Изоляция электрических машин

При разработке новых видов изоляции и технологических вариантов исследуются физико-механические характеристики изоляции -- модуль упругости Еу и критические нагрузки (прочность, деформация) в рабочем диапазоне температуры, знание которых необходимо для обоснованного выбора конструкции крепления обмотки и технологии изготовления и укладки стержней (катушек).

У изоляции, как и у ряда других полимеров и композитов, наблюдается характерная зависимость модуля упругости и деформации от температуры.

Рис. 18

При определенной температуре, называемой фиктивной температурой стеклования Тс, происходит переход материала в другое физико-механическое состояние, называемое вязкоупругим, когда связи между макромолекулами ослабевают и под действием нагрузки становится возможным их перемещение, соизмеримое с деформацией самих молекул. Это значит, что при Т^ТС становится возможным значительное упругое течение материала. Очевидно, что это свойство определяется только поведением связующего в отвержденной изоляции, так как другие компоненты -- слюдобумага и тканые или пленочные подложки, например стеклоткань или лавсановая пленка, в рабочем диапазоне температур не изменяют свои механические характеристики.

В вязкоупругом состоянии резко понижается модуль, упругости Еу, появляется зависимая от времени высокоэластическая деформация. На рис. 19 приведена характерная временная диаграмма деформации при наложении неизменной во времени нагрузки и ее снятии, описываемая формулой

(19)

где т -- постоянная времени установления вязкоупругой составляющей (релаксации). Механической моделью установления деформации в таком материале является параллельное включение пружины и гидравлического демпфера (рис. 19,а) -- модель Фогта.

В практике часто встречаются случаи, когда материал или элемент конструкции подвергаются неизменной во времени деформации (термомеханическое удлинение стержня обмотки, имеющего изоляцию с малой, по сравнению с медью, жесткостью, заклиновка обмотки в пазах).

Рис. 19

Тогда применима модель последовательного соединения пружины и демпфера (Максвелла), описывающая постепенное ослабление напряжения-- релаксацию (рис. 19,6). Температуру стеклования можно определить из зависимости(рис. 20),

Рис. 20

как температуру, соответствующую середине интервала АЈу = Еу (20° С) -- Ј,у(100°С). Кривая 1 характерна для изоляции с явно выраженными вязкоупругими свойствами которой модуль Ју при повышении Т до 100...120° С снижается почти на порядок, а вязкоупругая составляющая деформации (кривая 1) имеет максимум при Тс.

Как правило, такое изменение механических характеристик изоляции с ростом температуры не влияет на долговечность и старение ее при повышенной температуре, а изоляция обладает характерными свойствами термореактивных систем, так как сохраняются все образовавшиеся при отверждении связи между молекулами. Однако в обмотке с изоляцией этого типа при рабочей температуре ослабляются упругие взаимодействия между элементами крепления, что учитывается в конструкции. Например, лобовые части стержней между собой скрепляются с помощью формующихся материалов и клеев холодного или горячего отверждения.

Важнейшим показателем, зависящим от температуры, является критическая деформация изоляции екр, при которой происходит ее разрушение. Наиболее распространен способ определения еКр, при котором пазовая часть катушки или стержня подвергается возрастающему изгибу при одновременном приложении неизменного напряжения и фиксируется прогиб fКр в момент пробоя. Для оценки изоляции обычно ограничиваются сравнением /Кр, не вычисляя е. «Жесткие» системы изоляции, характеризуемые кривой 2 (рис. 20), сохраняют не только жесткость при повышении температуры, но и малое /кр. Для релаксирующей изоляции характерно резкое увеличение fкр--в 2--3 раза при увеличении температуры до 70... 100° С. Это позволяет применять такую изоляцию для катушечных обмоток, при укладке которых происходит значительная деформация секций.

10. Контроль электрической прочности

Этот вид контроля осуществляется на всех стадиях изготовления обмотки.

При формовании стержней из отдельных (элементарных) проводников проверяется целостность изоляции между ними. Рабочее напряжение на этой изоляции не превышает нескольких вольт, но замыкание между проводниками весьма опасно, так как приводит к большим местным перегревам вплоть до плавления проводников. Для проверки отсутствия замыканий на каждый проводник относительно остальных подается через лампу накаливания напряжение 220 В.

