышающих допустимые рабочие температуры. Такие условия возникают, как правило, при местных перегревах в машине: местном перегреве активной стали, замыкании ряда элементарных проводников в -пазовой части обмотки, изломе проводника со случайным контактом в месте излома, перегреве стержня из-за закупорки недопустимого числа полых проводников в генераторе с водяным охлаждением обмотки и т. п.

Относительно теплового старения изоляции можно сделать следующие выводы.

Для изоляции низковольтных машин тепловое старение является определяющим. Для экспериментальной оценки долговечности проводится циклическое тепловое старение с периодическим воздействием механических нагрузок и влаги.

Тепловое старение играет существенную роль для изоляции крупных машин и гидрогенераторов с воздушным охлаждением, особенно для МКИ. В этом случае старение может быть определяющим для срока службы изоляции,, особенно, если фактическая температура близка к предельно допустимой.

Для обмоток гидрогенераторов с МКИ срок службы составляет около 20 лет, а в отдельных случаях требовалась замена обмотки через 8... 12 лет эксплуатации. При переходе к ТРИ расчетный срок службы обмотки увеличен до 40 лет.

Для генераторов с водородным охлаждением обмотки процесс теплового старения изоляции резко замедляется, хотя возможно проявление термомеханических явлений в машинах с маневренным режимом работы.

У генераторов с водяным охлаждением заметное тепловое старение отсутствует.

5. Действие электрического поля

Опасными для изоляции в рабочих условиях являются частичные разряды (ч. р.), образующиеся как внутри, так и на внешней поверхности изоляции под действием электрического поля. При этом ч. р. действуют в зоне сердечника (пазовая часть) и в месте выхода обмотки из паза (краевая засть).

«Пазовые» разряды

Для понимания условий возникновения поверхностных ч. р. в пазовой части рассмотрим конструкцию обмотки в пазу. Очевидно, что пазовая часть секции (катушки или стержня) должна устанавливаться в паз сердечника свободно, и это условие, а также неровность и разброс в размерах паза сердечника и секции определяют существование некоторого зазора (не более 1 мм) между поверхностью изоляции я сердечником. Образуется двуслоная система изоляция -- воздух, и легко показать, что в такой системе пробой воздушной компоненты (промежуток изоляция -- сердечник) произойдет при напряжении, меньшем рабочего. Возникающие при этом интенсивные ч. р. и создаваемые ими продукты-окислители (озон, окислы азота) воздействуют на поверхность изоляции и элементы крепления обмотки, что ослабляет крепление секции способствует образованию и усилению вибрации ее в пазу. Поэтому для устранения этих явлений на пазовую часть обмоток электрических машин на напряжение 6 кВ и выше накладывают полупроводящий (п.п.) слой низкого сопротивления рп. Теперь напряжение на воздушном промежутке (вгт1.), определявшееся ранее соотношением емкостей в. п. и изоляции, резко понизилось и зависит от расстояния между точками контакта 1К, р„ и емкости изоляции Си:

Выражение (6) получено из уравнения R -- С линии [2]. С помощью (6) легко убедиться, что, применяя п. п. слой с fin <1 10s Ом, достаточно обеспечить один контакт на метр длины секции чтобы понизить вп до безопасного уровня -- минимального пробивного напряжения воздуха (минимум кривой Пашена), равного приблизительно 230 В. В старой системе изоляции (МКИ) некоторое разбухание изоляции при рабочей температуре обеспечивало необходимые контакты, и такая система эффективно применялась в течение почти 40 лет.

Однако переход на более надежную и высокоиспользуемую термореактивную изоляцию, не разбухающую при повышенной температуре, потребовал новых решений. Случайные контакты, образующиеся из-за некоторого искривления формы секций, оказались недостаточными, они быстро нарушались даже при небольшой вибрации, происходил разрыв проходящего через контакты емкостного тока, что в свою очередь ускоряло эрозию п. п. покрытия в этих местах и приводило в конце концов к образованию очень мощных ч. р. в виде микродугового разряда. Это явление, получившее название «пазового разряда», потребовало пересмотра конструкции пазового крепления, создания систем с постоянно действующими упругими контактами. Сейчас проблема «пазового разряда» практически решена, и это явление может встретиться только в некоторых давно изготовленных или неправильно сконструированных машинах.

