CC BY
51
Леонов Андрей Петрович
Andrey P. Leonov
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры «Электромеханические комплексы и материалы» Professor of department “Electromechanical systems and materials”
к.т.н. / доцент, PhD E-Mail: leonov_ap@elti.tpu.ru
Супуева Аделя Сагынбековна
Adelya S. Supueva
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
National Research Tomsk Polytechnic University Доцент кафедры «Электромеханические комплексы и материалы» Postgraduate of department “Electromechanical systems and materials”
к.т.н. / доцент, PhD E-Mail: leonov_ap@elti.tpu.ru
05.09.02 Электротехнические материалы и изделия
Определение работы адгезии в системе межвитковой изоляции
The determination of adhesion in the system interturn insulation
Аннотация: Предложен расчетно-экспериментальный метод определения работы адгезии между компонентами полимерной изоляции низковольтных обмоток. Проведена оценка величин адгезионного взаимодействия для ряда систем «пропиточный состав -эмалированный провод». Показана возможность использования полученных результатов для прогноза скорости дефектообразования в межвитковой изоляции.
The Abstract: The calculation and experimental method for determining the work of adhesion between the components of the polymeric insulation of low-voltage windings has been proposed. The estimation of quantities of adhesive interactions for a number of systems «impregnating composition - enamel wire» has been made. The possibility of using the results for the forecast the speed of defect formation in turn insulation has been shown
Ключевые слова: Адгезия, пропиточный состав, эмалированный провод, обмотка, скорость дефектообразования, межвитковая изоляция, надежность.
Keywords: Adhesion, impregnating composition, enamel wire, winding, speed of defect formation, turn insulation, reliability.
***
В большинстве случаев безотказная эксплуатация низковольтных обмоток, как элементов электрических машин, аппаратов и трансформаторов, определяется надежностью их электрической изоляции. Известно [1], что процесс разрушения межвитковой изоляции, как самого слабого элемента изоляции обмотки, во многом определяется величиной адгезии между ее компонентами. В случае высокой адгезии процессы разрушения изоляции и образования сквозных дефектов значительно ускоряются вследствие повышения вероятности развития трещин из пропиточного состава в эмалевую изоляцию [2]. К сожалению, в настоящее время отсутствуют способы количественного определения величины адгезии в
изоляционных системах типа «пропиточный состав - эмалевая изоляция», что не позволяет оценить влияние сил взаимодействия между полимерными изоляционными материалами на стойкость системы к разрушению в процессе эксплуатации.
Формирование межвитковой изоляции начинается в процессе пропитки обмоток, когда пропиточный состав в жидком состоянии проникает в поры и пустоты между проводами. При этом происходит вытеснение воздуха из объема обмотки. Пропиточный состав, смачивая поверхность эмалевой изоляции, отверждается, обеспечивая монолитность и однородность механических свойств обмотки. Полученная система связана по всей поверхности силами адгезии. В данном случае имеет место контакт двух полимерных электроизоляционных материалов.
С позиций термодинамики процесс смачивания связан с самопроизвольным уменьшением свободной энергии системы. Термодинамическая работа адгезии в этом случае может быть представлена в следующем виде [3]:
где уь- свободная поверхностная энергия адгезива; у$ - свободная поверхностная энергия субстрата; уьз -межфазная поверхностная энергия.
Суммарная свободная энергия образуется из вкладов различных межмолекулярных сил, действующих на этой поверхности. Электроизоляционные эмали и пропиточные составы представляют собой полярные диэлектрики. Предполагая, что на поверхности полимерной изоляции выполняются принципы аддитивного и независимого действия межмолекулярных сил, поверхностную энергию у можно записать как [4]:
где индексы ё и И указывают соответственно на дисперсионную составляющую и полярную составляющую, обусловленную образованием водородных связей и дипольным взаимодействием.
Межфазное уі,2 натяжение между пропиточным составом уі и эмалевой изоляцией у2 можно найти по выражению:
Ниже в таблице приведены литературные данные для некоторых жидкостей, пользуясь которыми можно оценить свободную поверхностную энергию конкретных полимеров в стеклообразном состоянии.
К = 7ь +Ї8 - 7ь8
(1)
.. і * .И
7=7 +7
(2)
Из уравнения (4) можно найти у<1$ и ук$ по данным измерения углов смачивания ф двумя жидкостями, если значения у, уаь, укь для обеих жидкостей известны путем решения системы двух уравнений с двумя неизвестными (например, воды и глицерина) [4]:
Таблица
Значения у, уаь, уНь для различных жидкостей [4]
жидкость у103,Н/м уй-103,Н/м у103,Н/м
Метилениодид 50,8 49,5 1,3
н-Г ексан 18,4 18,4 0,0
Декалин 29,9 29,9 0,0
Формамид 58,2 39, 2 19,0
Г лицерин 63,0 37,0 26,0
Вода 73,0 22,0 51,0
Термодинамическую работу адгезии жидкости можно определить по выражению:
Ка = 7ь (1 + СОБ^) (6)
где уь - свободная поверхностная энергия адгезива (равна ажг - поверхностному натяжению жидкости); ф- краевой угол смачивания твердой поверхности жидкостью.
