CC BY
23
ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.423.31
Методика оценки степени увлажнения изоляции тяговых электродвигателей тепловозов
В. В. Грачев, А. В. Грищенко, М. А. Шрайбер
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Грачев В. В., Грищенко А. В., Шрайбер М. А. Методика оценки степени увлажнения изоляции тяговых электродвигателей тепловозов // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - Вып. 4. - С. 47-56. DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-47-56
Аннотация
Цель: Разработка метода оценки степени влагопоглощения изоляцией тяговых электродвигателей (ТЭД). Методы: На основе анализа одномерной диффузии жидкости в изоляционный материал обмоток ТЭД показано, что трещины увеличивают его насыщенность жидкостью. Исследуется предлагаемое аналитическое решение для анизотропной диффузии жидкости в изоляционный материал с трещинами. Результаты: Разработана аналитическая модель, описывающая идеальное поглощение влаги по Фику, и было показано, что она подходит для расчета диффузии влаги в изоляционные материалы обмоток ТЭД. Практическая значимость: Дальнейшие исследования должны быть направлены на получение свойств материала в среде с контролируемой влажностью.
Ключевые слова: Тяговый электродвигатель, изоляция, влагосодержание.
Между изоляцией тяговых электродвигателей (ТЭД) тепловоза и окружающей средой практически постоянно происходят тепло- и влагооб-мен [1]. Постоянные изменения температуры обмоток приводят к тепловому расширению проводников и изоляционного материала при относительно плотной их укладке в пазах электрической машины. Увеличение размеров обмоточного провода при нагреве ТЭД и уменьшение их при его охлаждении вызывают расширение и сужение изоляционного материала, как более податливого в этой паре. Рост количества циклов нагрева и охлаждения и соответствующее тепловое старение вызывает температурную деструкцию изоляции, она становится хрупкой и теряет эластичность [2]. При охлаждении ТЭД и уменьшении размеров проводников обмотки изо-
ляция не возвращается в исходное положение, что ведет к образованию микротрещин, число которых растет с увеличением времени эксплуатации. В появившиеся поры и трещины изоляционного материала проникают влага и агрессивные компоненты, содержащиеся в окружающей среде [3].
Способность поглощать или отдавать влагу зависит от конструкции ТЭД, режимов работы и свойств изоляции. При этом изоляция как увлажняется, так и осушается в зависимости от режима работы тепловоза. Испарение влаги из материала обусловливается диффузией пара с его поверхности в окружающую среду, т. е. внешней диффузией, которая происходит тем интенсивнее, чем больше разность между парциальным давлением испарившейся влаги с поверхности статора или ротора и давлением в окружающей среде. В зависимости от значения градиента давления определяется направление хода процесса в сторону сушки или увлажнения.
Внутренняя диффузия наблюдается в виде движения влаги в жидком или газообразном состоянии от внутренних увлажненных слоев изоляции проводников к ее подсушенной поверхности. При этом влага перемещается от мест с большей влажностью в места с меньшей влажностью. Кроме того происходит так называемая термодиффузия влаги от более нагретых слоев изоляции к менее нагретым. Полный поток влаги, проходящий через площадь сечения изоляции в единицу времени, зависит от воздействия всех градиентов (давления, влагопроводимости, термодиффузии) [4].
Когда ТЭД находится в нерабочем состоянии, при относительной высокой влажности изоляция поглощает влагу из воздуха - происходит процесс увлажнения. Сначала увлажняются наружные слои изоляции, а затем влага проникает и во внутренние слои (рис. 1).
В начальный период после пуска ТЭД более нагретыми оказываются витковая изоляция 3 проводников 2 и изоляция секций 4, так как они ближе расположены к источникам теплоты - проводникам обмотки. В результате создается положительный градиент температуры - поток теплоты направлен от внутренних слоев к корпусной изоляции 5, изоляционным прокладкам 6 и сердечнику 7. Под воздействием градиента температуры влага станет перемещаться из внутреннего объема наружу.