Факторы, усиливающие действие электрического поля

Старение изоляции может существенно ускоряться, если одновременно с электрическим полем на изоляцию воздействуют другие факторы -- температура, механические напряжения, увлажнение.

Температура. Если газовые включения имеют связь с атмосферой, то повышение температуры приводит к снижению плотности воздуха б(Т)/6(Т0)-- Т0/Т что в соответствии с кривой Пашена снижает (/впр. Поэтому повышение температуры приводит к увеличению интенсивности внутренних и краевых ч. р.

В системе изоляции на основе полимерных материалов без слюдяного барьера происходит существенное снижение долговечности при комбинированном воздействии электрического поля и нагрева. В то же время для некоторых слюдосодержащих систем изоляции с термореактивным связующим установлено, что повышение температуры до рабочего уровня не ускоряет ее электрическое старение.

Механические напряжения. Воздействие электрического поля, в частности ч. р., приводит к разрыву связей между молекулами, т. е. такому же эффекту, как и длительные механические нагрузки. К ним следует отнести и термические внутренние напряжения, возникающие между элементами обмотки, связанными адгезионными силами, например, эмалированный провод -- пропиточный состав. Уравнение долговечности в этом случае имеет вид [11]

Увлажнение. В большинстве случаев электрические машины работают в газовой среде при повышенной температуре, что исключает одновременное действие электрического поля и влажности. Однако для некоторых специальных задач используются машины, погруженные в воду (насосы, подводные механизмы). Для таких машин используются полимерные материалы, в которых так же, как и в погружных кабелях, возможно возникновение и развитие древовидных образований (водных дендритов). Срок жизни при этом резко сокращается и до настоящего времени не установлено какого-либо порогового значения напряжения, подобного напряжению начала ч. р., ниже которого прекращается старение.

6. 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 разрядниками 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

где 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.

7. Механические воздействия на изоляцию

Воздействия в процессе изготовления и монтажа обмотки

Изоляция так же, как и конструкционные материалы, не должна подвергаться механическим напряжениям а или деформациям е, превышающим предельно допустимые. Критерием при нахождении этих пределов обычно является электрическая прочность, поскольку потеря электрической прочности, кратковременной или длительной, под действием механического напряжения может происходить существенно раньше, чем разрушение материала.

В связи со сложностью определения предельных значений о для разных видов нагрузок (изгиб, кручение, сжатие, растяжение) в практике используется предельная величина деформации екр (обычно изгиба или растяжения), поскольку ее проще установить экспериментально в широком диапазоне температур. Одним из наиболее распространенных способов оценки еКр является определение «критического прогиба», приводящего к электрическому пробою изоляции, подробное описание которого приведено в § 9.

Для жестких систем изоляции, например слюдотерм, используемых в стержневых обмотках, екр=10--3. Для изоляции катушечных обмоток при повышенной температуре еКр в 2--3 раза больше. Перечислим технологические операции, в процессе которых возможно появление опасных деформаций.

Корпусная изоляция.

а) Хранение и транспортировка. При хранении возможны изгибающие усилия в лобовых частях, такие же нагрузки возможны в пазовой и лобовой частях стержня при неправильной транспортировке.

б) Укладка обмотки. В стержневой обмотке при соединении наконечников стержней верхнего и нижнего рядов обмотки лобовые части могут подвергаться изгибу и кручению.

Предельные допустимые отклонения расстояний между наконечниками1 х и у (рис. 13) определяются из расчета, чтобы вызываемая совмещением наконечников относительная деформация не превышала екр- В катушечной обмотке операция подъема шага для укладки последних катушек и отклонение геометрической формы катушки от чертежной :могут привести к значительным изгибам и кручениям в зоне вылета и в пазовой части.

