Г. М. Балабушкина, О. И. Домнин, Т. И. Упорова
В эксплуатации изоляция электрических машин подвергается действию разрушающих факторов: вибрации, перепадов температуры, механических сжимающих нагрузок, электродинамических ударных нагрузок, электрического поля, влаги и др. Поэтому значительное число аварийных остановок электрических машин происходит из-за повреждения их обмоток.
Одним из наименее исследованных факторов старения изоляции является механическое давление. Эта нагрузка не поддается устранению и действует как в аварийных режимах, так и на протяжении всего срока эксплуатации. В настоящее время для статорных обмоток крупных электрических машин широко используется композиционная термореактивная изоляция на основе слюдобумаг с термореактивным связующим. При отработке технологии изготовления новых видов термореактивной изоляции (ТРИ), предназначенных, например, для эксплуатации в более жестких условиях, качество партий может значительно изменяться.
Начальной стадии технологических работ обычно соответствует пониженное качество изоляции. Если испытания изоляции для оценки ее стойкости к разрушающим воздействиям проведены на образцах пониженного качества, то полученные результаты несут
ценную информацию, но не являются достаточными для оценки свойств образцов изоляции улучшенного качества. Поэтому необходимо выяснить, каким образом качество изоляции влияет на ее стойкость к разрушающим воздействиям. До тех пор пока такие закономерности не установлены, всякое совершенствование технологического процесса требует проведения длительных дорогостоящих испытаний. Следует отметить, что результаты испытания партий разного качества дают основания для оптимизации технологического процесса изготовления ТРИ с целью получения заданных свойств изоляции.
В связи с вышеизложенным в статье представлены результаты исследований влияния качества партий современной термореактивной изоляции на ее стойкость к действию электрического поля и сжимающей нагрузки. При проведении этих исследований критерием качества изоляции служила длительная электрическая прочность (ДЭП). Исследовалась стойкость разных партий изоляции к статической сжимающей нагрузке (давлению) путем сопоставления кривых жизни, снятых в исходном состоянии и после механического нагружения. Образцами изоляции служили стандартные стержни-макеты с медной токоведущей частью размером 7 х 28 X 800 мм. Изоляция из пропитанных лент изготовлена в цеховых условиях, приспособленных для производства натурных стержней и не вполне удобных для изготовления макетов. Стержни-макеты сделаны в соответствии с режимом, принятым на производстве, небольшими партиями и в разное время, что позволяло оценить возможные случайные колебания технологического процесса и качества исходных материалов.
В работе использовались образцы изоляции из ленты ЛТСС-3. Это один из видов ТРИ, широко применяемый в настоящее время для статорных обмоток крупных электрических машин. Сжимающая статическая нагрузка создавалась на узкой грани стержня с помощью пресса через пуансон с основанием 20 мм2 и составляла 24,5 МПа, что соответствует аварийной нагрузке для крупных электрических машин. Каждая партия, предназначенная для испытаний, разбивалась на группы образцов с примерно одинаковой толщиной (с точностью до 0,1 мм). Электроды длиной 100 мм из алюминиевой фольги притирались к поверхности изоляции. Для устранения неоднородности поля на краях электродов использовались конусы из кремнийорганической резины и покрытия из асбожелезистой ленты. Все испытания проводились при напряжении промышленной частоты в воздушной среде при комнатной температуре. Для каждого уровня напряженности испытывались 10—15 образцов до пробоя не менее 50% из них. По результатам испытаний строились кривые распределения времени до пробоя τ и определялись медианные значения lgτ, используемые затем для построения кривых жизни в координатах lg τ — lgЕ. Кривые жизни строились при двух-трех уровнях напряженности электрического поля, кроме исходного состояния. Для изоляции с известным наклоном кривой жизни (п = 13) достаточно определить время до пробоя при одном уровне приложенной напряженности и построить кривую жизни.
Исследовались пять партий образцов, изготовленных в разное время. Толщина изоляции партий изменялась в пределах от 2 до 3,5 мм.
Как видно из рис. 1, сроки жизни изоляции партий 1 и 5 в исходном состоянии различаются на 2,5 порядка, т. е. партии значительно отличаются по ДЭП. На том же рисунке изображены кривые жизни, снятые после воздействия сжимающей нагрузки.
Рис. 1. кривые жизни термореактивной изоляции: 1, 2, 3, 4, 5 —
партии 1—5 в исходном состоянии; 2', 3', 4′, 5' — партии 1—5 после нагрузки Р = 24,5 МПа
Сопоставляя кривые, можно заметить, что в результате механического воздействия кривые жизни всех партий в исследованном диапазоне τ значительно сместилась в сторону меньших значений практически без изменения наклона.
Рис. 2. Зависимость относительного снижения ДЭП от напряженности.
Рис. 3. Зависимость снижения ДЭП от давления.
Для анализа влияния качества изоляции на стойкость к сжимающей нагрузке вычислялось относительное изменение ДЭП. Для этого при фиксированном времени τ (10 ч) по кривым жизни определялись значения напряженности электрического поля Еисх и Ер после воздействия нагрузки Р. Результаты сведены в таблицу.
По данным таблицы на рис. 2 построены зависимости относительного снижения электрической прочности под действием механической нагрузки от запаса ДЭП в исходном состоянии. Точки всех пяти партий изоляции легли на одну прямую, параллельную оси абсцисс, что говорит о независимости относительного снижения ДЭП партии от ее качества в исходном состоянии. Для всех партий независимо от толщины и качества наблюдается снижение ДЭП на величину, близкую к 40% по сравнению с исходным состоянием. На рис. 3 приведена зависимость относительного снижения ДЭП от уровня сжимающей нагрузки, снятая в условиях, аналогичных приведенным выше, для двух других партий той же изоляции, изготовленных с интервалом в два года и имеющих разную среднюю толщину изоляции (2 и 3 мм). Из рисунка видно, что при изменении давления в три раза точки разных партий совпадают.
Выводы
- Относительное снижение ДЭП термореактивной изоляции под действием предварительного сжатия практически не зависит от качества и толщины изоляции в исследованных пределах этих характеристик. Эта закономерность не нарушается при изменении давления в три раза (от 8 до 24 МПа).
- Оценка стойкости высоковольтной изоляции к сжимающим нагрузкам по изменению ДЭП остается справедливой при вариациях качества и толщины изоляции в указанных пределах, что позволяет сокращать затраты на дорогостоящие и длительные испытания.
- Целесообразно проверить, наблюдается ли отмеченная закономерность на других видах термореактивной изоляции.