Поверхностное натяжение жидкости ажг и краевой угол смачивания ф поддаются непосредственному и достаточно точному измерению. По уравнению (6) определяют равновесную работу адгезии жидкости и при помощи этой величины сравнивают адгезионную способность жидкостей к различным твердым телам. Тогда величина работы адгезии может быть представлена как:
К = 71 + 7-Л,2 = 2(^т[-ь/гм) (7)
В настоящей работе проведено определение поверхностной энергии и работы адгезии для ряда марок обмоточных проводов и пропиточных лаков: ПЭФД-2-200 - КО-916К, ПЭТ-155 - ПЭ-9153М, ПЭТ-155 - КО-916К, ПЭТВ-2 - ГФ-95.
Определение смачивающих свойств и краевого угла смачивания проводились методом погружения с использованием электронных весов типа СЛИ 120Б. В качестве эталонных жидкостей с известными параметрами дисперсионной и полярной составляющими использовались дистиллированная вода и глицерин.
Образцы представляли собой отрезки эмалированного провода примерно одинакового диаметра (около 1 мм). Часть образца, погружаемая в жидкость, подвергалась шлифованию для обеспечения ровной поверхности контакта с жидкостью. Одна партия образцов была использована для определения смачивания воды и глицерина к поверхности эмалевой изоляции. Другая партия образцов предварительно окуналась в пропиточный лак, затем помещались в термошкаф для отверждения при повышенной температуре. Температурный режим сушки соответствовал указанному в нормативно-технической документации на пропиточный состав. Затем были определены параметры смачивания воды и глицерина к поверхности отвержденного пропиточного состава. За результат принималось среднее арифметическое не менее 10 измерений. Используя выражения (5 - 7) была рассчитана поверхностная энергия исследуемых материалов и работа адгезии между компонентами полимерной изоляции.
Полученные результаты сопоставленны с данными [5, 6] скоростей
дефектообразования НВ в исследованных системах, представлены в виде зависимости Нв = /(Жа) на приведенном ниже рисунке.
Анализируя результаты проделанной работы, можно сделать следующие выводы:
НБ? 10*
0,2 0,1? 0,16 о, и
0,13
0.1
0,08
0,06
0.04
0,02
0
Соотношение величин скоростей дефектообразования Нв и работы адгезии Жа в системах низковольтной межвитковой изоляции
1. Используемый подход расчетно-экспериментального определения работы адгезии Жа в системе «полимер - полимер» применим для оценки величины адгезионного взаимодействия в системе «пропиточный состав - эмалированный провод».
2. Сопоставление расчетных данных работы адгезии Жа с литературными данными о скорости дефектообразования Нв исследуемых систем показали, что с увеличением работы адгезии увеличивается скорость дефектообразования. Это связано с повышением вероятности развития сквозного дефекта в системе «пропиточный состав - эмалированный провод» что приводит к снижению надежности полученной композиции. При анализе были приняты некоторые допущения: не учитывалось распределение пропиточного состава в реальной обмотке, внутренние механические напряжения, работа адгезии принималась без учета процесса старения системы межвитковой изоляции. Тем не менее, полученный результат наглядно показывает взаимосвязь Жа и процессов дефектообразования в изученных системах.
3. Предлагаемый метод достаточно прост и имеет сравнительно малую продолжительность проведения работ. Полученные результаты могут быть использованы для оценки уровня скорости дефектообразования Нв в композициях «пропиточный состав -эмалированный провод».
4. Предварительный отбор компонентов межвитковой изоляции позволит прогнозировать интенсивность процессов разрушения изоляции низковольтных обмоток при эксплуатации и оптимизировать выбор её компонентов.
ММ'Ч"1
ТО*, 10^ Дж/м2
ЛИТЕРАТУРА
1. Похолков Ю.П., Леонов А.П., Шуликин И.Н. К вопросу о совместимости пропиточных составов и эмалированных проводов// Электротехника, 2009, - № 7, с. 30-33
2. Галушко А.И., Максимова И.С., Оснач Р.Г. Надежность изоляции электрических машин. М.: Энергия, 1979.-175с.
3. Зимон А.Д. Адгезия пленок и покрытий. М.: Изд-во «Химия», 1977.-352с.
4. Каган Д.Ф., Гуль В.Е., Самарина Л.Д.. Многослойные и комбинированные пленочные материалы. М.: «Химия», 1989.-288с.
5. ОСТ16. 0.800.821-88 Машины электрические асинхронные мощностью свыше 1 кВт до 400 кВт включительно. Двигатели. Надежность. Расчетно-экспериментальные метода определения.
6. Леонов А.П. Совместимость пропиточных составов и эмалированных обмоточных проводов// Деп. В ВИНИТИ 30.06.08, № 544-В2008
Рецензент: Гынгазов Сергей Анатольевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета.