Это определяет особые технологические требования к изоляции -- в нагретом состоянии она должна выдерживать (сохранять электрическую прочность) деформации, в несколько раз большие, чем изоляция стержней, сохраняя свою монолитность и адгезию к проводникам.

Рис. 13

в) Заклиновка в пазовой части. Для всех видов обмоток особую опасность представляют сжимающие усилия, действующие на узкие грани стержня (катушки) при его заклиновке. Опыт показал, что такая нагрузка чаще всего приводит к повреждению изоляции верхней (подклиновой) грани, а при неровности сердечника может повреждаться нижняя грань нижнего стержня,- Резкое снижение электрической прочности при сжатии стержня начинается при относительно больших нагрузках-- около 15 МПа, однако из-за неровности стержней, клиньев и прокладок такие и даже большие напряжения могут возникнуть при гораздо меньшей средней нагрузке.

г) Технологические напряжения. Образование изоляции как элемента в конструкции готового стержня происходит во время полимеризации -- отверждения связующего при повышенной температуре Готв= (140 ... 170° С). При последующем охлаждении из-за различия коэффициентов расширения меди и изоляции (ам>аи) в последней возникают сжимающие напряжения, направленные вдоль изоляции Си = ЕИ(Т0ГВ -- Г0)(ам -- аи). Эти напряжения могут привести к, нарушению монолитности стержня -- отслоению изоляции от проводников.

д) Структурные дефекты. В композиционной структуре многослойной высоковольтной изоляции компонентой, определяющей электрическую прочность, являются слои слюдо- бумаги -- слюдинита или слюдопласта. Если в процессе изготовления ленты происходит нарушение сплошности слюдобумаги (разрывы, складки и т. п.), прочность изоляции резко понижается. Такие дефекты, называемые структурными, образуются при нарушении параметров технологического процесса -- плотности намотки ленты, температуры опрессовки и выпечки, неравномерности подачи давления и др. К структурным дефектам может быть отнесено обеднение изоляции связующим, приводящее к резкому усилению внутренних ч. р., которое может быть вызвано перепрессовкой изоляции или недостаточной ее пропиткой.

Витковая изоляция. Формовка катушек (переход из дисковой в шаблонную форму), опрессовка и укладочные операции вызывают растягивающие и сжимающие деформации витковой изоляции и могут привести к резкому снижению ее электрической прочности. Хотя рабочее напряжение на витке обычно ниже минимума кривой Пашена (320 Bmax) и, следовательно, даже сквозной дефект -- отверстие не пробивается при Uраб, тем не менее повреждение витковой изоляции может привести к ее пробою при перенапряжениях.

Воздействия в процессе эксплуатации

Электродинамические усилия. Взаимодействие тока в стержне (секции) обмотки с пронизывающим его магнитным потоком создает усилие, пульсирующее с частотой 100 Гц. Для пазовой части, где действует в основном поток рассеяния, номинальное усилие определяется формулой

(И)

где I -- сила тока в стержне, А; ЬП -- ширина паза, м; F -- усилие на единицу длины, Н/м; F сравнительно невелико (не выше 100+3 Н/м у генераторов с косвенным охлаждением и 4* 103 Н/м у генераторов с водяным охлаждением обмотки) и не может вызвать прямого механического повреждения изоляции. Однако при неудачной конструкции или исполнении крепления стержней именно эти силы приводят к вибрации и очень тяжелым повреждениям -- пазовым разрядам (§ 3), нарушению герметичности полых проводников и увлажнению и, наконец, истиранию изоляции. Усилия резко возрастают (на 1--2 порядка) при коротких замыканиях, но и в этом случае ударная прочность изоляции обычно значительно выше максимальной импульсной силы и повреждения изоляции и обмотки происходят только при нарушении ее крепления.

