УДК 621.313.048.004.624
СТАРЕНИЕ СИСТЕМ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ HЕCKOЛЬKИX НАГРУЗОК
Като, Кадотани, Кензо, Хирабояши, Тани, Натсуме (Япония)*
Введение. За последние 20 лет системы изоляции статорных обмоток мощных электрических машин претерпели определенные изменения. Обычно система изоляции состоит из слюдяных лент и связующего. На смену употреблявшимся ранее в качестве связующего битуму и шеллаку пришли ненасыщенные полиэфирные смолы. В настоящее время широко применяются эпоксидные смолы.
Механизмы термической и механической деструкции изоляции на основе термореактивных синтетических смол значительно отличаются от механизмов деструкции битумной изоляции. Так, например, в системах изоляции на основе синтетических смол в процессе термоциклирования никогда не наблюдалось развитие трещин. У эпоксидных смол адгезия к слюде выше, чем у ненасыщенных полиэфирных смол. Деструкция систем изоляции на основе ненасыщенных полиэфирных смол и эпоксидных смол отличается и по скорости. Однако сами механизмы деструкции должны быть сходными.
* Y. Каке, К. Kadotani, S. Kenjo, S. Hirabayashi, T. Tani, F. Natsume. Multi-stress degradation of insulation systems for high voltage rotating machines. Доклад 15-02 на сессии СИГРЭ 1982 г. Пер. с англ. Э. М. Попова.
Системы изоляции на основе ненасыщенных полиэфирных смел находятся в эксплуатации примерно 15—25 лет. Недавно авторам представилась возможность исследовать изоляцию стержней и катушек, извлеченных из реальных обмоток машин, которые находились в эксплуатации в течение длительного времени. Была обнаружена определенная тенденция к деструкции, которая, по-видимому, характерна для систем изоляции на основе синтетических смол.
Вместе с тем имеется ряд сообщений об ускоренных испытаниях на старение катушек с эпоксидно-слюдяной изоляцией при одновременном воздействии нескольких нагрузок [1—3]. Авторы провели испытания современных видов эпоксидно-слюдяной изоляции на старение при воздействии нескольких нагрузок в различных комбинациях. К настоящему времени системы изоляции на основе эпоксидных смол имеют наработку от 10 до 20 лет, однако лишь в нескольких случаях авторы имели возможность исследовать реально работавшие катушки.
В докладе предпринята попытка проанализировать эмпирические данные о старении во время эксплуатации изоляции на основе ненасыщенных полиэфирных смол статорных катушек и результаты старения эпоксидной изоляции на макетах катушек при форсированном и одновременном воздействии нескольких нагрузок. Авторы попытались определить степень воздействия различных видов нагрузок на скорость процесса деструкции изоляции, а также влияние на изоляцию одновременного воздействия нагрузок, вызывающих старение.
В заключение приведены предположения о роли каждого фактора в процессе деструкции изоляции при одновременном воздействии нагрузочных факторов в условиях реальной эксплуатации машин.
Анализ деструкции систем изоляции, находившихся в эксплуатации. В табл. 1. приведены результаты определения пробивного напряжения изоляции стержней нескольких турбогенераторов [4]. Эти данные необходимо рассматривать с учетом условий предшествующей эксплуатации каждого генератора. Количество наработанных часов у всех генераторов почти одинаково, но количество пусков и остановов значительно различается. По мере увеличения количества пусков и остановов наблюдается снижение остаточного пробивного напряжения Ur (в процентах исходного) , а место пробоя изоляции перемещается из пазовой части на внешнюю часть стержня. По данным табл. 1 для остаточного напряжения изоляции стержней было выведено следующее приближенное выражение, %:
(1) где Y — количество лет эксплуатации; N — количество пусков и остановов.
Аналогичная попытка была предпринята и в работе [5] с другой группой генераторов, где для оценки остаточного пробивного напряжения изоляции было предложено следующее выражение, %:
(2)
Таблица I. Остаточное пробивное напряжение изоляции турбогенераторов
Примечания: 1. Изоляция выполнена на основе щепаной слюды и ненасыщенной полиэфирной смолы.
2. Генераторы расположены по мере возрастания количества пусков.
*В скобках - стандартное отклонение.
** В числителе — пробой внутри паза, в знаменателе — вне.
Исходя из указанных уравнений можно допустить, что скорость снижения электрической прочности изоляции за год составит примерно 0,7— 1,2%, а снижение электрической прочности изоляции на 1000 пусков и остановов 4,4—8%. Приведенные выше результаты испытаний показывают, что старение изоляции стержней турбогенераторов в основном определяется циклическими тепловыми нагрузками, связанными с пусками и остановами машины.
На рис. 1 приведены данные, полученные при диагностических испытаниях при напряжении 30 кВ изоляции стержней турбогенератора № 4. Для определения наиболее разрушенного участка изоляции использованы раздельные электроды. Недавно введенный в практику новый параметр γ, характеризующий объемное содержание пустот в изоляции, имел наибольшее значение на участках изоляции вне паза в районе лобовых частей. На этих же участках наблюдался и пробой изоляции стержня.
Для определения степени разрушения изоляции в эксплуатации японскими исследователями [7] был предложен обобщенный коэффициент диэлектрических потерь
На рис. 2 приведена зависимость остаточного пробивного напряжения Ur изоляции на основе щепаной слюды и ненасыщенной полиэфирной смолы от обобщенного коэффициента диэлектрических потерь [7]. Испытывались изоляция стержней гидрогенератора после 10 лет эксплуатации и катушек асинхронного двигателя высокого напряжения после 16 лет эксплуатации.
