Электрическое старение композиционной изоляции электрических машин

УДК 621.313.045:621.315.61
Н. Н. Бушихина, Η. Н. Тубол, Т. А. Матвеева (НИИПТ), Ж. П. Погодина, Г. М. Подгорская, Г. Ф. Полякова (НИИЛПЭО "Электросила"), О. С. Богоявленский, Л. Т. Пономарев (ВНИИ электромашиностроения)
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СТАРЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

По результатам испытаний на длительное электрическое старение статорных катушек 8 вариантов применяемой и вновь разрабатываемой изоляции электрических машин проведено сравнение их длительной и кратковременной прочности с целью модификации изоляции электрических машин класса напряжения 6 кВ. Определено влияние режимов и сроков старения на состояние изоляции исследуемых вариантов для трех зон изоляции: паза и зон углов в отогнутом и неотогнутом положении. Определены наиболее эластичные и устойчивые к электрическому старению модификации.

Изоляция электрических машин в процессе эксплуатации изменяет свои характеристики под влиянием механических воздействий при укладке обмотки, вибраций, высокой температуры, рабочего напряжения, перенапряжений, ударных динамических нагрузок. Для оценки срока службы, ресурса изоляции необходимо знать закономерности старения изоляции с учетом влияния внешних факторов.
Электрическое старение под действием частичных разрядов (ч. р.) является одним из определяющих факторов при выборе рабочих нагрузок для изоляции высоковольтных электрических машин. Системы изоляции, содержащие слюдяной барьер, имеют высокую устойчивость к ч. р. и могут длительно эксплуатироваться при наличии ч. р. малой интенсивности. Однако нарушение структуры барьера, вызванное технологическими причинами, механическими воздействиями или другими факторами, сокращает срок службы изоляции, поэтому при разработке технологии с целью ее унификации требуется проведение высоковольтных испытаний на длительное электрическое старение. С целью выбора оптимального варианта изоляции электрических машин класса напряжения 6 кВ в настоящей работе выполнены исследования как кратковременной, так и длительной электрической прочности применяемых и разрабатываемых в настоящее время восьми вариантов изоляции. В качестве базового рассматривался вариант на ленте ЛСЭП-9125ТТ, испытывались также вариант на ленте ЛИПЭФ, широко применяемый в настоящее время, три новых варианта термореактивной изоляции: типа слюдотерм (на ленте ЛСЭП-263Т), два типа монотерма (на ленте ЛСЭН-526Т и на ленте ЛСЭН-526ТПл), — а также катушки с изоляцией эластонит (СЭП) и два варианта типа монолит на сухих лентах (ЛСКН-160ТТ и ЛСКН-135ТПл).  Объектами испытаний являлись катушки статорной обмотки двигателя на напряжение 6 кВ (толщина изоляции 2 мм). Изготавливались катушки в объединении "Электросила". Для проведения испытаний электроды из алюминиевой фольги накладывались на полупроводящее покрытие.
Длительное электрическое старение изоляции электрических машин осуществлялось на специализированных стендах длительных испытаний. Методика испытаний статорных катушек была составлена с учетом специфической особенности технологии изготовления обмоток из пропитанных лент, заключающейся в укладке полностью запеченной изоляции в пазы статора и отгибе шаговых катушек. В ходе длительных испытаний определялись закономерности электрического старения как пазовых частей изоляции, несущих наибольшие электрические нагрузки, так и прилегающих к ним зон углов, имеющих большую вероятность повреждения изоляции при укладке обмоток в статор и отгибе шаговых катушек. Степень влияния этих механических воздействий определялась как сопоставлением значений кратковременной электрической прочности, так и временем до пробоя для этих зон изоляции при ее длительном электрическом старении.
В исходном состоянии определялась кратковременная электрическая прочность изоляции и изменение tgδ в зависимости от воздействующего напряжения при фиксированной температуре 20 °C и 130 °C, а также изменение tgδ при повышении температуры от 20 °C до 140 °C. Длительное электрическое старение всех исследуемых вариантов изоляции осуществлялось при трех фиксированных значениях напряженности электрического поля: Е = 8, 10 и 12 МВ/м. Контроль состояния изоляции при старении осуществлялся путем определения изменения tg δ в зависимости от воздействующего напряжения (U) и температуры (θ) и определения основных характеристик ч. р. Длительное электрическое старение катушек до пробоя изоляции велось до отказа 75% испытываемых образцов. Для оставшихся катушек с непробитой изоляцией снимались зависимости tgδ=f(U, θ) и определялась кратковременная электрическая прочность состаренной изоляции. В каждом варианте испытывалось по 15 катушек для каждого уровня испытательной напряженности и еще 15 катушек использовались для определения кратковременной электрической прочности изоляции в исходном состоянии.
Рассмотрение результатов определения кратковременной электрической прочности в исходном состоянии, характеризуемой пробивным напряжением при плавном его подъеме, для всех исследуемых вариантов изоляции свидетельствует о том, что наиболее низкий уровень пробивного напряжения как для пазовой части изоляции, так и для зоны углов имеет изоляция ЛИПЭФ, а наиболее высокий — вариант с новой изоляцией ЛСЭН-526Т, где 50%-ные значения пробивного напряжения выше соответствующих значений базового варианта (ЛСЭП-9125ТТ) в 1,2—1,4 раза (табл. 1). 