Термомеханические напряжения (т. м. н.) возникают вследствие тепловых перемещений проводников (меди) изоляции и сердечника и зависят от различия их температурных коэффициентов линейного расширения и температур.

Для наиболее часто встречающихся условий -- слабой связи между изоляцией и статором и относительно малого модуля упругости изоляции (Ен С Е„) для оценки линейных деформаций можно использовать формулу



(12)

где ам=1,6*10“5 и аи=1,2-10~5-- коэффициенты линейного расширения меди и изоляции;Тм~ 130° С и Тп~ 100°С -- максимальные температуры меди и внешнего слоя изоляции; Т0 -- температура окружающей среды. Оценка по формуле (12) показывает, что вызываемая т. м. н. деформация ен < 1*10-3, т. е. не достигает разрушающего изоляцию уровня. Однако для машин, работающих в маневренных режимах с большим числом пусков, например гидрогенераторов, эти напряжения приобретают циклический характер и могут вызывать постепенное разрушение. Особенно опасны т. м. н. для термопластичной изоляции, у которой возможно появление остаточной деформации при рабочей температуре. Повреждения, вызванные т. м. н., явились одной из основных причин замены битумного связующего в изоляции на термореактивное.

Если между сердечником и поверхностью изоляции образуется хорошая адгезия, как это может произойти в системе изоляции, пропитываемой вместе с сердечником, то большая часть общего удлинения проводников в пазу воспринимается изоляцией в зоне вылета обмотки, деформация изоляции, зависящая в этом случае от соотношения длин вылета и пазовой части, может достичь критических значений. § 6. Воздействие влажности

Исключая некоторые случаи специального применения, изоляция электрических машин во время работы не увлажняется, поскольку температура ее на несколько десятков градусов выше, чем температура окружающей среды. Поэтому изоляция обычно бывает не рассчитана на длительное увлажнение в рабочих условиях, и требования к влагостойкости ограничиваются условиями хранения.

В условиях длительной транспортировки и хранения при колебаниях температуры влагопоглощение воздуха может достигнуть насыщения, возможно, выпадения росы. Таким образом, будет происходить как объемное поглощение влаги, определяемое процессами молекулярной и капиллярной диффузии, так и поверхностное увлажнение, зависящее от гидрофильности изоляции. Наиболее опасным является второе, так как поверхностная влага может располагаться в виде каналов и мостиков между разнопотенциальными элементами обмотки, через которые под действием рабочего напряжения может пойти ток, обугливающий поверхность изоляции (трекинг).

Особые случаи внутреннего увлажнения возможны в машинах с водяным охлаждением обмотки при нарушении герметичности полых проводников. Протечки, как правило, возникают в концевой части в местах соединений обмотки, и увлажнению подвергается межфазовая изоляция. В генераторах, эксплуатируемых при давлении водорода, превышающем давление воды, опасными являются режимы остановки генератора, когда после выпуска водорода возможно в течение некоторого времени существование давления воды в обмотке. В турбогенераторах с водяным охлаждением, работающих в воздушной среде, принимаются меры по глубокой осушке воздуха (вымораживанию влаги) и контролю его влажности, что резко снижает опасность увлажнения изоляции при небольших протечках. Таким образом, для предотвращения пробоя изоляции от увлажнения необходимо оценить ее состояние с учетом условий эксплуатации.

8. Определение нагревостойкости электроизоляционных материалов и конструкций

При рассмотрении нагревостойкости используются следующие термины и понятия, отраженные в отечественных и международных стандартах [14].

Нагревостойкость -- способность электрической изоляции (ЭИ) выдерживать воздействие повышенной температуры определенного уровня (класса) в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без ее недопустимого ухудшения.

Конструкция электрической изоляции (КЭИ) -- совокупность обработанных и заранее изготовленных электроизоляционных материалов (ЭИМ) или материал, рассматриваемый в сочетании с присоединенными проводящими частями, предназначенные для использования в конкретных типах или частях изделий. Ресурс ЭИМ -- время или другая количественная характеристика длительности воздействия испытательных условий, в результате которого контролируемый параметр ЭИМ достигнет предельного уровня («конечная точка»).

