Исследование изоляции современных типов обмоточных проводов для высоковольтных электрических машин Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.315.3

Т.И. Карпушина

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Применение современных электроизоляционных материалов, совершенствование технологического процесса изготовления статорных обмоток электрических машин — основа развития электромашиностроения. Благодаря появлению пленочных слюдосодержащих материалов, ведущими кабельными заводами России начат выпуск новых марок обмоточных проводов для высоковольтных электрических машин, однако их применение еще практически не освоено.

Провода с комбинированной пленочной слюдосодержащей изоляцией, получившие широкое распространение за рубежом [1—3], в дополнение к высокой электрической и механической прочности, меньшей толщине, хорошим короностойким и тепловым свойствам изоляции характеризуются еще и технологичностью, а также экономичностью изготовления и применения.

Представляемая в статье работа заключалась в подробном экспериментальном исследовании электрических свойств изоляции перспективных проводов путем проведением комплекса необходимых модельных и макетных испытаний и последующим внедрением в производство в России обмоток высоковольтных электрических машин с целью усовершенствования их системы изоляции.

Испытуемые образцы и методика исследования

Выбор конструкции, электроизоляционных материалов для обмоточных проводов, изучение механизмов ее разрушения, оптимизация технологических процессов изготовления статорных обмоток проводились с помощью комплексной методики, основанной на изучении свойств модельных испытательных образцов, макетов (катушек статорной обмотки) и применении известных традиционных способов исследования изоляции, а также нового импульсного метода испытаний для готовых изделий.

В качестве методов испытаний изоляции обмоточных проводов применялось следующее: определение кратковременной электрической прочности изоляции; измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции проводов; исследование длительной электрической прочности изоляции; измерение характеристикчастичных разрядов. Основные варианты конструкций исследованных медных обмоточных проводов прямоугольного сечения с комбинированной слюдосодержащей пленочной изоляцией приведены в табл. 1.

Исследование электрических свойств витко-вой изоляции на этапе производства статорных катушек, изготовленных из новых марок проводов, выполнялось импульсным способом [4] после каждой технологической операции изготовления.

Для определения кратковременной и длительной электрической прочности, а также измерения тангенса угла диэлектрических потерь и характеристик частичных разрядов применялись образцы, подготовленные по ГОСТ 15634.370 (длиной 0,2 и 0,5 м), с притертыми фольговыми электродами из отожженного алюминия толщиной 20 мкм. Помимо проводов, указанных в табл. 1, исследовались различные модификации их конструкций, например ПМС без лавсановой пленки и другие.

Для макетных испытаний применялись катушки после термопрессования в течение 1 часа при 160 °С (без корпусной изоляции, покрытые защитным слоем стеклоленты). Витковая изоляция испытываемых изделий выполнялась четырех вариантов:

1) обмоточный провод, имеющий стеклово-локнистую изоляцию марки ПСДК, покрытый дополнительной витковой изоляцией из электроизоляционной ленты Элмикатерм 524019 (общая толщина изоляции — 0,25 мм);

2) провод ПСДК, аналогичный по применению ленты Элмикатерм 524019 0,10x20 с большим нахлестом (0,35 мм);

Таблица 1

Марки исследованных обмоточных проводов с комбинированной слюдосодержащей изоляцией

Марка провода Односторонняя толщина изоляции, мм Слюдосодержащий материал Адгезивный слой

пплс 0,21 Элмикафол 52801 (ХК"Элинар", Россия) Нет

ППС-2 0,36 Элмикафол 52801 Нет

ПМС/0,44 0,21 Элмикафол 52801 Нет

ПМС/0,64 0,32 Элмикафол 52801 Нет

ПМС/0,72 0,36 Элмикафол 52801 Нет

ПМС-М/0,44 0,21 Кондуктофол 0264 (Изовольта, Австрия) Есть

ПМС-М/0,64 0,32 Кондуктофол 0264 Есть

ПМС-М/0,72 0,36 Кондуктофол 0264 Есть

ППЛС (модификация) 0,21 Самикафилм 315.15 (Фон Ролл, Швейцария) Есть

пмэс 0,29 Элмикафол 52801 (Провод ПЭТ-2-155) Нет

3) провод ПМС/0,44(0,21 мм);

4) провод ПМС/0,64 (0,32 мм).