При увеличении температуры проводников 2 влага, находящаяся в порах изоляции 3, 4, 5, начинает переходить в парообразное состояние: изоляция «распаривается», пары влаги проникают в мельчащие поры изоляции. При дальнейшем росте температуры проводников влага сначала испаряется с их поверхности, при этом направления потоков теплоты и влаги совпадают. Возрастание температуры влаги и воздуха, находящихся в порах изоляции, вызывает повышение их давления - дополнительно возникает градиент давления в разных зонах паза ТЭД. Происходит перемещение паров влаги из изоляции в окружающую среду (осушка) [5].
Рис. 1. Пути проникновения влаги в изоляцию ТЭД: 1 - клин; 2 - проводник; 3 - витковая изоляция; 4 - изоляция секций; 5 - корпусная изоляция; 6 - изоляционная прокладка; 7 - сердечник
После отключения ТЭД начнет охлаждаться, а в изоляции обмотки проявляются обратные процессы (увлажнение). Скорость влагообмена зависит от гигроскопических свойств изоляционного материала, степени увлажнения изоляции, режимов работы, степени загрузки ТЭД, температуры и влажности окружающей среды и других факторов. В результате, помимо увеличения влагосодержания обмотки, образуются проводящие электрические мостики между отдельными проводниками обмотки, что и приводит к электрическому пробою изоляции.
Общее математическое выражение для различных видов диффузии влаги в изоляционный материал описывается с помощью следующего уравнения [6]:
М
т^г = к*п, Мт
где М - мгновенное содержание влаги в изоляции; Мт - максимальное содержание влаги в изоляции, которое может быть достигнуто в системе; к - кинетическая постоянная; п - показатель степени диффузии; t - время выдержки.
Путем нахождения наиболее подходящего значения показателя степени диффузии влаги в изоляционный материал можно предсказать тип пе-
реноса и, следовательно, соответствующие физические механизмы, управляющие проникновением влаги.
Диффузия воды или влажного воздуха в технических материалах может быть описана законами Фика (нестационарная диффузия) [7]. Согласно второму закону Фика, концентрация и градиент концентрации меняются со временем. Градиент концентрации - движущая сила диффузии (хотя это не сила в механистическом смысле). Однофазная модель Фика показывает, что абсорбированные молекулы воды связаны с матрицей несвязанными водородными связями. Предположим, что одномерная диффузия в направлении х происходит в однородном материале с микротрещинами (рис. 2).
Направление диффузии влаги
I Влагопоглощение
I Осушка
У
Рис. 2. Диаграмма одномерной диффузии влаги
При постоянном уровне влагопоглощения диффузия описывается уравнением
дС д
дС
Хдх
д2С
= ^ • (1)
дЬ дх
в котором С - концентрация влаги в изоляции, Бх - коэффициент диффузии влаги.
После рассеивания молекул воды открытые поверхности мгновенно достигают концентрационного равновесия и не меняются со временем. Следовательно, граничные условия таковы:
при г < 0 С = С{, 0 < х < Ъ,
при t > 0 С = СтН(^), х = 0, х = Ь,
где Ст - постоянная граничная концентрация влаги в изоляции; С^ - начальная концентрация влаги в изоляции; Н(€) - ступенчатая функция Хе-висайда.
Решение уравнения (1) с учетом граничных условий дано в [8]:
с — с,
'т
^ =1 - 4 у_1
— С, л /_( 2/ +
1 ]=о
(2у + 1) их
„ -;-ехр
+1 Ь
(2) + 1)2п2Ох1
Ь2
(2)
здесь Ь - толщина изоляции.
Интегрируя уравнение (2), получим для определения функции поглощения влаги С(£) аналитическое выражение
с (0 =
ш — т
<Х1
8 ^ехр
т.
т
- т, =1 — у
— т, и2 ¿—I
] = 0
— (2У + 1)2^2
(2) + 1)2
(3)
в котором т - текущий вес влаги в изоляции, т, - начальный вес влаги в изоляции, тт - максимальный вес влаги в изоляции.
