16

Лекция 11 надежность изоляции обмоток электрических машин

В процессе эксплуатации изоляция часто работает в тяжелых условиях внешних воздействий. Разрушение изоляции происходит в результате нагрева, механических усилий (вибрация, давление, удары и т. д.), влияния влаги, агрессивных сред и других факторов. В высоковольтных машинах существенное значение имеет воздействие электрического поля. Постепенное разрушение изоляции в эксплуатационных условиях или во время испытаний обычно завершается пробоем.

Электрическая прочность диэлектриков. Основным критерием работоспособности изоляции является пробивное напряжение U_пр. Различают три основных формы пробоя твердых однородных диэлектриков: тепловой, электрический и ионизационный.

Тепловой пробой диэлектрика происходит, когда нарушается стационарное тепловое состояние. В этом случае тепловыделение превышает теплоотдачу, происходит недопустимо высокий разогрев диэлектрика и наступает тепловое разрушение материала.

Пробивное напряжение при тепловом пробое связано с рядом факторов: частотой поля, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, напряжение теплового пробоя зависит от нагревостойкости материала.

Рис. Л11.1 Рис. Л.11.2

Органические диэлектрики имеют более низкие значения пробивного напряжения при тепловом пробое, чем неорганические вследствие их малой нагревостойкости.

Электрический пробой рассматривают при следующих условиях. В диэлектрике исключена возможность теплового пробоя, проводимость и диэлектрические потериtgмалы; материал диэлектрика химически стабилен, отсутствует ионизация газовых включений. Таким образом, электрический пробой характеризует вещество диэлектрика, связан с его структурой и мало зависит от внешних условий. Электрический пробой происходит в большинстве случаев при напряженности электрического поля 10⁶ –10⁷ В/см.

Ионизационный пробой связан с ионизационными процессами в газовых включениях изоляции. При ионизации газового включения происходит электронная и ионная бомбардировка твердого диэлектрика, соприкасающегося с газовыми включениями. По истечении некоторого времени, если интенсивность бомбардировки достаточна, наступает пробой ближайшего к газовому включению слоя твердого диэлектрика. Развитие этого процесса может привести к полному или частичному пробою твердого диэлектрика. Ионизационный пробой наиболее характерен для органической изоляции.

Зависимость пробивного напряжения от температуры для провода с изоляцией на основе полиэфирного лака (ПЭТВ) представлена на рис. Л11.1. На графике можно выделить участки электрического (1) и теплового (2) пробоя. На рис. Л11.2 показано снижение пробивного напряжения в процессе теплового старения диэлектриков.

Основы расчета долговечности изоляции.

Факторами, влияющими на срок службы изоляции электрических машин, являются

- температура обмотки;

- воздействие электрического поля;

- механические усилия;

- влияние влаги, агрессивных сред, запыленности и т. д.

Из перечисленных факторов во многих случаях доминирует температура и как следствие – тепловое старение изоляции.

Под нагревостойкостью понимают способность материала без существенного изменения характеристик выдерживать воздействие предельно допустимой для данного класса изоляции температуры в течение периода времени, соответствующего сроку службы машины. Нагревостойкость определяется скоростью старения изоляции в условиях повышенных температур.

Правило восьми градусов – превышение температуры  на каждые восемь градусов сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое. Аналитически это правило записывается в виде уравнения

(Л11.1)

где – срок службы изоляции при температуре, годы;  – температура нагрева изоляции, °С; Т_о – условный срок службы изоляции при =0 (T₀=6,22510⁴ лет при =7 лет и = 105 С); е – основание натурального логарифма.

Чем выше класс изоляции, тем медленнее происходит ее старение при данной температуре, поэтому для изоляции класса В величина составляет 10 ⁰С, для класса H – около 12°С.

Однако уравнение (Л.11.1) получено эмпирическим путем и им можно пользоваться только при ориентировочных расчетах. Более строгий подход к физике процессов старения изоляции заключается в применении к ним общих законов кинетики химических реакций. Вант Гоффом и Аррениусом было получено уравнение (названное их именами), которое представляет постоянную скорость протекания реакции как величину, определяющую относительное число эффективных столкновений частиц, завершающихся химическим взаимодействием

(Л11.2)

На практике для расчетов важно знать время , в течение которого изоляция достигает своего предельного состояния вследствие старения:

(Л11.3)

где С_о – начальная концентрация молекул; С – концентрация молекул в рассматриваемый момент; А – коэффициент; Е_а–энергия активации, Дж/моль; R = 8,317 – универсальная газовая постоянная, Дж/(градмоль); Q – абсолютная температура, К.

Если известен срок службы изоляции при температуре Q_i то можно определить срок службы при температуре по уравнению

(Л11.4)

Величины E_a, G и В=-Ea/R для изоляции различных классов определены экспериментально и приведены в табл. Л.11.1. Старение изоляции под действием электрического поля наблюдается в высоковольтных машинах с номинальным напряжением от 6 кВ и выше. В процессе эксплуатации изоляция электрических машин длительное время находится под рабочим напряжением и периодически испытывает воздействие повышенных напряжений при различных волновых явлениях и профилактических испытаниях. Влияние электрического поля на срок службы изоляции исследовано пока недостаточно.