Традиционные конструкции №1,2 сравнивались соответственно с № 3,4.

Определение кратковременной электрической прочности на переменном токе (50 Гц) производилось с помощью прибора АИД-70М путем пробоя изоляции образцов в металлических шариках (по ГОСТ 15634.4-70), на постоянном токе — на установке D12R/PP30 (производства фирмы Baker, США). Скорость подъема испытательного напряжения в обоих случаях составляла 0,5 кВ/с.

Исследование зависимости пробивного напряжения изоляции проводов на переменном токе от диаметра сгиба по меньшей стороне проводилось на единичных U-образных отрезках (длиной 0,5 м) в металлических шариках с применением диаметров оснастки для сгиба 15, 24, 30, 40 мм. Выбор этих величин обусловлен решением практической задачи, заключающейся в изучении электрической прочности проводов при их изгибе в головках лобовых частей (их распространенным диаметрам соответствуют размеры оснастки) на величину, соизмеримую с шириной провода.

Измерения тангенса угла диэлектрических потерь (tg 5) выполнялись на модельных образцах с помощью регистратора параметров изоляции "Векгор-2.0М " по "прямой" схеме измерения согласно ГОСТ 25242-93 с трехэлектродной сис-

темой из притертых фольговых электродов (с погрешностью + (0,01^5 + 0,003) %). Кизмеритель-ному электроду длиной 50 мм подключался выход прибора, охранные кольца шириной 15 мм заземлялись по отдельности, на зачищенный на 15 мм конец провода подавалось испытательное напряжение переменного тока частотой 50 Гц от высоковольтной установки.

Характеристики частичных разрядов (ЧР) в изоляции образцов обмоточных проводов измерялись электрическим методом [6,7] с помощью цифрового измерительного прибора "СКИТ-ЧР". Принцип его работы заключается в регистрации высокочастотных импульсов тока, протекающих в высоковольтном разрядном контуре при ЧР в объекте. В ходе эксперимента использовался активный датчик, формирующий униполярный сигнал с амплитудой, пропорциональной величине кажущегося заряда ЧР, и длительностью порядка 5 мкс. Измерения характеристик ЧР в изоляции проводов включали в себя: регистрацию амплитудных спектров и фазовых распределений импульсов ЧР, измерение значений среднего тока и максимального заряда в зависимости от величины приложенного испытательного напряжения, а также определение зависимости этих характеристик от его времени воздействия.

Для оценки длительной электрической прочности корпусной изоляции макетных образцов в работе применялись два метода.

1. Метод, когда при постоянном значении испытательного напряжения в одновременном ис-пытывалась партия из 10 идентичных образцов, которые выдерживались до пробоя последнего образца. Испытания проводились прибором АИД-70М на переменном токе (50 Гц) в соответствии с ускоренной методикой при постоянном значении испытательной напряженности 19,5 кВ/мм. Данная напряженность выбрана исходя из опытов определения кратковременной электрической прочности исследуемых образцов таким образом, чтобы испытательное напряжение было кратным напряжению пробоя.

2. Метод линейного повышения напряжения — наиболее эффективный для более точного определения параметров ресурсных зависимостей изоляции, к тому же экономичный. Он сводится к линейному повышению напряжения на объекте от нуля до момента пробоя. Испытание проводилось на партии идентичных образцов с фиксированием напряжения пробоя каждого из них.