Для катушечной обмотки важнейшей контрольной операцией является выявление замыканий между витками -- испытание витковой изоляции, которое производится путем кратковременного приложения импульсного напряжения. Это напряжение более чем на порядок превышает рабочее и близко к уровню перенапряжений (см. § 4). Например, для электродвигателей с UH -- 6 кВ рабочее витковое напряжение не превышает 100 В, а испытательное составляет 1500 В в зависимости от числа витков в катушке. Испытания витковой изоляции проводятся не менее трех раз:

после намотки и формовки катушки (до изолировки), испытательное напряжение составляет 1,5 кВ/виток для машин 6 кВ и 2,5 кВ/виток для машин 10 кВ;

после наложения изоляции и ее отверждения, испытательные напряжения те же;

после укладки катушек в сердечник, до электрического соединения схемы обмотки; испытательное напряжение в этом случае зависит от числа витков и обычно не превышает 1,0 кВ/виток.

Рис. 23

Первые два испытания производятся обычно индуктированным напряжением высокой частоты по схеме рис. 23, где wв -- катушка возбуждения; wи -- катушка индикаторная; мкА-- микроамперметр; В. Э. и Н.Э.-- вращающийся и неподвижный электроды; СД -- синхронный электродвигатель. Для третьего испытания используется приложенное импульсное напряжение, формируемое с помощью разрядника или тиратрона.

Испытания корпусной изоляции производятся после каждой технологической операции изготовления и сборки обмотки и в эксплуатации. Например, для мощных турбогидрогенераторов существует следующая последовательность испытаний постепенно снижающимся высоким напряжением;

1--после завершения изготовления изоляции стержня; 2 --после укладки нижнего ряда обмотки; 3 --после укладки верхнего ряда; 4 -- после выполнения электрических соединений, их изолировки и заклиновки стержней в пазах;

-- после полной сборки машины; б -- в процессе эксплуатации, через каждые 2...4 года.

Строго нормированным является испытание 5, в котором UK5 = 2Uн + (1 ... 3) кВ гарантирует импульсную прочность обмотки (см. § 4). Стабилен также уровень испытания 6, в котором- UНб = (1,5... 1,7) UH. Остальные ступени устанавливаются в зависимости от конструкции обмотки, используемых материалов, условий производства. Величина первого (максимального) испытательного напряжения обычно не превышает Uи1= (3...3,2)UH. Это испытание, во-первых, гарантирует определенный уровень (запас) электрической прочности, обеспечивающий необходимую долговечность в условиях постепенного старения изоляции в эксплуатации, во-вторых, контролирует технологический процесс, так как значимое увеличение числа пробоев (брака) является сигналом появления недопустимого отклонения в технологическом процессе или в оснастке.

Испытания 2--4 контролируют правильность сборочных операций, в особенности заклиновки. В зарубежной практике иногда вместо первого испытания всех стержней производят определение электрической прочности двух-трех стержней из каждого заказа.

Рис. 17

В предварительных испытаниях ограничиваются определением показателя п по данным о средней или 50% долговечности при сравнении материалов различной природы, а для сравнительной оценки различных технологических вариантов одной изоляционной системы иногда достаточно получить распределения сроков жизни при одинаковой напряженности. В качестве примера на рис. 17, а приведены кривые жизни однослойных материалов из полимеров (кривая 1 -- полиимидной пленки, п = 2,5... 3,5; 2-- фторопластовой пленки, д = 2,5...3,5) и слюдинитофолия (кривая 3, гг = 5...6), а на рис. 17,6 -- кривые распределения времени до пробоя технологических вариантов изоляции слюдотерм. При ускоренных испытаниях важен выбор диапазона Е такого, чтобы не произошло изменение механизма старения. Для однослойных материалов, например, существует пороговая величина Е* (рис. 17, а, б), превышение которой приводит к резкому ускорению старения.

Накоплен большой объем экспериментальных данных по электрическому старению различных материалов и конструкций, позволяющий сделать некоторые выводы относительно области их использования.

Полимерные материалы хотя и имеют очень высокие пробивные напряжения при малом времени старения (кратковременная прочность), являются относительно нестойкими к длительному действию ч. р. (л = 2...4). Напряжения в конструкциях с такой изоляцией должны выбираться такими, чтобы внутренние и поверхностные ч. р. в рабочих условиях (напряженность электрического поля, температура) отсутствовали. Наиболее достоверным путем проверки выполнения этого ограничения является моделирование изоляционной системы и определение характеристик ч. р. в зависимости от Е и Т.

