CC BY
81
УДК 621.3.048.81
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТООБРАЗОВАНИЯ И ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
С.С. Марьин, С.Н. Шуликин, И.Н. Шуликин
Томский политехнический университет E-mail: mss_tpu@mail.ru
Исследованы возможные причины разрушения межвитковой изоляции с использованием образцов имитирующих обмотку низковольтных электрических машин. Установлено влияние вязкости пропиточных составов МЛ-92 и КО-916К на уровень внутренних механических напряжений и скорость образования дефектов в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.
Ключевые слова:
Пропиточный состав, эмальпровод, дефектообразование, внутренние механические напряжения.
Key words:
Impregnating composition, enameled wire, formation of defects, internal mechanical pressure.
Введение
Надежность электротехнических устройств является необходимым условием эффективной работы различных автоматизированных систем, комплексов и оборудования, работающих в различных отраслях промышленности. Отказ большинства низковольтных электрических машин в процессе эксплуатации происходит в результате отказа системы изоляции обмоток [1].
Эксплуатационная надежность низковольтных систем электрической изоляции обмоток электрооборудования определяется в первую очередь их рабочей температурой и нагревостойкостью примененных электроизоляционных материалов, а также их электрической прочностью, влагостойкостью и механической прочностью.
Изменение свойств низковольтных систем электрической изоляции обмоток электрооборудования происходит под влиянием таких основных факторов как тепловые, электрические, механические нагрузки и воздействие окружающей среды [2-4]. Степень воздействия каждого из этих факторов на изоляционные системы различная. Наиболее слабым элементом системы изоляции электрической машины является витковая изоляция.
Выход из строя витковой изоляции обусловлен наличием в ней сквозных дефектов в пропиточном составе и эмалевой изоляции обмоточного провода, причем частота их появления возрастает по мере физического износа изоляции под действием эксплуатационных факторов. Следовательно, рост интенсивности отказов витковой изоляции обусловлен появлением в ней в процессе старения дефектов типа сквозных трещин, проходящих через пропиточный состав и два слоя эмальизоляции обмоточного провода двух соприкасающихся витков. Проблемой образования и роста трещины в полимерных материалах посвящено множество исследований, однако в них отсутствует информация о четкой взаимосвязи между изученными явлениями и реальной работой материалов в конкретном изделии.
Материалы и методика эксперимента
Для оценки скорости дефектообразования в межвитковой изоляции в качестве исследуемых материалов были выбраны обмоточные провода диаметром 1,0 мм с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ и ПЭТМ-180, а также пропиточные составы марок МЛ-92 и КО-916К с различной вязкостью (выбор данных пропиточных составов обосновывается классами нагревостойкости выбранных обмоточных проводов и хорошей с ними совместимостью).
Выявление причин разрушения межвитковой изоляции и оценки скорости дефектообразования проводилось с помощью двух методов - консольным, для оценки внутренних механических напряжений возникающих в пленки пропиточного состава, и методом, описанном в ОСТ16.0.800.821-88 для оценки скорости дефектообразования.
Для оценки внутренних механических напряжений возникающих в пленках пропиточных составов применен консольный метод, основанный на измерении отклонения от первоначального положения свободного конца консольно закрепленной упругой металлической пластины с полимерным покрытием под влиянием внутренних напряжений в покрытии, чувствительность метода составляет около 0,03 МПа [6].
При выборе геометрии образцов и технологии их изготовления были приняты во внимание следующие основные требования: учет масштабного фактора; в реальных конструкциях толщина пропиточного и заливочного материала находится в пределах 0,03...0,1 мм; поэтому толщина образцов для испытаний принята равной 0,1 мм; учет технологического фактора; в первую очередь технология запечки пропиточного состава.
Металлическая подложка представляла собой следующую конструкцию: две пластины из нержавеющей стали 1Х18Н9Т размером 0,08x0,015 м, толщиной 0,1 мм (пластина-подложка) и 1 мм (пластина-основание), соединенные точечной сваркой через стальную прокладку из нержавеющей стали размером 0,02x0,015 м, толщиной 1 мм.
В пластине-основании имелись четыре отверстия диаметром 10 мм для измерения толщины покрытия микрометром [7].
Для устранения статистической погрешности каждое измерение проводилось на пяти образцах. После сушки и в процессе теплового старения через интервалы времени в 100 ч образцы охлаждались до 20 °C. Возникающие в покрытии внутренние напряжения рассчитывались по величине отклонения свободного конца пластинки Ah:
AhEh-
G =----------------
ен 312 Ahê (hê +AhK )’
где Ah - отклонение пластины подложки от первоначального положения, м; Е - модуль упругости пластины (Е=1,96.105МПа); l, AhK - длина и толщина полимерного покрытия, м; hK - толщина пластины-подложки, м.
