Статья представлена 24.11. 84.
УДК 621.313.045:621.315.61
Я. Я. Бушихина, Я. Я. Тубол (НИИПТ), Я. М. Голопогосова, Л. Т. Пономарев (ВНИИэлектромаш)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТАРЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТИПА ЭЛАСТОНИТ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Для улучшения технико-экономических показателей наиболее крупных электрических машин необходимо уменьшение толщины применяемой изоляции, что в свою очередь ведет к повышению рабочей напряженности электрического поля. У современных типов изоляции последняя должна быть доведена до 4-5 кВ/мм. Имеющаяся тенденция роста номинального напряжения генераторов требует проведения работ по дальнейшему повышению рабочих напряженностей до 6-8 кВ/мм. Максимальное допустимое значение tg δ применяемой изоляции при рабочем напряжении и температуре 20 °С должно быть не выше 0,04 [1 ].
В настоящей работе изучался срок службы моделей с эластонитовой изоляцией, которые изготавливались во ВНИИэлектромаш. Композиционная изоляция эластонит состоит из лавсановой пленки и нанесенного на ее поверхность с обеих сторон слюдобарьера с компаундом [2]. Сравнительные испытания моделей проводились на специализированных стендах длительных испытаний. Для определения оптимальной изоляционной конструкции, изготовленной из эластонита, было испытано несколько сотен моделей, которые различались как технологией изготовления, так и использованием разных типов компаундов. Каждая партия испытывалась на стенде до отказа (пробоя); в процессе испытания осуществлялся контроль состояния изоляции модели. Испытываемая модель представляла собой медный стержень сечением 40 X 4 мм2 длиной 500-800 мм с эластонитовой изоляцией. Для наложения изоляции применялась лента эластонита шириной 20—40 мм и толщиной 0,12—0,15 мм. Перед намоткой на ленту эластонита наносится слой липкого компаунда, который при технологической термообработке скрепляет слои эластонита. Ленты на стержень накладывались как встык, так и вполнахлеста. По окончании термообработки на изоляцию наносился слой полупроводящего лака и накладывался электрод из алюминиевой фольги.
Разбор изоляции моделей показал, что места стыков эластонитовых лент лишь частично заполняются компаундом и остается газовая полость, в которой развиваются ч. р. Подобные газовые полости имеют место и при намотке изоляции вполнахлеста. Вторым недостатком технологии изготовления эластонитовой изоляции является деформация лавсановой пленки при механическом обжатии. Однако в моделях, изготовленных без обжатия при технологической термообработке, имело место отслоение изоляции от поверхности стержня, что приводило к резкому увеличению интенсивности ч. р. Компаундирование и вакуумная обработка намотанной эластонитовой изоляции малоэффективны из-за газонепроницаемости лавсановой пленки. При применяемой технологии изготовления воздушные включения в эластонитовой изоляции неизбежны и слюдобарьер, входящий в состав эластонита, защищает лавсановую пленку от непосредственного воздействия на нее ч. р.
Увеличение срока службы и повышение рабочей и испытательной напряженности для разрабатываемой изоляции требует тщательной отработки технологии изготовления, опробования различных материалов, используемых в композиционной изоляции эластонит, подбора присадки в компаунд для повышения устойчивости материала к ч. р. Методы и условия испытаний моделей должны обеспечивать максимальное приближение к реальным условиям эксплуатации. Функциональные испытания сводились к учету влияния двух факторов старения изоляции — тепловому и электрическому, механические воздействия на данном этапе не рассматривались.
Выбор режима длительных испытаний на старение изоляции был предопределен следующим. Одной из задач, ставившихся в работе, было повышение рабочей напряженности электрического поля для изоляции эластонит до 5 кВ/мм. Исходя из этого, было выбрано значение напряженности при длительных испытаниях, в два раза превышающее рабочее и равное 10 кВ/мм. При этом механизмы старения для рабочего и испытательного режимов идентичны. При выборе температуры (Г) в испытательном режиме исходили из следующего. Во-первых, механизм старения должен быть одинаков для всех сопоставляемых партий как в рабочем режиме, так и в режиме испытаний, что обеспечивается при температуре 80 °С. При температуре 100 °С для ряда партий моделей, отличающихся связующим компаундом, уже в походном состоянии изменение зависимости tg E от воздействующего напряжения не было подобным. Во-вторых, выбранная температура 80 °С совпадает с теми температурами, при которых работает изоляция современных машин в эксплуатации.