Для обработки результатов экспериментов использовались статистические методы анализа данных. Как известно, долговечность слюдосо-держащих систем изоляции характеризуется зависимостью наработки до отказа (/) от средней напряженности электрического поля (Е) и описывается формулой степенной зависимости [5]

/ \-т

г Е л

(1)

/,(г)=1-ехр

г л« /

Чтс /

/>0,

(2)

Обобщенный закон, связывающий вероятность отказа Д/, Е) изоляции, наработку до отказа / и пробивную напряженность Е, описывается выражением [5]

(3)

Параметры обобщенного закона (3), а отсюда и показатель степени т зависимости (1) определяются путем статистической обработки экспериментальных данных по наработкам до отказа изоляции образцов проводов, полученных при плавном повышении испытательной напряженности с определенной скоростью Е, которая находится по формуле (4)

¿и „

Е = -

с!г /г

(4)

где И — односторонняя толщина изоляции обмоточных проводов.

При испытании с линейным подъемом испытательного напряжения параметр формы статистического распределения Вейбулла для пробивной напряженности образцов будет равен значению р = {а + Ь), и функция распределения принимает вид (5)

Е^) = 1 -ехр-1-

Е

\Ес;

(5)

где т и /0 — постоянные, Е0 — произвольно выбранная базисная величина.

Для прогнозирования срока жизни изоляции при заданных напряженности и вероятности, кроме знания зависимости /= Е(Е), необходимо определить параметры статистического распределения наработки до отказа /. При описании статистического распределения / изоляции высоковольтных электрических машин обычно используется двухпараметрическое распределение Вейбулла (2):

Измерения по данному методу в ходе работы проводились при двух различных скоростях

повышения испытательной напряженности: ••

Е = 0,406 кВ/мм-с и Е = 0,041 кВ/мм-с. Значения т определялись по формуле [5]

1п Е, - 1п Е-

т = -

2

1п^пр63%1 -1п^пр63%2

-

(6)

где а — параметр формы; тс — масштабный параметр, численно равный значению наработки до отказа при вероятности пробоя Е= 0,63.

где Е\,Ег — скорости подъема напряженности, ЕщЬЪ % — параметры статистического распределения значений пробивной напряженности изоляции образцов при соответствующей скорости подъема напряженности.

Результаты экспериментов

На рис. 1 представлены распределения эмпирических значений пробивных напряжений обмоточных проводов с одинаковым размером

50, оа

ю,оа

5,00

1,00

♦ПМС 0.44 3.55x7.1

31=8,33, л 1=8,78

* ПМС 0.64 3.55x7.1

|32=14,02, т]2= 12,99

■ ПМС 0.72 3.55x7.1

(33=15,40, г|3=16,89

* ППЛС 3.55x7.1

|34=5,87, Г)4=7,73

О ППС-2 3.55x7.1

35=30,52, т|5=14,99

1,00

50,00 I! кВ

Рис. 1. Распределения эмпирических значений пробивных напряжений (па вероятностной координатной сетке двухпара-метрического распределения закона Вейбулла) при испытании напряжением переменного тока промышленной частоты обмоточных проводов с комбинированной пленочной слюдосодержа-щей изоляцией: 1- ПМС/0,44, 2- ПМС/0,64, 3- ПМС/0,72, 4- ППЛС, 5- ППС-2

медной проволоки на вероятностной координатной сетке двухпараметрического распределения закона Вейбулла при испытании напряжением переменного тока промышленной частоты. Как видно, кратковременная электрическая прочность изоляции проводов марок ПМС/0,44, ПМС/0,72 выше, чем у аналогов ППЛС и ППС-2. Это объясняется отличием в конструкции (комбинации с лавсановой пленкой ПЭТ-Э). У проводов ППЛС и ПМС/0,44 с более тонкой изоляцией наблюдается больший разброс значений напряжений пробоя, поскольку при меньшей ее толщине наиболее сильно сказывается качество поверхности и, таким образом, увеличивается вероятность появления дефектов [6].