Оценка нагревостойкости ЭИМ и систем ЭИ является основной задачей при разработке и внедрении новых материалов и КЭИ. Так как одни и те же материалы могут иметь различное применение (как по конструктивным и технологическим, так и по эксплуатационным условиям), то практически в разных изоляционных конструкциях один и тот же материал может работать при разных предельно допустимых температурах. Например, полиэтилентерефталатная пленка (лавсан), имеющая нагревостойкость 130° С, в системах изоляции, содержащих слюду или слюдинит и эпоксидно-полиэфирное связующее, может надежно работать при 155° С. Поэтому понятие «класса нагревостойкости» (КН) (см. § 2) оставлено только для конструкций ЭИ, а для материалов введен термин «Температурный индекс» (ТИ), представляющий собой температуру, при которой материал имеет средний ресурс 20 000 ч. ТИ и КН определяют по экспериментально найденной зависимости времени жизни от температуры. КН систем изоляции и ТИ материалов определяют ускоренно, проводя функциональные испытания не менее чем при трех значениях температуры, превышающих температуру эксплуатации.

Рассмотрим подробнее этапы таких испытаний,

а) Выбор испытательных температур и длительности теплового воздействия. Обозначим: 0О -- температура, соответствующая предполагаемому КН или ТИ (°С); 0ь 02. 0з-- испытательные температуры, причем 0i = 90 + Лв; 02 = = 0i + АО; 0з = 02-f А6, где Д6 = (8 ... 20)°С (такой широкий диапазон ДО обусловлен различием химического и структурного состава материала и системы изоляции).

В табл. 2 приведены значения изменений температуры Д0, при которых срок службы меняется вдвое.

На каждом уровне 0 проводится непрерывное или циклическое старение. При этом общее максимальное время старения tb на каждом уровне 0 устанавливается таким, чтобы оно соответствовало ресурсу 20000 ч при 0О. Расчет tB производится с помощью приведенной в § 2 формулы (4). Если старение ведется циклически, т. е. после действия повышенной температуры 0, периодически образцы подвергаются другим воздействиям и испытаниям, например, контролю электрической или механической прочности, длительность цикла tо выбирается такой, чтобы Ј0 набиралось за восемь циклов.

Система изоляции	Д0, °С
Витковая изоляция статоров -- пропитанные эмалированные провода с поливинилформалевой, поливинилацеталевой, полиэфирной, полиэфиримидной ЭИ	10
Витковая ЭИ -- провода со стекловолокнистой изоляцией, склеенной алкидными или алкиднофенольными лаками	16
Стеклолакочулки и трубки на основе облученных полиолефинов и поливинилхлоридов	9
Пазовая ЭИ из композиционных материалов на основе поли- этилентерефталатной пленки, синтетических бумаг и стеклотканей	12
Пазовая и непрерывная изоляция из материалов на основе слюды и слюдяных бумаг	20

Для примера в табл. 3 приведены данные, показывающие связь между 0 и 0О, и продолжительность цикла t0 на каждом уровне 0.



б) Проведение функциональных испытаний (ФИ). Функциональность испытаний заключается в том, что кроме воздействия основного старящего фактора -- температуры, к испытуемому объекту кратковременно прилагают воздействия экстремального уровня, имеющие место в эксплуатации,-- механические, электрические, повышенную влажность. Уровень электрических воздействий должен соответствовать перенапряжениям, влажность--не менее 98% или условиям выпадения росы, механические усилия -- условиям к. з. или пусков.

в) Выбор критерия «конечной точки». Для оценки изменения материала или системы изоляции в процессе теплового старения необходимо выбрать контрольный критерий, в наибольшей степени выявляющий износ материала и образование в нем недопустимых для эксплуатации дефектов. К таким критериям относят пробивное напряжение, механическую прочность на растяжение или изгиб и т. д. Метод контроля и уровень критерия, называемого критерием конечной точки, должны быть выбраны исходя из реальных условий эксплуатации.