При проведении длительных испытаний определялись характеристики изоляции моделей как в исходном состоянии, так и их изменение при заданных условиях старения. Исследование изоляции эластонит проводилось путем измерения таких ее характеристик,как tg δ = f(U, t, т), емкость с = /(С/, Г, т), где т — время старения изоляции. Определялось значение кратковременной электрической прочности при ступенчатом и плавном подъеме напряжения для отдельных образцов из партий моделей, напряжение начала ч. р. Для каждой модели определялось время наработки до отказа (пробоя) при заданных условиях испытания: проводился разбор изоляции и устанавливалась причина пробоя изоляции, определялось место ч. р. и наличие следов от них.
В исходном состоянии практически все модели имели зависимости tg δ от напряжения, приведенные на рис. 1. Из рассмотрения этих зависимостей следует, что возрастание напряженности электрического поля до 2,0-2,5 кВ/мм не вызывает роста tg δ, так ках ч. р. в газовых полостях отсутствуют и потери определяются в основном диэлектрическими потерями в твердой изоляции.
Рис. 2. Зависимость tg δ = f (U) с изменением температуры после старения при Е = 10 кВ/мм в течение т = 2500 ч
Рис. 1. Качественная зависимость tg δ = f(E) для моделей с изоляцией эластонит в исходном состоянии
С увеличением напряженности до 5 кВ/мм приращение tg δ обусловлено как ростом напряженности, так и охватом большего числа включений (полостей) ч. p. (Atg δ ч р ). При напряженности свыше S кВ/мм во всех включениях развиваются ч. р. Нагрев изоляции до 12 > 11 приводит к смешению зависимости tg δ =f(U) симметрично вверх (Atg St), причем приращение Atg δ ч р. для изоляции в исходном состоянии от температуры не зависит. Величина Atg δ / зависит от типа компаунда, применяемого при изготовлении изоляции модели. Приращение Atg δ 4>p. обусловлено способом наложения изоляции, термообработкой, составом липкого. компаунда, т. е. теми факторами, которые определяют размеры газовых полостей в изоляции.
Из обобщения результатов исследования развития ч. р. в единичной поре (полости) , проводившихся с помощью фотоэлектронного умножителя для комбинированной пленочной изоляции (полиэтилен, лавсан, эластонит) на плоских моделях с полупроводящим стеклом, следует, что мощность ч. р. (Рч р_), выделяющаяся в единичной поре при напряженности электрического поля, большей напряженности возникновения ч. p. (Ечр), может быть определена соотношением -Рч.р. = АЕа при Е > 1,1 Еч- р_, где а — постоянный коэффициент для данного вица изоляции, изменяющийся для эластонита от 4 до 6; А — постоянная, зависящая от толщины изоляции, геометрических размеров поры, давления газа, частоты воздействующего напряжения.
Влияние слюдобарьера было выявлено при сопоставлении результатов испытаний моделей, изготовленных из «истого лавсана с вязким компаундом и эластонита с тем же компаундом. Если в первом случае время до отказа для партии не превышало сотни часов, то при использовании эластонита время до отказа составило уже несколько тысяч часов. Длительная выдержка моделей под напряжением приводит к затуханию ч. р. в изоляции эластонита. Это затухание вызвано, вероятно, тем, что под воздействием ч. р. на стенках полости образуется проводящий слой, который снижает напряжение начала ч. р. в полости и приводит к снижению мощности единичного ч. р., что фиксируется как его затухание. Однако при изменении режима работы изоляции, например при ее нагреве, ч. р. вновь возникают, причем с ростом температуры интенсивность их возрастает. На рис. 2 приведена зависимость tg δ = f(U) при нагреве изоляции, состаренной при напряженности электрического поля 10 кВ/мм в течение 2S00 ч. Старение осуществлялось при температуре 20 °С. Нагрев изоляции приводит к перераспределению напряжения между газовой полостью и твердой изоляцией. Проводимость полости оказалась в этих условиях недостаточной и возросла интенсивность ч. р. в полости. Проводимость полости за счет дополнительного разрушения компаунда возрастает, и ч. р. постепенно будут затухать. Подобное же влияние температуры имеет место и для изоляции, старившейся при Е — 10 кВ/мм в течение 10000 ч. Пробой изоляции в горячем состоянии может наступить и до затухания ч. р. вследствие уменьшения объема неразрушенного компаунда.
