Старение изоляции электрических машин при воздействии нескольких нагрузок - Электрическая и механическая нагрузки, выводы

Сообщений о проведении испытаний на механическую усталость в условиях постоянного действия электрической нагрузки пока не публиковалось. Однако были проведены испытания на длительную электрическую прочность при статической изгибающей нагрузке. На рис. 9 показана зависимость длительной электрической прочности при напряженности 8,4 кВ/мм изоляции на основе слюдяной бумаги и эпоксидного связующего [20].

Рис. 9. Время испытания на срок службы в условиях действия статической изгибающей нагрузки изоляции на основе слюдяной бумаги и эпоксидного связующего (напряженность электрического поля при испытании 8,4 кВ/мм)

Рис. 10. Прочность изоляции на сдвиг в условиях перпендикулярной нагрузки для изоляции класса F на основе слюдяной бумаги и эпоксидного связующего
Длительная электрическая прочность начинает снижаться при изгибающих нагрузках, примерно равных 60 МН/м2, причем эта тенденция наиболее заметно проявляется при уровне нагрузки выше 100 МН/м2. Характерно, что при нагрузках до 60 МН/м2 пробой изоляции происходил на стороне, где действовало растягивающее напряжение. Изгибающие напряжения в условиях реальной эксплуатации находятся гораздо ниже уровня 60 МН/м2, поэтому при эксплуатации деструкция изоляции будет проходить в основном под воздействием напряжений сжатия, а не растяжения.

Дискуссия.

Для рассмотрения вопроса о механизмах деструкции изоляции в условиях одновременного воздействия разных нагрузок необходимо, в первую очередь, обобщить эмпирические данные, полученные на катушках из реальных электрических машин, и объяснить механизмы деструкции. Наиболее сильно изоляция была разрушена вне паза около места выхода катушек из пазов статора, что было показано на рис. 1 и пояснялось данными табл. 1 и рис. 2. Как следует из приближенных уравнений (1) и (2), на деструкцию изоляции стержней турбогенераторов количество пусков и остановов оказывает более сильное влияние, чем количество лет эксплуатации.
Из рис. 5 видно, что термические нагрузки, связанные с пусками и остановами машины, максимальны в месте выхода катушек из паза статора. Этот факт, однако, не может объяснить развития повышенной деструкции вне паза. Была определена важная характеристика — межслойная прочность изоляции на сдвиг в условиях действия перпендикулярной к слоям нагрузки. Результаты показаны на рис. 10 [15]. Межслойная прочность изоляции на сдвиг довольно сильно зависит от нагрузки, направленной перпендикулярно к слоям. Прочность на сдвиг определяется прочностью связи в местах наличия связи и силами трения в местах отсутствия связи.

Рис. 11. Расслоение изоляции под действием предполагаемых нагрузок (А- открытое расслоение; В - закрытое расслоение) в месте выхода обмотки из сердечника статора:

σn - напряжение сжатия; ет - термическая деформация; τ — напряжение сдвига, вызываемое действием ет и σn; Мf - изгибающий момент; σf- напряжение изгиба, вызываемое действием момента Мf

Силы трения, в свою очередь, зависят от нагрузки, направленной перпендикулярно слоям. В условиях действия перпендикулярного растягивающего напряжения, которое должно возникать вне пределов паза на стороне, где изоляция сжимается, межслойная прочность, особенно при высоких температурах, резко падает.
Далее приведены предложения о влиянии каждого вида нагрузки на процесс деструкции изоляции в условиях одновременного воздействия разных нагрузок. Нагрузки, предположительно воздействующие на изоляцию в месте выхода стержня из паза статора, показаны на рис. 11, Расслоение (или разрыв связей элементов изоляции) может произойти под действием напряжения сжатия, обусловленного изгибающим моментом Mf. Для турбогенераторов, при несовершенном исполнении укладки обмотки, допускающем осевые перемещения лобовых частей обмоток, изменения температуры при пусках и остановах машины ведут к появлению большого момента от изгибающих сип.
Как показано на рис. 5, в месте выхода катушки из паза напряжение сдвига и растяжения в изоляции, вызываемые тепловой нагрузкой, могут достигать больших значений. Уменьшение межслойной прочности на сдвиг при расслоении и более высокие напряжения сдвига, действующие в этом месте, должны привести к дальнейшему развитию расслоений и деструкции изоляции. Влияние пусков и остановов на этот процесс должно быть очень сильным, поскольку при этом возникают большие напряжения сдвига. Изгибающие нагрузки в ходе эксплуатации тоже должны влиять на процесс деструкции, поскольку они вызывают уменьшение межслойной прочности на сдвиг на стороне сжатия.
Наибольшее влияние должна оказывать рабочая температура, поскольку она влияет на развитие процесса расслоения изоляции. Воздействие нормального рабочего напряжения, видимо, можно считать незначительным, хотя его необходимо учитывать на последующих этапах старения изоляции. На начальных этапах деструкции изоляции факторы так называемого теплового старения и ЧР, видимо, не столь важны, как механическая усталость. Для дальнейшего изучения механизма деструкции изоляции необходимо исследовать поверхность раздела между слюдой и смолой. В [21] сообщалось о наблюдении микротрещин на указанной поверхности раздела. Было сделано предположение [22] о наличии на границе раздела аномального слоя смолы, чувствительного к температуре.

Выводы.