Определено, что кратковременная электрическая прочность изоляции групп образцов с разными сечениями медной проволоки, а именно 1,06x5,6; 2,65x5,6 и 3,55x7,1 мм, повышается с увеличением сечения. Отмечено, что у рассматриваемых проводов кратковременная электрическая прочность изоляции выше (в 2—4 раза), чем у проводов с эмалево-стекловолокнистой

изоляцией, используемых в обмотках высоковольтных электрических машин. Уровень напряжений пробоя изоляции образцов сравним с известными значениями для проводов с поли-имидно-фторопластовой изоляцией, имеющими меньшую ее толщину, но большую (в два раза) себестоимость [6]. Электрическая прочность изоляции проводов на постоянном токе в среднем в 1,7 раза выше, чем на переменном. Приведем напряжения пробоя изоляции провода ПМС/ 0,642,65x5,6 мм при различных диаметрах сгиба:

Диаметр

изгиба, мм 15 24 30 40

и1|р, кВ 10.1+0.6 11.1+0.8 12.5+0.5 12.210.8

Из этих данных видно, что напряжение пробоя изоляции образцов, согнутых на большем диаметре оснастки, выше. На максимальных диаметрах изгиба их разница менее различима, что говорит о меньшей повреждаемости изоляции при изгибании. Этот факт подтверждается тем, что место пробоя при испытании на диаметрах 15 и 24 мм оказалось на радиусе изгиба в 95 %

случаев, а при диаметрах 30 и 40 мм — примерно в 70 % случаев. Поскольку при механической деформации изоляции при изгибе на малые диаметры (порядка четырех-шести размеров меньшей стороны проволоки) вероятность электрического пробоя изоляции на малом диаметре сгиба 15 мм повысилась только на 15 % по сравнению с большими, можно утверждать, что изоляция исследуемых проводов эластична при переработке в изделия. Данную зависимость необходимо учитывать на этапах проектирования и изготовления статорных обмоток.

Результаты измерений tg5 изоляции образцов проводов марок ПМС и ПМС-М в состоянии поставки и после термопрессования показали, что данная технологическая операция способствует улучшению свойств системы изоляции, поскольку наблюдается уменьшение этого параметра. Поэтому для дальнейших измерений были отобраны только термоопрессованные образцы. На рис. 2, а, б'приведены результаты из-5

провода в зависимости от испытательного напряжения при различных температурах.

5

образцов ПМС-М/0,44 существенно увеличивается по сравнению с ПМС/0,44, а значит, применение импортного слюдосодержащего материала Кондуктофол 0264 с адгезивным слоем в изоляции проводов обосновано при рабочих температурах обмоток, не превышающих 125 °С. При более высоких температурах целесообразно использование ленты Элмикафол 52801 российского производства. Также были исследованы три варианта конструкции изоляции модифицированного провода ПМС-М/0,44 с адгезивным слоем: комбинация слюдосодержащей пленки

Сопс^йоМ0264 с лавсановой пленкой и без нее, с клеевым слоем внутри (с прилеганием к медной шине) и снаружи. Отмечено, что применение изоляционной ленты с адгезивным слоем наиболее эффективно при его применении снаружи. А наличие лавсановой пленки в конструкции изоляции проводов не приводит к существенному увеличению что подтверждает целесообразность ее применения [2].

Для оценки качества изготовления изоляции обмоточных проводов использован метод анализа на основе измерения частичных разрядов (ЧР) [7, 8]. Для обмоточных проводов марок ПМС и ПМС-М определены напряжения начала ЧР (^нчр)' (Для исходных образцов они составляли 1,0 кВ, после термопрессования— 1,7 кВ). На рис. 3 приведены характеристики ЧР для провода ПМС/0,44 при испытательном напряжении 3 кВ.