Рис. 1. Значения коэффициента, характеризующего объемное содержание газовых включений в изоляции, на различных участках стержня турбогенератора № 4:
1 — разделенные электроды; 2 — конец сердечника статора генератора; 3 - место пробоя изоляции
Рис. 2. Зависимость остаточного пробивного напряжения изоляции на основе щепаной слюды и ненасыщенной полиэфирной смолы от обобщенного коэффициента потерь:
1 - катушки гидрогенератора, отработавшие 10 лет; 2 — катушки асинхронного двигателя, отработавшие 16 лет; N - катушки с нормальным старением; Р — катушки, изоляция которых значительно состарилась
Характер разрушения изоляции нескольких катушек, извлеченных из асинхронного двигателя, был аномальным. Пробой изоляции в этих катушках наблюдался в тех же местах, что показаны на рис. 1. Такие катушки были названы катушками со значительно разрушенной изоляцией, остальные катушки — с нормально состарившейся изоляцией. Распределение значений остаточного пробивного напряжения изоляции статорной обмотки асинхронного двигателя показано на рис. 3.
В [7] было введено новое выражение: карта значений обобщенного коэффициента диэлектрических потерь Δ в зависимости от наибольшей интенсивности ЧР при нормальном напряжении. Коэффициент Δ определялся при номинальном напряжении. На рис. 4 приведены экспериментальные данные для катушек, характеристики которых приведены на рис. 2, 3. N обозначает область, в которой расположены катушки с состарившейся изоляцией, Р — область, в которой расположены катушки со значительно состарившейся изоляцией.
Для катушек, принадлежащих к области Р, характерны болле высокие значения интенсивности ЧР в изоляции, чем для катушек, принадлежащих к области Ν.
С увеличением срока эксплуатации электродвигателей и генераторов старение изоляции также увеличивается, при этом значения Δ возрастают. С течением времени в некоторых катушках обмотки деструкция изоляции происходит с большей скоростью, чем в основной массе катушек, при этом возрастает значение наибольшей интенсивности ЧР в этой изоляции. Значительная деструкция изоляции, у которой наблюдаются наибольшие значения интенсивности ЧР, происходит на тех же участках изоляции.
Рис. 5. Распределение напряжения растяжения (а) и сдвига (в) от тепловых нагрузок в изоляции:
1 - сердечник статора; 2 — изоляция; 3 — проводник
На рис. 6 приведены кривые длительной электрической прочности при различных температурах изоляции на основе слюдяной бумаги и эпоксидной смолы [15]. Значения коэффициента и, характеризующего угол наклона кривой срока службы в логарифмических координатах, аналогичны для температуры 20 и 155°С, но несколько меньше для температуры 180°С. В [16] значение коэффициента п при 180°С было больше, чем при 20°С. В данном случае трудно найти явную взаимосвязь коэффициентов п и температуры.
Влияние повышенной температуры изоляции при испытании на длительную электрическую прочность должно четко проявляться в двух отношениях: повышенные температуры ведут, во-первых, к снижению сопротивления изоляции пробою и, во-вторых, к так называемому тепловому старению. Различия между этими последствиями требуют дальнейшего изучения.
На рис. 7 приведены кривые теплового старения изоляции на основе слюдяной бумаги, пленки и эпоксидного связующего в условиях действия электрической нагрузки и без нее [17]. Электрическая нагрузка была относительно небольшой (близка к номинальной). Испытание проводилось на частоте 1 кГц, что в 20 раз превышает промышленную частоту. Вопреки ожиданиям, эффект наложения электрической нагрузки оказался довольно слабо выраженным.
Механическая и тепловая нагрузки. Повышение температуры гораздо более сильно влияет на механическую, чем на электрическую, прочность изоляции катушек.
Рис. 6. Кривые длительной электрической прочности изоляции класса F на основе слюдяной бумаги и эпоксидного связующего
Рис. 8. Кривые усталостной прочности при изгибе для изоляции на основе слюды и эпоксидной смолы (n — количество циклов)
Рис. 7. Кривые теплового старения изоляции на основе слюдяной бумаги, пленки и эпоксидного связующего:
1 — тепловая нагрузка; 2 - тепловая и электрическая (3 кВ/мм, 1 кГц) нагрузки
Испытания на старение в условиях совмещенного действия тепловой и механической нагрузок проводились с целью определения кривых механической усталости изоляции при высокой температуре. Пример кривых усталости на изгиб приведен на рис. 8 [18, 19]. Частота наложения изгибающей нагрузки 30 Гц, испытательное напряжение 10 кВ/мм. Зависимости между амплитудной деформацией и количеством циклов до разрушения можно выразить в виде прямых линий в логарифмических координатах.
Согласно данным рис. 6, 8 температура гораздо больше влияет на усталость изоляции при деформациях изгиба, чем на длительную электрическую прочность. На рис. 8 уровень деформации на изгиб при температуре 120°С для изоляции класса В составляет примерно 50% уровня, характерного для комнатной температуры. Вместе с тем из рис. 6 видно, что уровень электрической нагрузки при 180°C для изоляции класса F составляет примерно 80% уровня, характерного для комнатной температуры.
Старение изоляции при циклическом действии деформаций на изгиб при высокой температуре зависит в основном от прочности связи между смолой и слюдой при различной температуре. Температура должна оказывать большое влияние на прочность связи, поскольку свойства смолы имеют в этом случае решающее значение. Вместе с тем электрическая прочность слюдяной изоляции определяется в основном содержанием слюды, а не свойствами смолы, и поэтому температура не столь сильно влияет на электрическую прочность.