Для оценки этого влияния можно пользоваться экспоненциальной зависимостью

(Л11.5)

где Е – напряженность электрического поля; А_е, m – коэффициенты, зависящие от свойств изоляционного материала.

Таблица Л11.1. Экспериментальные данные параметров, определяющих срок службы изоляции

Механические и термомеханические факторы, воздействующие на изоляцию, также в значительной мере влияют на срок службы. Термомеханические нагрузки возникают в результате периодического нагрева и охлаждения обмоток. Механические нагрузки являются следствием электродинамических сил, возникающих в машине, неуравновешенности вращающихся частей, магнитного тяжения, центробежных усилий, ударов и толчков со стороны привода или приводного механизма. Перечисленные усилия обычно имеют знакопеременный циклический характер, причем наиболее типичной является вибрация с частотой около 100 Гц. При переходных процессах амплитуды вибраций увеличиваются в десятки раз вследствие квадратичной зависимости электродинамических сил от тока.

Механические характеристики изоляции зависят от температуры, а именно: при нагревании предел прочности изоляции быстро снижается и одновременно изоляция становится более эластичной.

Особенно это относится к изоляционным конструкциям на основе термопластических компаундов. Например, предел прочности микалентной компаундированной изоляции при растяжении составляет 3340 Н/см² при 20°С и соответственно 344 Н/см2 при 100°С, т.е. снижается почти в 10 раз. При снижении температуры такая изоляция становится хрупкой. Механические характеристики изоляции на термореактивных связующих более стабильны.

Экспериментальные данные показывают, что повышенная вибрация сокращает срок службы изоляции в несколько раз. Старение изоляции низковольтных машин, работающих при умеренных температурах, вообще трудно объяснимо с позиции тепловых или электрических явлений. Здесь наиболее существенными причинами, приводящими к разрушению изоляции, являются механические нагрузки и воздействие окружающей среды. В изоляции, на которую воздействуют вибрацией, наблюдаются дефекты, близкие по своему характеру к изменениям в изоляции со значительной наработкой; осциллограммы электрического пробоя изоляции после вибрационного старения и после длительной эксплуатации также аналогичны. Все это свидетельствует об ускорении процесса старения изоляции.

Рассмотрим некоторые аналитические зависимости. Если преобладает процесс продавливания изоляции, то можно воспользоваться уравнением Р. Ходвинка для скорости продавливания пленки

(Л11.6)

где h – двусторонняя толщина изоляции провода; – коэффициент текучести полимерного изоляционного материала; – площадь сопротивления проводников; п – параметр, зависящий от температуры; F₁, F₂, F₃ – функции от п; k_f – усилие, Действующее в месте контакта проводов.

Время, за которое происходит полное продавливание, или долговечность , определяется

(Л11.7)

Аналитически срок службы изоляции по адгезии определяется по уравнению

(Л.11.8)

где ₀=10^I2 -10¹³ с – константа; U_o – энергия активации разрушения адгезионной связи, Дж/моль; – величина, зависящая отграничного слоя полимера, прилегающего к субстрату, и толщины пленки; – внутренние напряжения в полимере, МПа.

Серьезными факторами, влияющими на срок службы изоляции, являются влага и химически агрессивные среды. Влага проникает в изоляцию тогда, когда машина находится в нерабочем состоянии, особенно во время ее остывания. Малая вязкость и другие свойства воды способствуют ее проникновению в мельчайшие поры. Влага снижает сопротивление изоляции и ее электрическую прочность, создавая тем самым предпосылки для появления в изоляции токов утечки, частичных разрядов и других явлений, которые увеличивают вероятность пробоя. Пропитка не всегда предохраняет материал от увлажнения (все зависит от ее состава и технологии), а только уменьшает скорость поглощения влаги, так как пропиточные составы не проникают в микроскопические поры изоляции, куда легко проникает вода.

Вредное воздействие на изоляцию оказывают химически активные вещества, такие, как кислоты, щелочи и их ангидриды, находящиеся в окружающей среде. Изоляцию разрушают масла и пары растворителей. Пыль, содержащаяся в воздухе, оказывает на изоляцию абразивное действие и снижает сопротивление изоляция. При сильном загрязнении поверхности изоляции в высоковольтных машинах возможно возникновение поверхностного разряда.

Влияние на долговечность изоляции температуры, влажности и агрессивных сред оценивают по формуле:

(Л11.9)

где С – концентрация агрессивного агента; – относительная влажность; т, n – коэффициенты.

Итак, влияние влаги и агрессивных сред способствует ускорению и активизации процессов старения и последующего пробоя изоляции. В основе же разрушения изоляции лежат температурные и механические воздействия.