Выражение (3) с учетом граничных условий может быть аппроксимировано таким образом:
—73 Ш
в( 0 = 1 — ехр
Как правило, интересно представлять уровень влагопоглощения изоляционного материала в процентах. Мгновенное содержание влаги М ( €) может быть выражено так:
9— 9,
М( 0 =
9т
(4)
где д - мгновенный вес материала изоляции; д, - начальный вес материала изоляции; дт - максимальный вес материала изоляции.
Поскольку д = д, + т, выражение (4) можно записать следующим образом:
91 + т — 91 т М( г)=—-— • 100 =-- 100. (5)
9т 9т
Преобразуем уравнение (5) следующим образом:
т = £( 0(шт — т,) + т,,
что приводит к уравнению
М(1) = С(1)(Мт — М,) + М,,
здесь Мт и М1 - соответственно максимальная и начальная влажности материала изоляции.
Таким образом, влажность изоляции может быть представлена как
= (мт - мI)
8 уехр
- и2 2,
]=0
- (2У + 1)2^2
(2У + 1)2
+ МI,
или
М(0 = (Мт - Мг) {1 - ехр [-7,3 (^)0,75]] + мг. (6)
Из уравнения (6) при постоянных температуре и уровне воздействия влаги время, необходимое для достижения определенного содержания влаги в материале изоляции ТЭД, можно выразить следующим образом:
ь2 1 = а
X
_ } (1 - Ш - м-
7,3 П( Мт- МI
4/ /3
Коэффициент диффузии влаги в изоляцию ТЭД описывается уравнением
М2- Мг
л = ( Ь ) (М2 - МЛ Я(4 Мт)(^Г2- №
График влагопоглощения, соответствующего диффузии Фика, показан на рис. 3. Важно отметить, что законы диффузии Фика действительны только при отсутствии набухания материала изоляции [9].
М,%
4,00
3,00
2,00
1,00
•
4 >
4 » / /• / • > 4 »
•
/ 4 РФ
0 1000
2000
3000
4000
5000
6000
УГ
Рис. 3. Изменение влажности материала изоляции: □ - данные расчета; • - экспериментальные данные
Одновременно на рис. 3 отображены экспериментальные данные вла-гопоглощения опытного образца, изготовленного из стеклоткани размером 400 X 30 X 1,2 мм, пропитанного эпоксидным компаундом и подверженного ускоренному старению [10].
Характерной особенностью приведенных экспериментальных данных является то, что наблюдается существенный разброс результатов измерений. По нашему мнению, к причинам разброса относятся проблемы с определением количества поглощенной влаги весовым методом. Существующие методики требуют использования весов с точностью до 0,1 мг. Обычно сухая масса испытуемых образцов находится в диапазоне 2-40 г. Учитывая это предположение, чувствительность измерения концентрации будет не менее 0,005 %, что более чем достаточно, если уровень поглощения превышает 1 %. При применении очень тонких образцов или низких концентраций насыщения (менее 1 %) могут потребоваться весы с более высоким разрешением (например, с разрешением 0,01 мг).
При проведении экспериментальных исследований следует строго соблюдать процедуры взвешивания [11]. Используемые весы должны иметь такую емкость, чтобы масса образца была бы ни на нижнем, ни на верхнем пределе диапазона весов, т. е. масса образца находилась в пределах 1090 % от полной шкалы весов. Также следует учитывать общую массу образца, ожидаемую при насыщении. Весы следует откалибровать в ожидаемом диапазоне масс.
Рекомендуется ограждение чаши весов для предотвращения сквозняков и других внешних воздействий, чтобы свести к минимуму проблемы с воспроизводимостью результатов измерения. Необходимо, чтобы были одни и те же весы на протяжении всей программы испытаний. Образцы следует помещать в одно и то же положение на весах каждый раз при измерении.
На основании проведенного исследования степени увлажнения изоляции ТЭД тепловозов получены следующие результаты:
• исследования, проведенные до настоящего времени, состоят из различных экспериментов, задачей которых является количественная оценка эффекта влагопоглощения изоляцией ТЭД, вызывающего ее старение;
• предложен метод оценки степени влагопоглощения изоляцией ТЭД локомотивов, который охватывает процедуру определения влагопоглоще-ния по толщине изоляции на основе законов однофазной диффузии Фика;
• выявлена зависимость коэффициента диффузии в изоляцию обмоток ТЭД от постоянной величины поглощения влаги.