Системы изоляции, содержащие слюдяной барьер, в том числе из слюдобумаги, имеют очень высокую устойчивость к внутренним и внешним ч. р. на уровне рабочих напряжений и могут длительно эксплуатироваться при наличии таких ч. р. Однако нарушение структуры барьера, вызванное технологическими причинами или эксплуатационными факторами, резко сокращает долговечность. Поэтому изменения состава и технологии должны проверяться испытаниями на электрическое старение. Предельные значения рабочих напряженностей могут быть определены только путем использования совмещенного закона электрического старения.

11. Электроизоляционные материалы и обмоточные провода

Все электроизоляционные материалы (ЭИМ), используемые в электрических машинах, можно разделить на три группы; обмоточные провода, пропиточные составы и композиционные материалы для витковой и корпусной изоляции.

12. Обмоточные провода

Обмоточные провода разделяются на три группы: с эмалевой изоляцией; с волокнистой или комбинированной эмалево-волокнистой изоляцией; с пленочной изоляцией.

Эмалированные провода

Наиболее распространенной группой обмоточных проводов являются эмалированные провода, которые имеют более тонкую изоляцию, что позволяет увеличить в электрических машинах коэффициент использования паза. К обмоточным проводам предъявляется ряд требований, контролируемых специальными испытаниями.

1 эластичность -- определяется способностью изоляции выдерживать нагрузку на растяжение вплоть до разрыва провода без повреждений в изоляции. Для проводов с относительно большим диаметром (более 0,4) эластичность проверяется способом навивки провода на стержень определенного (по стандарту для данного провода) диаметра, при этом в изоляции не должны возникать трещины.

Стойкость к тепловому удару-- оценивается способностью изоляции выдерживать быстрое изменение температуры при одновременном нагружении изоляции на изгиб (обмоточный провод навит в спираль определенного- диаметра).

Стойкость изоляции к истиранию и ее адгезия к проводнику.

Первая характеристика определяется на скребковом приборе путем истирания изоляции стальной иглой при ее возвратно-поступательном перемещении по поверхности изоляции. Подробно методика описана в [2]. Адгезия эмали к проводнику выявляется при испытаниях на растяжение провода.

Термопластичность изоляции -- это характеристика, определяемая только для эмалевой изоляции, представляет собой способность размягчаться при повышенных температурах.

5. Пробивное напряжение -- один из важнейших параметров, определяющих работоспособность проводов. Методика определения описана в [2].

Все перечисленные свойства изоляции обмоточных проводов обусловлены условиями изготовления самой обмотки (изгибами, натяжениями и т. д.) и эксплуатационными воздействиями. Например, определение стойкости к тепловому удару необходимо для оценки работоспособности изоляции в экстремальных условиях; требование стойкости изоляции к истиранию учитывает такие эксплуатационные воздействия, в результате которых проводники смещаются относительно друг друга; оценка термопластичности эмалевой изоляции позволяет исключить размягчение изоляции и как следствие этого -- замыкания витков обмотки; уровень пробивного напряжения изоляции обмоточных проводов в машинах со всыпной обмоткой определит их стойкость к коммутационным перенапряжениям.

Для производства эмалей используются смолы, сохраняющие в полимеризованном состоянии эластичность. Они перечислены в табл. 4, где приведены характеристики основных типов эмалированных проводов, используемых для обмоток электрических машин.

С поливинилацеталевой и полиэфирной изоляцией выпускаются также алюминиевые провода ПЭВА и ПЭТВА, их ТИ выше и составляет у ПЭВА--130° С, у ПЭТВА -- 155° С. Повышенная нагревостойкость объясняется большей пассивностью алюминия по отношению к изоляции по сравнению с медью в процессе теплового старения. По электрическим параметрам изоляции провода марки ПЭТВА и ПЭТВ равноценны, однако стойкость к истиранию у алюминиевых проводов ниже.

Для электродвигателей, намотка которых производится механизированным способом, применяются круглые провода марок ПЭТВМ, ПЭТМ с диаметром 0,25... 1,4 мм. Они имеют несколько большую толщину изоляции, повышенную механическую прочность и стойкость к тепловому удару. (Свойства обмоточных эмалированных проводов должны быть изучены по учебному пособию [13, с. 279--302].)

Исследование свойств представленных в этом разделе обмоточных проводов при длительном нагреве показало, что они сохраняют установленное значение пробивного напряжения (или другого параметра) в течение не менее 20 000 ч.

Примечания: 1. В перечисленных проводах проводником является медь.

2. С такой же эмалевой изоляцией выпускаются провода прямоугольного сечения -- ПЭВП, ПЭТВП и т. д. собой способность размягчаться при повышенных температурах.