По результатам исследования изоляции реальных машин было установлено следующее:
наиболее сильно изоляция разрушена вне паза вблизи места выхода стержней или катушек из паза статора. Остаточная электрическая прочность описывается уравнениями, в которые входят количество лет эксплуатации и количество пусков и остановов машины, причем последнее имеет большое влияние на электрическую прочность;
вначале происходит нормальное старение изоляции, за которым может последовать аномальное или значительное старение изоляции. Значительное старение наблюдалось на участках изоляции вне паза вблизи места выхода стержней или катушек из паза статора; при этом старение изоляции не связано с уровнем приложенного напряжения.
По результатам комбинированного испытания на старение было установлено следующее:
высокая температура влияет на изоляцию двояко: она ведет к уменьшению сопротивления пробою и к так называемому тепловому старению;
механическое старение в основном проявляется на стороне, где действует напряжение сжатия. Действие нагрузки сжатия, возникающей при изгибах, должно вести к уменьшению межслойной прочности изоляции на сдвиг.
В докладе сделаны выводы о влиянии каждого вида нагрузки (рабочей температуры, нормального напряжения, электромагнитной вибрации, действующей на изгиб, напряжений сдвига, возникающих при пуске и остановах машин и пр.). Для подтверждения высказанных предположений необходимы дальнейшие экспериментальные исследования.

Список литературы

1. Font Е. М., Pietsch Η. Е. Aging оf insulation by thermal and electrical stresses (IEEE 1975 E/EIC Record, p. 143-146).
2. Boulter E. A. Multi-factor insulation system functional tests (Conference Record of 1976 IEEE International Symp. on Elec. Insul., p. 93-96).
3. Paloniemi P. Multi-stress endurance tests on high-voltage motor insulations, with equal acceleration of each stress (Conference Record of 1980 IEEE International Symp. on Elec. Insul., p. 30-33).
4. Hirabayashi S., Tani T., Matsuda S., Itoh H., Saito K. The degradation of Synthetic-Resin-Mica insulation for high-voltage generators (Mitsubishi Denki Giho, vol. 54, N 3,p. 212-216 1980).
5. Kadotani K., Taniguchi M., Aki F., Matsunobu K. Resolution diagnosis and life evaluation of high-voltage coils for large rotating machines (Hitachi Hydron, vol. 63, N 3, p. 191-196,1981).
6. Temse H., Hirabayashi S., Hasegawa T., Kimura K. A new AC content testing method for non-destructive insulation tests (IEEE Trans, on Power Appl. and Syst., vol. PAS-99, N4,p. 1557-1566,1980).
7. Kadotani K., Miyashita T., Aki F., Matsunobu K. An approach for insulation diagnosis of Mica-Resin coils (IEEE PES 1981 Wunter Power Meeting, Paper 81 WM 1841).
8. Akahori H., Mitsui H., Koyanagi E. Considerations on the insulation degradation characteristics by functional tests (Conference Record of 1980 IEEE International Symp. on Elec. Insul., p. 26-29).
9. Теrase H., Mitsui H., Inoue Y., Yoshida K., Kenjo S. Proposal of GF (Gas filled) insulation for rotating machines (IEEE PES 1981 Winter Power Meeting, Paper 81 WM 198-1).
10. Tsukui T., Takamura M., Kako Y. Correlations between nondestructive and destructive tests on high-voltage cofl insulations for rotating machines (IEEE Trans, on Elec. Insul., vol. El-16, Ν’ 2, p. 118-127,1981).
11. Katodani K., Kako Y. Capability of insulation diagnosis for Mica-Resin insulated coils (IEEE Trans, on Elec. Insul., vol. Е1-15,М»6,р. 481-490,1980).
12. Ohtaguro M., Yagiuchi K., Yamaguchi H. Mechanical behavior of stator endwindings (IEEE Trans, on Power Appl. and Syst., vol. PAS-99, № 3, p. 1181-1185, 1980).
13. Futakawa A., Yamasaki S. Dynamic degormation and strength of stator and windings under sudden short circuits (IEEE Trans, on Elec. Insul., vol. El-16, № 1, p. 31-39, 1981).
14. Ohtaguro M., Haga K., Yagiuchi K. Mechanical Properties and evaluation on coil insulation for high voltage rotary machines (Fuji Electric Journal, vol. 51, № 2, p. 116— 122,1978).
15. Kadotani K. Multi-stress (thermal, mechanical and electrical) degradation of large motor insulation (IEEE Japan 1981 Annual Conference, Paper S. 5-2). .
16. Mitsui H., Inoue Y. Statistical analysis on the electrical failure properties of the form-wound epoxy micaceous insulation systems for rotating machines (IEEE Trans, on Elec. InsuL, vol. El-12, Ν’ 2, p. 237-247, 1977).
17. Natsume F., Maeda T., Kurahashi A. Multi-stress (thermal and electrical) degradation of mica insulation (IEE Japan Study Meeting on Elec. Insul., Paper EIM-78-41, 1978).
18. Futakawa A., Hirabayaslu S., Tani T., Shibayama K. Mechanical fatigue character is tics of high voltage generator insulation (IEEE Trans, of Elec. Insul., vol. EI-13, № 6, p. 395-402,1978).
19. Futakawa A., Yamasaki S., Kawakami T. Deformation and fracture behavior of stator Windings subjected to cyclic bending loading (IEEE Trans, on Elec. Insul., vol. El-14, N 4, p. 193-199,1979).
20. Mutsui H., Yoshida K., Inoue Y., Kawahara K. Mechanical degradation of high voltage rotating machine^ insulation (IEEE Trans, on Elec. Insul., vol. El-16, №4, p. 351 — 359, 1981).
21. Kimura K., Hirabayashi S. Dielectric breakdown of Mica/Epoxy composite (Trans. IEE Japan, vol. 97, Ν’ 5, p. 230-236,1981).
22. Kadotani K. Dielectric constant of integrated mica and epoxy resin composite (Trans. IEE Japan, vol. 102, Ν’ 2, p. 1981).