Библиографический список
1. Худоногов А. М. Анализ надежности изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава с учетом особенностей климатических условий внешней среды / А. М. Худоногов, Д. А. Оленцевич, В. В. Сидоров, Е. М. Лыткина // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. - С. 232-236.
2. Юренков М. Г. Анализ влияния условий эксплуатации на надежность тяговых электродвигателей / М. Г. Юренков // Исследование работы электрооборудования и вопросы прочности электроподвижного состава: науч. труды ОмИИТ. - Омск: ОмИИТ, 1974. - С. 57-60.
3. Худоногов А. М. Эксплуатация электровозов в условиях низких температур / А. М. Худоногов, Д. В. Коноваленко, Д. А. Оленцевич, В. В. Сидоров, Е. М. Лыткина,
H. А. Иванова // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. -№ 2. - С. 201-204.
4. Лыков А. В. Некоторые проблемные вопросы теории тепломассопереноса / А. В. Лыков // Проблема тепло- и массопереноса: сб. науч. трудов. - Минск: Наука и техника, 1976. - С. 9-82.
5. Михайлов М. М. Влагопроницаемость органических диэлектриков / М. М. Михайлов. - Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 163 с.
6. Ritger P. L. A simple equation for description of solute release II. Fickian and anomalous release from swellable devices / P. L. Ritger, N. A. Peppas // Journal of Controlled Release. - 1987. - Vol. 5. - N 1. - P. 37-42.
7. Glaskova T. Moisture absorption by epoxy/montmorillonite nanocomposite / T. Glas-kova, A. Aniskevich // Composites Science and Technology. - 2009. - Vol. 69(15-16). -P.2711-2715.
8. Jost W. Diffusion in solids, liquids, gases / W. Jost. - London: Academic Press Inc., 1960. - P. 460-465.
9. Frisch H. L. Diffusion in glassy polymers. II / H. L. Frisch, T. T. Wang, T. K. Kwei // Journal of Polymer Science. Pt A-2: Polymer Physics. - 1969. - Vol. 7. - N 5. - P. 879-887.
10. Loh W. K. Modelling anomalous moisture uptake and thermal characteristics of a rub-ber toughened epoxy adhesive / W. K. Loh, A. D. Crocombe, M. M. Abdel, N. A. Waugh,
I. A. Ashcroft // Adhesion and Adhesives. - 2005. - Vol. 25. - Р. 1-12.
11. Manson J. A. Permeation of liquid water in a filled epoxy resin / J. A. Manson, E. H. Chiu // Journal of Polymer Science: Polymer Symposia. - 1973. - Vol. 41. - N 1. - P. 95108.
Дата поступления: 05.10.2021 Решение о публикации: 14.10.2021
Контактная информация:
ГРАЧЕВ Владимир Васильевич - д-р техн. наук, доц.; v_grach@mail.ru ГРИЩЕНКО Александр Васильевич - д-р техн. наук, проф.; grishenko_av@mail.ru ШРАЙБЕР Марина Александровна - канд. техн. наук, доц.; goshapti4ka@yandex.ru
Methodology for assessing the degree of moisture ingress into the insulation of traction electric motors of diesel locomotives
V. V. Grachev, A. V. Grishchenko, M. A. Schreiber
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Grachev V. V., Grishchenko A. V. & Schreiber M. A. Methodology for assessing the degree of moisture ingress into the insulation of traction electric motors of diesel locomotives. Bulletin of scientific research results, 2021, iss. 4, pp. 47-56. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2021-4-47-56
Summary
Objective: To develop a method for assessing the degree of moisture absorption by the traction electric motor (TEM) insulation. Methods: Based on the analysis of one-dimensional diffusion of liquid into the insulating material of the TEM windings, it has been shown that cracks increase its saturation with liquid. The proposed analytical solution for anisotropic diffusion of liquid into a cracked insulating material has been investigated. Results: An analytical model has been developed that describes the ideal moisture absorption according to the Fick's law, and it has been shown that it is suitable for calculating the diffusion of moisture into the insulating materials of the TEM windings. Practical importance: Further research should be aimed at obtaining material properties in a moisture-controlled environment.