Рис. 14

Существуют два способа оценки критерия конечной точки: первый -- по изменению измеряемой величины относительно' ее значения в исходном состоянии -- позволяет сравнивать материалы, но не всегда дает возможность оценить степень их разрушения, второй -- по значению, выбранному в соответствии с требованиями эксплуатации и выявляющему разрушение материала. Однако исследования теплового старения ряда ЭИМ показали, что оценка КН и ТИ по изменению одного параметра, например по снижению пробивного напряжения до 50% значения от исходного уровня (критерий «конечной точки», рекомендуемый МЭК), может быть ошибочной, так как характер изменения Unp в процессе теплового старения для разных материалов сильно отличается.

Для примера на рис. 14 представлено сравнение двух материалов в процессе старения при 170° С: I -- слюдосодержащий материал (стеклослюдинит на эпоксидно-полиэфbрном связующем); 2 -- лавсановая пленка. Видно, что у материала на основе слюды первоначально резко снижается пробивное напряжение /7пр, а затем оно стабилизируется, и работоспособность материала сохраняется; у пленок Unp сначала медленно снижается, а затем резко падает. Если руководствоваться критерием UnP, получается, что лавсановая пленка имеет более высокий ТИ, чем слюдосодержащий материал, оценка же этих материалов в конструкции изоляции показывает, что нагревостойкость у 1-го материала 164° С, у 2-го 133° С. На этом примере видна сложность выбора критерия «конечной точки».

Для грамотного выбора ЭИМ в конструкции недостаточно иметь формальные данные об их ТИ. Необходимо учитывать не только температуру, но и весь комплекс эксплуатационных факторов, способствующих ускорению и выявлению теплового старения,-- электрическое поле, механические нагрузки, влажность. В некоторых случаях, например в среде водорода, возможно использование ЭИМ пониженного КН, если они дают существенные конструктивные или технологические преимущества.

г) Математическая обработка результатов испытаний [15]. Экспериментальные данные, полученные в результате теплового старения, представляют зависимость времени жизни от температуры вида In t = G -f- W/kT (§ 2).

Используем для оценки параметров зависимости /(1/Г) выражение у = а-\-Ьх, где у = In а = G\ b = W/k\ х = \/Т -- 1/(273 -f 0) (t -- ресурс, ч; 0--испытательная температура, °С) (рис. 15, где 1 -- линия регрессии, 2 -- доверительные границы регрессии ).

В основу методики обработки экспериментальных данных положен принцип регрессионного анализа. При этом предполагают, во-первых, что старение изоляции подчинено закону Аррениуса, т. е. логарифм срока жизни (во многих частных методиках принимается время до пробоя) является линейной функцией обратной величины абсолютной температуры как в диапазоне испытаний, так и в диапазоне экстраполяции, во-вторых, принимается, что срок жизни у имеет нормальное распределение во всем диапазоне линейности уравнения у{х).

Полученная экспериментально зависимость у(х) позволяет определить



Найденные таким путем значения ТИ для ЭИМ, как указывалось выше, не являются основанием для оценки класса нагревостойкости конструкций изоляции, выполненных из этих ЭИМ, а служат только справочными данными для выбора ЭИМ в конструкцию.

Принцип определения класса нагревостойкости тот же, что и оценки ТИ. Однако процедура исследования дополняется введением функциональных воздействий на систему изоляции в процессе старения. Так, в соответствии с [16] цикл старения включает вибрацию, воздействие влажности и электрические испытания. § 8. Оценка долговечности при электрическом старении

Электрическое старение под действием внутренних ч. р. является одним из определяющих факторов при выборе рабочей нагрузки электрических машин высокого напряжения. Пока еще отсутствуют точное физическое представление о механизме этого процесса и теоретические законы, связывающие долговечность с напряженностью электрического поля. Тем не менее экспериментально установлено, что в широком интервале напряженностей можно использовать степенной закон



(13)

Зависимость такого вида справедлива для широкого спектра материалов от однородных полимеров до сложных композиционных систем, и задача состоит в правильном, статистически достоверном, определении коэффициента А и показателя п.