Таблица 1

Наибольший разброс значений из новых вариантов изоляции имеет вариант с лентой ЛСЭП-263Т. Значения кратковременной электрической прочности двух вариантов изоляции типа монолит близки между собой и находятся на уровне базового варианта.
Приведенное на рис. 1 сопоставление распределений электрической прочности для различных зон изоляции показывает снижение прочности изоляции в зоне углов по сравнению с изоляцией паза. Наиболее существенно это снижение проявилось для зоны отогнутых углов: сравнение 50%-ных значений Uпp.кр (табл. 1) дает соотношение снижения прочности: 1,0; 1,5; 2,0, соответственно, при этом снижается и разброс значений Uпp.кр (рис. 1). Среди новых изоляционных материалов влияние отгиба наиболее сильно сказалось для варианта ЛСЭП-263Т, проявившееся и в снижении пробивного напряжения, и в увеличении разброса его значений, по сравнению с другими новыми вариантами исследуемой изоляции.
Кратковременная электрическая прочность изоляции паза, подвергавшейся старению при Е=10 МВ/м, снизилась для исследуемых вариантов либо до уровня прочности изоляции зоны отогнутых углов, либо несколько ниже, но не более чем на 1% (см. рис. 1).

Рассмотрение результатов исследования tgδ для всех вариантов изоляции в исходном состоянии показало, что температурная зависимость tgδ для группы изоляции, в которую входит изоляция типа монолит (ЛСКН-160ТТ и ЛСКН-135ТПл) и типа монотерм (ЛСЭН-526Т), имеет плавный характер, и tgδ при температуре 130 °C не превышает 0,1 (рис. 2). Для второй группы изоляции, в которую входит базовая изоляция (ЛСЭП-9125ТТ), изоляция ЛИПЭФ и ЛСЭП-263Т при определенной для каждого вида изоляции температуре, наблюдается резкое возрастание tgδ и его значение при температуре 130 °C достигает 0,6. Изоляция на эпоксиноволачном связующем (ЛСЭН-526ТПл) и эластонит занимают промежуточное положение и tgδ при 130°C не превышает 0,4 и 0,2, соответственно.
Результаты длительного электрического старения при напряженности электрического поля Е=10 МВ/м показали, что наименее прочной изоляцией является изоляция ЛИПЭФ, время до пробоя для этого вида изоляции не менее чем на порядок ниже, чем у всех остальных исследовавшихся вариантов. Характеристическое значение времени до пробоя Хм (распределение Вейбулла), оцененное графически, составило для пазовой зоны, наиболее прочной для этого вида изоляции, всего 8 ч, тогда как для базового варианта (ЛСЭП-3125Т) τпр=Хм= 300 ч (табл. 2).
Для изоляции типа монолит время до пробоя находится на уровне базового варианта: у изоляции ЛСКН-160ТТ для угловых и пазовых зон, а для ЛСКН-135ТПл — для зоны углов. Для пазовой изоляции в последнем случае имеет место превышение соответствующего времени до пробоя базовой изоляции в 4—5 раз (см. табл. 2). Снижение воздействующей напряженности при старении с 10 МВ/м до 8 МВ/м привело к увеличению времени до пробоя не менее чем в 5 раз.

Таблица 2

Существенно выше, в 4—6 раз, по сравнению с базовой изоляцией время до пробоя для новых вариантов изоляции. Так, при напряженности электрического поля Е=8 МВ/м время до пробоя для зоны неотогнутых углов и пазовой изоляции ЛСЭП-263Т составило τпр=9200-9600 ч, в то время как для зоны отогнутых углов базового варианта соответствующая величина равнялась 950 ч (см. табл. 2). Практически для всех вариантов исследуемой изоляции время до пробоев в зоне отогнутых углов ниже, чем для пазовой изоляции; исключением является эластонит, где это время до пробоя в зоне отогнутых углов в 1,5—2 раза выше, чем для пазовой изоляции и зоны неотогнутых углов, и составила τпр=Хм=6000 ч в случае старения при напряженности Е = 8 МВ/м и находится на уровне лучших исследуемых вариантов изоляции (табл. 2). Наименьший разброс наблюдается у всех вариантов для пазовой изоляции, кроме эластонита, у которого наименьший разброс имеет место для зоны отогнутых углов.

Выводы.

1. Наилучшими видами изоляции по результатам испытаний на длительное старение является изоляция ЛСЭН-526Т, ЛСЭП-263Т и ЛСЭН-526ТПл: у этих вариантов время до пробоя при всех режимах испытаний превышает соответствующее время базового варианта (ЛСЭП-9125ТТ) как для пазовой изоляции, так и для зон углов.Все виды изоляции типа монолит по характеристикам длительной электрической прочности угловых зон находятся на уровне базового варианта, а по характеристикам пазовой части превосходят его.
2. Влияние отгиба катушек наиболее сильно проявилось для изоляции ЛСЭП-263Т и привело к снижению как кратковременной, так и длительной электрической прочности в зоне отогнутых углов. Необходимо отметить эластичность изоляции эластонит: для этой изоляции зона отогнутых углов оказалась прочнее пазовой изоляции, а при напряженности Е=8 МВ/м характеристики этой изоляции приближаются к характеристикам лучших вариантов.
3. Наихудшие характеристики имеет вариант ЛИПЭФ: при напряженности электрического поля Е=10 МВ/м время до пробоя для его пазовой изоляции на два порядка ниже соответствующих значений остальных вариантов.
4. Сопоставление характеристик изоляции показало, что кратковременные испытания не могут быть эквивалентом длительных при оценке качества изоляции.