Экспериментально установлено, что введение в компаунд при изготовлении эластонитовых лент некоторых присадок позволяет сократить время, необходимое для затухания ч. р. в газовых полостях, что увеличивает время до отказа изоляции моделей. Добавление в связующий компаунд присадок типа А, Б и В привело к ускорению образования проводящих путей и, как следствие, к затуханию ч. р. в изоляции, что выразилось как в отсутствии зависимости tg δ от воздействующего напряжения, так и в уменьшении tg δ во всем диапазоне изменений как температуры, так и напряжения. Модели, содержащие присадку типа Б, имеют более быстрое снижение tg δ до предельного значения, чем модели с присадкой А (рис. 3). Добавка присадки типа В приводит к снижению значения tg δ лишь в начальный период старения. Затухание ч. р. выражается не только в отсутствии зависимости tg δ от воздействующего напряжения, но и в уменьшении значения tg δ, причем со временем имеет место замедление этого уменьшения. Изменение tg δ при старении для моделей с присадками типа А и Б связано с изменением их емкости. Для этих партий моделей емкость возрастает почти в 2 раза (рис. 4). Длительное старшие изоляции при напряженности электрического поля Е — 10 кВ/мм и температуре t = 80 °С показало, что добавление присадок типа А, Б и В повысило время до отказа для этих моделей по сравнению с моделями, выполненными на эластоните со связующим ЭК-56 без присадок: для. моделей с присадкой типа А среднее время до пробоя составило тср = 3200 ч (минимальное ттjn = 700ч), дня моделей с присадкой типа Б - тср = 7000 ч (Tmin = 2500 ч), для моделей с присадками типа В и Б - тср = 4000 ч (Tmin = 800 ч), для моделей без присадок = 1500 ч (Tmin = 650 ч). Таким образом, по результатам длительного старения наилучшие результаты имеют модели с присадкой типа Б.
Обобщая полученные результаты испытаний, все испытанные модели можно разделить на две группы. К первой группе относятся модели, у которых с увеличением времени старения возрастает интенсивность ч. р. и соответственно приращение A tg δ Ч.Р., либо эта величина сохраняет свое исходное значение (см. рис. 1). Ко второй группе относятся модели, в изоляции которых ч. р. уменьшаются, либо полностью затухают со времени старения (см. рис. 3), скорость же затухания ч. р., как было показано выше, может быть значительно увеличена при внесении в компаунд присадок. Так, добавление присадки типа Б привело к затуханию ч. р. через 2000 ч (рис. 3). Однако при введении присадок необходимо учитывать возможность увеличения общего tg δ изоляции.
Рис. 3. Зависимость tg δ = / (т); старение при Е = 10 кВ/мм, Г = 80 °С 1, 2, 3 — присадка типа А; 1', 2',3' — присадка типа Б; 1", 2",3" — присадка типа В; 1, Г,1" - 20 °С; 2,2', 2"- 40°С; 3,3', 3" — 70°С
В настоящее время отсутствует опыт эксплуатации эластонита при напряженности электрического поля, равной 5-6 кВ/мм, нет данных и по стендовым испытаниям при предполагаемых значениях рабочей напряженности, что объясняется большим сроком испытаний, тоща как отказ моделей, рекомендуемых для промышленной проверки и старившихся при напряженности электрического поля 10 кВ/мм и температуре 80 °С, наступает примерно через 104 ч. Если принять, что пробой изоляции определяется целиком ч. р. и что мощность ч. р.
, то время до отказа при Е= 5 кВ/мм и а = 5 можно приближенно оценить по соотношению тр =
В дальнейшем, по мере накопления экспериментальных данных для оценки срока службы изоляции с ч. р. может быть применено соотношение тср = /(E*, Г), для которого должны быть определены значения Е = /(Рч_р., т) и* =/(Л,.р.,т).
Рис. 4. Зависимости tg δ = /(т), с = /(т); а) присадка типа А; б) присадка типа Б А 2 - tg δ = /(т); 3-c=f(т)
Вывода. 1. При напряженности электрического поля до 2,5-3,0 кВ/мм изоляция типа эластонит обеспечивает достаточную эксплуатационную надежность.
- При напряженности электрического поля 5 кВ/мм для эластонита с применением присадки Б ориентировочное время до отказа изоляции оценено 105 ч.
- Наилучшим вариантом из рассмотренных являются модели с присадкой типа Б.
- При напряженности электрического поля свыше 5 кВ/мм необходимо исследование материала с применением присадок, которые бы сократили время затухания ч. р. до сотен часов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Данилевич Я. Б., Пономарев Л. Т. Требования к высоковольтной корпусной изоляции мощных электрических машин. - Тезисы докладов ко Всесоюзному научно-техническому семинару "Вопросы старения изоляции высоковольтного оборудования” (Тбилиси, 1983). Л.: НТОЭиЭП, 1983.
- Исследование электрических характеристик изоляции типа эластонит /Авт. А. К. Манн, Н. Н. Бушихина, Т. А. Матвеева, Л. Л. Апухтина, Г. И. Захаров, Л. Т. Пономарев. - В кн.: Вопросы надежности и исследования электромагнитных, тепловых и механических процессов в электрических машинах. Л.: ВНИИэлектромаш, 1981.