Показатель п определяется видом изоляции и меняется от 2... 4 для пленочных полимеров до 10.. .15 для слюдосодержащих систем изоляции. Коэффициент А, также определяемый видом изоляции, зависит еще от размеров и качества исполнения образцов, он определяет статистическое распределение долговечности при неизменных условиях испытаний. Распределение А обычно описывается экстремальным законом Вейбулла, который в интегральной форме имеет вид

(14)

где /''(Л) -- вероятность достижения значения А, не большего, чем заданное; k определяется размерами, (3 -- неоднородностью (разбросом) образцов. Выразив А через t и Е и подставив в (14), получаем «совмещенный» закон старения, объединяющий статистическую и временную характеристики долговечности

(15)

Таким образом, для определения долговечности изоляции необходимо в общем случае спланировать опыты, позволяющие с заданной точностью найти коэффициенты к, п и р.

Путем несложных преобразований можно перейти к линейной зависимости функции вероятности от функций аргументов In t и In Е:

Из (17) следует, что для определения р необходимо экспериментально получить зависимость у(t) при Е = const (распределение долговечности), коэффициент наклона которой

а для нахождения п нужны по крайней мере два таких распределения, горизонтальное сечение которых

(Убо% = const) и дает(рис. 16, а).

Этот графический способ определения параметров степенного закона является наиболее простым. Для его применения в каждой точке Ек вычисляется вероятность Fk -- = mk/N-\-1 через порядковый (по нарастанию /) номер

Рис. 16

пробоя т и общее число образцов N, а прямые yk =

f (In tk) для разных Е строятся так, чтобы они были параллельными при минимальном отклонении от экспериментальных точек. Другим, аналитическим, способом является метод множественной корреляции (расчет линий регрессии), позволяющий не только найти оценки параметров степенного закона, но и определить их статистическую характеристику -- доверительный интервал.

В практике иногда оказывается удобнее проводить испытания при равномерно нарастающей напряженности Е = ДЛ так как это сокращает время испытаний и улучшает использование образцов (более прочные образцы испытываются при большей Ј и их всегда удается пробить). В этом случае у выражается через скорость увеличения напряженности Я, и достигнутую пробивную напряженность Еа'.

Полное определение параметров степенного закона является весьма трудоемким и дорогостоящим испытанием и производится только для отобранных в результате предварительных испытаний изоляционных систем.

В процессе изготовления обмотки на каждой технологической ступени производится контроль правильности ее выполнения. Контролируется ряд технологических параметров (температура, давление, время термообработки), но основным показателем качества являются электрические характеристики изоляции, так как они не только отражают общее состояние материала, определяемое технологическим процессом, но и выявляют разнообразные случайные повреждения, причины которых рассмотрены в § 5.

9. Испытания изоляции механическими нагрузками

Физико-механические характеристики

Как указывалось в § 5, длительные механические воздействия, за исключением вызванных тепловыми перемещениями, не достигают опасных уровней. Поэтому не проводятся испытания на длительное механическое старение, подобные электрическим и тепловым, а действие термомеханических напряжений из-за сложности их воспроизведения изучается .на специальных функциональных моделях (§ 10).

Изучается также совместное действие статических механических нагрузок и электрического поля. Испытательное устройство и характерные результаты исследования одного типа высоковольтной изоляции представлены на рис. 18, на котором даны зависимости Unp(t) при различной деформации: для 1 -- е = 0; 2-- е = 5 -10-4; 3 -- 8=1-10_3. Эти данные подтверждают опасность механических деформаций е « МО-3.

Для изоляции катушечных обмоток исследуется влияние вибрации, поскольку она существенна при пуске машины, и это воздействие обычно входит в программу комплексных испытаний (§ 11).

...