Пробивное напряжение -- один из важнейших параметров, определяющих работоспособность проводов. Методика определения описана в [2].

Все перечисленные свойства изоляции обмоточных проводов обусловлены условиями изготовления самой обмотки (изгибами, натяжениями и т. д.) и эксплуатационными воздействиями. Например, определение стойкости к тепловому удару необходимо для оценки работоспособности изоляции в экстремальных условиях; требование стойкости изоляции к истиранию учитывает такие эксплуатационные воздействия, в результате которых проводники смещаются относительно друг друга; оценка термопластичности эмалевой изоляции позволяет исключить размягчение изоляции и как следствие этого -- замыкания витков обмотки; уровень пробивного напряжения изоляции обмоточных проводов в машинах со всыпной обмоткой определит их стойкость к коммутационным перенапряжениям.

Для производства эмалей используются смолы, сохраняющие в полимеризованном состоянии эластичность. Они перечислены в табл. 4, где приведены характеристики основных типов эмалированных проводов, используемых для обмоток электрических машин.

С поливинилацеталевой и полиэфирной изоляцией выпускаются также алюминиевые провода ПЭВА и ПЭТВА, их ТИ выше и составляет у ПЭВА--130° С, у ПЭТВА -- 155° С. Повышенная нагревостойкость объясняется большей пассивностью алюминия по отношению к изоляции по сравнению с медью в процессе теплового старения. По электрическим параметрам изоляции провода марки ПЭТВА и ПЭТВ равноценны, однако стойкость к истиранию у алюминиевых проводов ниже.

Для электродвигателей, намотка которых производится механизированным способом, применяются круглые провода марок ПЭТВМ, ПЭТМ с диаметром 0,25... 1,4 мм. Они имеют несколько большую толщину изоляции, повышенную механическую прочность и стойкость к тепловому удару. (Свойства обмоточных эмалированных проводов должны быть изучены по учебному пособию [13, с. 279--302].)

Исследование свойств представленных в этом разделе обмоточных проводов при длительном нагреве показало, что они сохраняют установленное значение пробивного напряжения (или другого параметра) в течение не менее 20 000 ч.

Примечания: 1. В перечисленных проводах проводником является медь.

2. С такой же эмалевой изоляцией выпускаются провода прямоугольного сечения -- ПЭВП, ПЭТВП и т. д.

Повышение ТИ изоляции обмоточных проводов достигается введением и увеличением в лакооснове числа ароматических и имидных групп, т. е. созданием циклоцепных полимеров с высокой симметричностью структуры.

Новые направления в разработке эмалированных проводов:

Лаки, используемые для производства эмалевой изоляции, представляют собой 18 ... 40%-ный раствор лакоосновы в растворителе. В связи с токсичностью растворителей возникают проблемы, связанные с необходимостью охраны окружающей среды. Для производства эмалированных проводов требуются специализированные помещения. В связи с повышающимися с каждым годом требованиями к защите окружающей среды проводились работы по созданию новых лаков с минимальной токсичностью. Так как токсичность эмаль-лаков в основном определяется растворителем, то наиболее перспективным является получение изоляционной пленки на проводнике без применения растворителей. В отечественной практике для производства эмаль-проводов без растворителей применяется полиэфирная смола ТС-1, имеющая следующую структурную формулу элементарного звена:

При применении этой смолы вязкотекучее состояние, необходимое для нанесения материала на проволоку, достигается не растворением пленкообразующего вещества, а его расплавлением. Полученные эмалированные провода по своим свойствам идентичны проводам с изоляцией на основе полиэфирных лаков типа ПЭ-943 или ПЭ-933. Вязкость, необходимая для нанесения смолы ТС-1 на проволоку, получается при нагревании до 180... 185° С.

Из расплава получены также эмали из полиэфиримидной смолы марки ПЭИ-25. Преимущества способа эмалирования из расплава на примерах полиэфиримидной смолы и полиэфиримидного лака, по данным фирмы «Д-р Бек» (Германия), представлены в табл. 5.

Вторым направлением снижения токсичности эмаль-лаков является создание лаковых систем с повышенным содержанием пленкообразующих веществ -- порядка 50%. Это достигается как применением специальных растворителей, так и модификацией рецептуры смолы, составляющей основу лака. В будущем возможно создание лаков, вообще не содержащих дефицитные и токсичные крезолы.