В результате сравнения зависимостей характеристик ЧР от испытательного напряжения сделан вывод о том, что на образцах, прошедших термопрессование, значения максимального заряда и среднего тока зафиксированы более чем в 1,5 раза меньшие. Наличие адгезивного слоя в изоляции провода ПМС-М понизило значения перечисленных величин по сравнению с ПМС. При изучении характеристик ЧР наблюдалось постепенное понижение значений максимального заряда и среднего тока в зависимости от времени приложения испытательного напряжения. При определении корреляционной связи харак-5

и ПМС-М/0,44 коэффициенты корреляции и составили соответственно 0,979

' Qmax

и 0,975; их высокие значения говорят о том, что применение методики измерений характеристик

2,5 3 иж„, КВ

2,5 3 f кВ

Рис. 2. Зависимости tgS = Д£/ИСП) изоляции проводов ПИС-М (а) и ПМС (б) при различных температурах (/ - при 20 аС; 2 - 55 ÔC; 3 - 95 ÔC; 4 - 125 ÔC; 5 - 155 ÔC)

Рис. 3. Осциллограмма импульсов ЧР (а), дифференциальное (б) и фазовое (в) распределения ЧР для обмоточного провода ПМС/0,44 при испытательном напряжении 3 кВ

Ч Р при выборе обмоточных проводов полезно при диагностике состояния их изоляции.

В результате испытаний при постоянной электрической напряженности (19,5 кВ/мм) среднее время до пробоя обмоточных проводов ПМС и ПМС-М составило соответственно 14,1 и 12,1 часа.

Подобные испытания при низкой электрической напряженности занимают длительное время и достаточно дорогостоящи, поэтому для более тщательного сравнения различных проводов применялся метод линейного подъема напряжения с двумя скоростями. В результате статистической обработки полученных результатов построены эмпирические распределения пробивных напряженностей на вероятностной координатной сетке двухпараметрического закона Вейбулла для обмоточных проводов различных

исполнений (в состоянии поставки, а также подвергнутых термоопрессовке при температуре 160° в течение 1 часа) (рис. 4). С помощью полученных данных был произведен расчет показателя степени т по формуле (6); его значения приведены в табл. 2.

Испытания на макетах проведены на переменном токе 50 Гц для оценки электрической прочности витковой изоляции изделий с применением новых марок проводов. Первая группа статорных катушек была изготовлена с применением провода ПСДКи слоя электроизоляционной ленты Элмикатерм 524019, вторая — из проводов ПМС/0,44 и ПМС/0,64 без дополнительной витковой изоляции. Фольговые электроды наносились на пазовые, лобовые части и на головки. Установлено, что на пазовых частях напряжения пробоя витковой изоляции двух

Рис. 4. Распределение значений пробивных напряженностей провода ПМС, ПМС-М и ЗПМС-М при различных скоростях подъема испытательного напряжения (на вероятностной бумаге двухпараметрического распределения Вейбулла)

Таблица 2

Показатели степени m обмоточных проводов со слюдосодержащей изоляцией

Марка провода Показатель степени m Примечание

ПМС/0.44 7,9

ПМС/0.44 9,4 После термопрессования

ПМС-М/0.44 9,2

ПМС-М/0.44 12,7 После термопрессования

групп образцов практически одинаково, а в местах деформаций провода (на радиусах перехода с пазовой части на лобовую, на головке катушки) у изделий с применением проводов ПМС/ 0,44и ПМС/0,64 — в два раза выше.

Вместе с вышеперечисленными испытаниями при внедрении обмоточных проводов в производство статорных катушек высоковольтных электрических машин необходимо применять экспериментальные образцы. В настоящее время такие образцы изготовлены в соответствии с документацией завода-производителя и поставлены на температурное старение. Одновременно с внедрением новых обмоточных проводов на автоматизированном производстве требуется отнестись с повышенным вниманием к выбору применяемой технологической оснастки и режи-

мов. Поэтому при внедрении новых обмоточных проводов на автоматизированных и традиционных производствах рекомендуется применение методов неразрушаюгцего контроля [4].