Keywords: Traction motor, insulation, moisture content.
References
1. Khudonogov A. M., Olentsevich D. A., Sidorov V. V. & Lytkina E. M. Analiz na-dyozhnosti izolyatsii obmotok elektricheskikh mashin tyagovogo podvizhnogo sostava s uche-tom osobennostey klimaticheskikh usloviy vneshney sredy [Analysis of the insulation reliability of the windings of electric machines of traction rolling stock due to the climatic specifics of environmental condition]. Nauchnyye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka [Scientific Problems of Transport of Siberia and the Far East], 2009, no. 2, pp. 232-236. (In Russian)
2. Yurenkov M. G. Analiz vliyaniya usloviy ekspluatatsii na nadezhnost' tyagovykh elektrodvigateley [Analysis of the influence of operating conditions on the reliability of traction electric motors]. Issledovaniye raboty elektrooborudovaniya i voprosy prochnosti elek-tropodvizhnogo sostava. Nauchnyie trudy [Research on the operation of electrical equipment and strength of electric rolling stock. Research papers OmIIT]. Omsk, OmllT Publ., 1974, pp. 57-60. (In Russian)
3. Khudonogov A. M., Konovalenko D. V., Olentsevich D. A., Sidorov V. V., Lytkina E. M. & Ivanova N. A. Ekspluatatsiya elektrovozov v usloviyakh nizkikh temperatur [Operation of electric locomotives at low temperatures]. Nauchnyye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka [Scientific Problems of Transport of Siberia and the Far East], 2008, no. 2, pp. 201-204. (In Russian)
4. Lykov A. V. Nekotoryye problemnyye voprosy teorii teplomassoperenosa [Some problematic issues of the theory of heat and mass transfer]. Problema teplo- i massoperenosa [Problems of heat and mass transfer]. Sbornik nauchnykh trudov [Scientific proceedings]. Minsk, Nauka i tekhnika Publ., 1976, pp. 9-82. (In Russian)
5. Mikhaylov M. M. Vlagopronitsayemost' organicheskikh dielektrikov [Moisture permeability of organic dielectrics]. Leningrad, Gosenergoizdat Publ., 1960, 163 p. (In Russian)
6. Ritger P. L. & Peppas N. A. A simple equation for description of solute release II. Fickian and anomalous release from swellable devices. Journal of Controlled Release, 1987, vol. 5, no. 1, pp. 37-42.
7. Glaskova T. & Aniskevich A. Moisture absorption by epoxy/montmorillonite nano-composite. Composites Science and Technology, 2009, vol. 69(15-16), pp. 2711-2715.
8. Jost W. Diffusion in solids, liquids, gases. London, Academic Press Inc., 1960, pp.460-465.
9. Frisch H. L., Wang T. T. & Kwei T. K. Diffusion in glassy polymers. II. Frisch Journal of Polymer Science. Pt A-2. Polymer Physics, 1969, vol. 7, no. 5, pp. 879-887.
10. Loh W. K., Crocombe A. D., Abdel M. M., Waugh N. A. & Ashcroft I. A. Modelling anomalous moisture uptake and thermal characteristics of a rub-ber toughened epoxy adhesive. Adhesion andAdhesives, 2005, vol. 25, pp. 1-12.
11. Manson J. A. & Chiu E. H. Permeation of liquid water in a filled epoxy resin. Journal of Polymer Science. Polymer Symposia, 1973, vol. 41, no. 1, pp. 95-108.
Received: October 05, 2021 Accepted: October 14, 2021
Author's information:
Vladimir V. GRACHEV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; v_grach@mail.ru Aleksandr V. GRISHCHENKO - D. Sci. in Engineering, Professor; grishenko_av@mail.ru Marina A. SCHREIBER - PhD in Engineering, Associate Professor; goshapti4ka@yandex.ru