Результаты измерений представлены на рис. 1.
Оценка скорости дефектообразования проводилась на образцах, имитирующих низковольтную межвитковую изоляцию намоточного изделия.
Образцы представляли собой макеты, изготовленные из 50-и попарно связанных отрезков бездефектного обмоточного провода длиной 330 мм. Макеты пропитывались составом с различной величиной условной вязкости от 19 до 40 с по ВЗ-4. Пропитка макетов проводилась двукратно методом погружения. Режим сушки проводился в соответствии с нормативно-технической документацией на пропиточные составы [5]. После сушки и в процессе теплового старения в термошкафах конвекционного типа через интервалы времени в 100 ч макеты вынимались, охлаждались до 20 °C и исследовались испытательным напряжением. При исследовании учитывалось количество пар, пробитых испытательным напряжением. Испытания проводились на следующих сочетаниях: провод
ПЭТВ+МЛ-92, провод ПЭТМ-180+КО-916К. Результаты испытаний приведены в виде зависимостей скоростей дефектообразования Н от времени старения, рис. 2.
Результаты эксперимента
По результатам исследования внутренних механических напряжений в пропиточных составах установлено, что внутренние механические напряжения возникают в процессе отверждения составов. Кроме того, уровень этих напряжений постоянно растет с увеличением времени теплового старения. Этот процесс происходит за счет дополнительной сшивки макромолекул, непрореагировавших активных групп и двойных связей, а также структурирования, обусловленного термоокислительными процессами.
Плотность сшивки макромолекул возрастает, и усиливается физическое взаимодействие между межузловыми отрезками пространственной сетки. Все это приводит к повышению жесткости пропиточного состава и увеличению числа перенапряженных участков в объеме полимера.
С увеличением условной вязкости пропиточного состава внутренние механические напряжения также растут. Этот рост связан с уменьшением времени полимеризации пропиточного состава с большей вязкостью. При меньшей вязкости количество летучих веществ возрастает, следовательно, времени для их испарения требуется больше, а поскольку условия запечки для всех образцов одинаковы, то молекулярная структура полимера с меньшей вязкостью становится более упорядоченной, тем самым внутренние напряжения в такой структуре уменьшаются.
Чем выше начальная вязкость пропиточных составов, тем выше уровень внутренних механических напряжений, так как при большей вязкости, после отверждения остается больше сухого остатка, в объеме которого концентрируются данные напряжения.
На рис. 2 представлены зависимости изменения скорости дефектообразования от времени теплового старения для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов. Характер изменения скорости дефектообразования от времени старения и вязкости пропиточных со-
0 200 400 600 S00 1000 1200
а
G
200
400
б00
S00
Рис. 1. Изменение величин внутренних механических напряжений в пленке пропиточного состава МЛ-92 (а) КО-916К (б) от времени теплового старения и условной вязкости пропиточного состава по ВЗ-4:1) 19 с; 2) 40 с
Рис. 2. Изменение скорости дефектообразования от времени теплового старения для изоляционных систем с различной условной вязкостью пропиточных составов по ВЗ-4:1) 19, 2) 25, 3) 30, 4) 35, 5) 40 с
ставов для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов остается постоянным, т. е. с увеличением времени старения и вязкости пропиточного состава величина скорости дефектообразования так же увеличивается.
Процесс дефектообразования межвитковой изоляции начинается с растрескивания пропиточного состава под действием внутренних механических напряжений в его объеме, величина которых главным образом зависит от разницы в физикомеханических параметрах (модуля упругости, температурного коэффициента линейного расширения, адгезии) между ее компонентами.
Наибольшей скоростью дефектообразования среди исследованных композиций отмечено в системе ПЭТВ+МЛ-92. Для этого сочетания характерен высокий уровень внутренних механических напряжений.
При пропитке обмоточных проводов кремни-йорганическим составом КО-916К отмечено меньшее количество отказов. В этом пропиточном составе меньшая величина внутренних механических напряжений по сравнению с меламиноформальде-гидным составом.
При увеличении условной вязкости пропиточных составов ускоряются процессы дефектообра-зования, т. к. уровень внутренних механических напряжений также увеличивается.
Изменение условной вязкости пропиточных составов с 19 до 40 с по ВЗ-4 для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов увеличивает величину скорости дефекто-образования. Это связанно с низким уровнем внутренних механических напряжений в составах с меньшей вязкостью.