В ходе работы установлено, что новый тип обмоточных проводов с комбинированной пленочной изоляцией на основе слюдосодержагцих лент имеет высокую кратковременную электрическую прочность, хорошие физико-механические свойства, технологичен при применении в изделиях, имеет высокую длительную электрическую прочность, соответствующую известной слюдосодосодержащей изоляции. Обосновано и рекомендовано применение адгезивного наружного слоя в конструкции проводов. Подтверждены литературные данные о высокой

электрической прочности обмоточных проводов с комбинированной слюдосодержащей изоляцией [3] по сравнению со стекловолокнистой изоляцией современных марок. Исследованные

марки проводов могут быть рекомендованы для применения в обмотках электрических машин, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, при перенапряжениях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Schuler R. Modern turn insulation for stator windings with form-wound coils, in high-voltage rotating machines // IEEE. ASEA Brown Boveri Etd. CH-5242 Birr/Switzerland. CH2587-4/88/0000-769. 1988,

2. Neal J.E. The development of micaceous conductor/ Turn insulation for HV rotating machines / Jones Stroud Insulations, Eongridge, Preston PR3 3BS, Lancashire, UK. P. 53-59.

3. Williams Joseph A. 111. A functional test comparison between mica over bare copper and double polyester glass over heavy polyester-amide imide insulation for high voltage multi-turn coils. 0-7803-79357/03 // IEEE. 2003. P. 595-597.

4. Карпушина Т.И., Андреев A.M. Метод испытаний высоковольтными импульсами междувитко-вой изоляции и его применение при автоматизи-

рованном производстве обмоток электрических машин // Электротехника. 2009. N° 3. С. 47—53.

5. Житомирский А.А. Исследование высоковольтной изоляции крупных электрических машин в условиях, приближающихся к эксплуатационным: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. СПб. 1980. 23 с.

6. Гнедин А.А., Мещанов Г.Н. Обмоточные провода с пленочной изоляцией. // Информэлектро. М„ 1987. Вып. 2. 66 с.

7. Андреев A.M., Азизов А.Ш., Таджибаев А.И., Монастырский А.Е. Оценка технического состояния электрических двигателей и генераторов на основе анализа частичных разрядов: Учебное пособие. 4.1. СПб.: Изд-во "ПЭИПК", 2007. 59 с.

8. Кучинский Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях. J1.: Энергия, 1979. 224 с.

УДК621.22

В.И. Климович, Р.П. Казанцев

РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГЛАВНОГО ЦИРКУЛЯЦИОННОГО НАСОСА ДЛЯ ЭНЕРГОБЛОКОВ ВВЭР-1000

Главные циркуляционные насосы (ГЦН) блоков АЭС работают в особых условиях: высокое давление в контуре (до 18 МПа), высокая температура перекачиваемой среды (до 300 °С), радиоактивность перекачиваемой среды, необходимость проведения дезактивации внутренних поверхностей кислотными или щелочными растворами. Поэтому к проточной части ГЦН предъявляются специальные требования. Однако наряду со специфическими требованиями проточная часть ГЦН должна обеспечивать высокий КПД насоса, так как затраты электроэнергии на привод ГЦН весьма значительны. Так, например, для реактора ВВЭР-1000 они составляют до 25 МВт (на 4 ГЦН). В связи с этим при отработке новых проточных частей без проведения дорогостоящих испытаний большую

роль играют численные методы моделирования потока в проточной части ГЦН. Основной целью нашей работы было расчетное исследование течений в проточной части ГЦН, определение интегральных показателей ГЦН (создаваемый напор и потребляемая мощность) при различных подачах и сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

Исходными данными для расчетов служили чертежи рабочего колеса (РК), направляющего аппарата (НА), режимные параметры. Данные по рабочему колесу ГЦН задавались в виде линий ^(R,^ = const (9 —окружная координата средней линии лопатки, R — цилиндрический радиус, Z— вертикальная координа-

9

заказчика исходным данным представляли со-