Таблица 5

Третье направление уменьшения токсичности -- создание водорастворимых полимеров, водных коллоидных систем и т. д. Нетоксичные составы в ряде случаев представляют собой водные дисперсии, в которых частицы смолы имеют размер до 3 мкм, либо коллоидные растворы, где размеры частиц основы значительно меньше (0,001...0,1 мкм). Применение таких составов требует тщательного контроля технологии и в ряде случаев приводит к снижению скорости эмалирования проволоки.

Провода с волокнистой и эмалево-волокнистой изоляцией

Для повышения электрической прочности и надежности изоляции проводов относительно больших сечений на них наносится волокнистая оплетка, скрепляемая пропиточным лаком. Оплетка выполняется из пряжи хлопчатобумажной (провода марки ПБД), шелковой (ПШО) или стеклянной (ПСД).

В электрических машинах наиболее широко используются провода со стекловолокнистой изоляцией, которые отличаются повышенной нагревостойкостью, электрической и механической прочностью и стойкостью к кратковременному превышению температуры. Основные марки проводов этого типа с указанием области применения представлены в табл. 6.

Таблица 6

Примечание. Индекс Т в марке провода означает, что для изоляции используется утоненное стекловолокно; индекс Л указывает на наличие на поверхности провода дополнительного слоя лака; П -- проводник полый (для машин с водяным охлаждением).

Изоляция проводов состоит из стеклянных нитей, наложенных двумя слоями с подклейкой и пропиткой соответствующие -лаком. Все провода, за исключением ПСДТ, ПСДТ-Л и ПСД, выпускаются как круглого, так и прямоугольного сечения. Провода ПСДТ и ПСДТ-Л -- только круглые, ПСДП -- только прямоугольный. Пробивное напряжение различных обмоточных проводов со стекловолкнистой изоляции мало отличается, и его минимальное значение находится в пределах 300... 600 В. Это объясняется тем, что пробой изоляции происходит по имеющимся воздушным промежуткам при приблизительно одинаковых толщинах изоляции.

Для создания более надежной изоляции обмоточных проводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (обмотки электроподвижного состава) или рассчитанных на большой ресурс (до 200 000 ч), изготавливаются комбинации из эмалевой и стекловолокнистой изоляции. К ним относится провод ПЭТВСД, предназначенный для длительной работы при 155° С. Диапазон диаметров круглых проводов 0,85... 2,5 мм, диапазоны сечений прямоугольных 2,5... ... 25,2 мм2. Двойная толщина изоляции провода составляет 0,35...0,47 мм. Пробивное напряжение изоляции не ниже 800...1000 В.

Обмоточные провода с пленочной изоляцией

Обмоточные провода с пленочной изоляцией используются в погружных двигателях, обмотки которых подвергаются воздействию жидкой среды.

Условия работы погружного электродвигателя в скважине небольшого диаметра (до 425 мм) определяют особенности его конструкции -- малый диаметр при большой длине, полностью закрытый паз. Подобная конструкция паза статора требует изготовления обмотки методом многократной протяжки провода, поэтому изоляция провода должна иметь высокую механическую прочность.

Один из первых типов обмоточных проводов для таких условий -- провод с комбинированной эмалевой и пленочноволокнистой изоляцией, использованный для обмоток с напряжением 1000...2000 В, ПЭТВПДЛ-3 и ПЭТВПДЛ-4. Изоляция этих проводов состоит из слоя полиэтилентерефталат- ной эмали, трех (четырех) слоев лавсановой пленки и двух слоев лавсановой нити с подклейкой и пропиткой полиэфирной смолой. Недостатком этих проводов являются низкая нагревостойкость, их температурный индекс-- 120° С. Провода типа ПЭТВПДЛ успешно заменяются нагревостойкими проводами со спеченной пленочной фторопластовой и поли- имидно-фторопластовой изоляцией, которые могут эксплуатироваться в водозаполненных электродвигателях на напряжение 380 В, работающих в среде воды и пластовой жидкости при температуре +180° С и давлении до 20 МПа. Некоторые марки нагревостойких обмоточных проводов для погруженных двигателей представлены в табл. 7.

Примечание. Аналогичные провода выпускаются прямоугольного сечения, например для якорных обмоток высоконагруженных машин постоянного тока (ППИП, ППИПК)

Из таких проводов изготавливаются шаблонные секции, выпечка которых производится при 300 ... 350° С. При этой температуре происходит расплавление слоя фторопласта на поверхности пленки, что обеспечивает оклейку проводников и влагозащиту конструкции. - Применение незащищённой полиимидной пленки в погружных машинах, где возможно проникновение воды в обмотку, недопустимо из-за низкой гидролитической стойкости полиимида.

Размещено на Allbest.ru