На основании данных, рис. 1, в диапазоне температур 20...145 °С определена энергия активации процесса образования внутренних механических напряжений для пропиточного состава МЛ-92, равная 0,35 эВ. Для процесса дефектообразования, рис. 2, эта величина не превышает 0,42 эВ. Близкие значения энергий активации подтверждает положение об ответственности внутренних механических напряжений за образование трещин, и в итоге, за потерю электрической прочности изоляции. Эти результаты подтверждают взаимосвязь электрической и механической стойкости полимерных материалов, применяемых в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.
Выводы
1. При исследовании обмоток низковольтных электрических машин установлено, что внутренние механические напряжения в их пропиточных составах возникают в процессе отвер-
ждения. Уровень этих напряжений зависит от температуры, времени теплового старения и вязкости пропиточных составов.
2. Установлено, что характер изменения скорости дефектообразования от времени старения и вязкости пропиточных составов для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов остается неизменным.
Изменение вязкости пропиточных составов для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов увеличивает скорость дефектообразования.
3. Электрическая прочность межвитковой изоляции зависит от уровня внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточном составе после отверждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бернштейн Л.М. Изоляция электрических машин общего назначения. - М.: Энергоиздат, 1981. - 376 с.
2. Dudkin A.N., Maryin S.S., Leonov A.P. Through defect development in interterm insulation of low voltage windings of electric machines // Proc. of the 6th Intern. Scientific and Practical Conf. of Students, Post-graduates and Young Scientists. - Tomsk, 2001. -Р. 122-124.
3. Похолков Ю.П. Разработка методов исследования, расчета и обеспечения показателей надежности и долговечности изоляции обмоток асинхронных двигателей: Дис. ... докт. техн. наук. - Томск, 1977. - 482 с.
4. Pokholkov Yu.P., Dudkin A.N., Maryin S.S., Leonov A.P. Estimation of reliability of the system insulation of low-voltage electric
machines at a stage of designing, manufacture and while in service // Proc. of the 5th Korea-Russia Intern. Symp. on Science and technology. - Tomsk, 2001. - V. 2. - Р. 282-283.
5. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин. - М.: Энергоиздат, 1993. - 592 c.
6. Галушко А.И., Максимова И.С., Оснач Р.Г. Надежность изоляции электрических машин. - М.: Энергия, 1979. - 176 с.
7. Дудкин А.Н., Ким В.С., Марьин С.С. Исследование внутренних механических напряжений в пропиточных и заливочных лаках // Известия Томского политехнического университета. -2005. - Т. 308. - №7. - С. 171-174.
Поступила 24.11.2010 г.
УДК 621.3.048.81
МЕТОД ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ НИЗКОВОЛЬТНОЙ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ
С.С. Марьин, С.Н. Шуликин, И.Н. Шуликин
Томский политехнический университет E-mail: mss_tpu@mail.ru
Установлена зависимость пробивного напряжения межвитковой изоляции отмеханической прочности изоляционных материалов. Показано, что избыточное появление трещин в межвитковой изоляции является причиной потери материалом изоляционных свойств. На основе теории прочности твердых тел создан метод расчета долговечности низковольтной межвитковой изоляции.
Ключевые слова:
Эмальпровод, дефектообразование, вероятность безотказной работы.
Key words:
Enameled wire, formation of defects, reliabilities.
Оценка показателей надежности и долговечности низковольтной межвитковой изоляции электротехнических устройств в современных условиях осуществляется путем сравнения параметров внешних воздействий (электрическое напряжение, температура) и электрической прочности материала изоляции. Принято считать, что выход из строя электротехнических устройств происходит при превышении величины коммутационных перенапряжений межвитковой изоляции, а причиной этого является образование сквозных дефектов (трещин) в изоляционной структуре [1-3].
На основании изложенного разработан новый метод диагностики низковольтной межвитковой изоляции электротехнических устройств.
В основе предлагаемого метода определения долговечности лежит идея о взаимосвязи трещино-
образования и электрической прочности полимерных структур. Другими словами, электрическая прочность материала определяется его механической прочностью.
В работе выполнены эксперименты, свидетельствующие о том, что напряжение пробоя межвит-ковой изоляции уменьшается с ростом скорости дефектообразования.
Для экспериментов были выбраны три партии обмоточных проводов диаметром 1,0 мм марок ПЭТВ, ПЭТ-155, ПЭТМ-180. Изготовлено по 50 отрезков провода длиной 200 мм с искусственно нанесенным дефектом (сквозной кольцевой порез эмальслоя обмоточного провода) и по 50 образцов длиной 200 мм без искусственных повреждений эмальслоя. Поочередно каждый образец обмоточного провода подвергали воздействию повышен-
