Изоляция электрических машин - Тепловые воздействия на изоляцию

§ 2. Тепловые воздействия на изоляцию и классы нагревостойкости
Математическое описание старения.
Классы нагревостойкости
Тепловое старение изоляции является следствием постепенного химического изменения входящих в ее состав органических веществ, например, пленок, волокон, связующих.
Скорость протекания химических процессов определяется кинетикой реакций, для теплового старения — термической и термоокислительной деструкцией молекул, из которых состоит полимер (реакцией деструкции называют реакцию, протекающую с разрывом химической связи в главной цепи макромолекулы). Если обозначить Л0 — начальное число молекул вещества в единице объема, a At— число молекул через промежуток времени t, то скорость химических реакций в большинстве случаев может быть выражена формулой
 (1)
где Kt — средняя вероятность распада одной молекулы в единицу времени, определяющая скорость химических реакций.
Зависимость Kt от температуры подчиняется закону Аррениуса         
(2)
где В — постоянная, зависящая от структуры веществ, вступающих в реакцию; W — энергия активации, k — постоянная Больцмана.
Подставляя (2) в (1) и интегрируя, получаем
) (3)
где Т = 273+0; 0—испытательная температура.
Для удобства обозначим 1п(—1/5 In At/AQ) — G, где G — постоянная, зависящая от исходных свойств материала А0 и задаваемого условиями испытаний предельного уровня деградации At. На основании зависимости In t = G 4- W/kT определяется время выхода из строя электроизоляционного материала или системы изоляции. Обычно представляет интерес оценка изменения срока службы изоляции t при изменении температуры в сравнительно узком диапазоне (порядка десятков градусов). В этом случае достаточную для такой оценки точность дает более удобное для расчетов выражение (так называемое правило Монтзингера)
  (4) где А и А0 — постоянные.
Как следует из этого выражения, при изменении температуры изоляции на Л0 срок службы ее меняется вдвое. Величина Л0 зависит от состава изоляции, качества ее изготовления, степени предшествующего старения и других факторов. Экспериментально установлено, что постоянная Д0 лежит в пределах от 8 до 20° С. Для расчетов часто используют значение Л0=1О°С. Системы изоляции, у которых при одинаковых сроках службы значения рабочих температур отличаются не более, чем на 5° С, объединяют в один класс. В существующей классификации изоляции по нагревостойкости согласно [14] нормируются предельные температуры, установленные из условий работы изоляционных материалов в воздушной среде.
Необходимо подчеркнуть, что в табл. 1 приведены предельные температуры для систем изоляции, а не отдельных ее компонентов и материалов, которые сами по себе могут иметь очень сильно различающиеся температурные индексы.
Таблица 1

Например, микалентная компаундированная изоляция на- гревостойкостью класса А содержит щепаную слюду, тепловая деградация которой происходит при температуре выше 500° С, и связующее битум, размягчающееся при

1. . 100° С. Из этого примера следует, что нельзя судить о классе нагревостойкости конструкции, состоящей из разнородных материалов, по характеристикам компоненты. Применение высоконагревостойкого наполнителя при менее нагревостойком связующем может повысить класс изоляции по отношению к связующему.

Для электрических машин, не имеющих системы водяного охдаждения обмотки, главной причиной выхода из строя изоляции являются тепловые воздействия. Поэтому повышение класса нагревостойкости изоляции, например за счет внедрения полимерных материалов на основе ароматического полиамида (фенилона), полиамида, полиамидимида и др. (нагревостойкость их 220° С и выше), позволяет повысить эксплуатационную надежность, мощность машины.
Для крупных электрических машин применяется изоляция классов В и F, т. е. с предельно допускаемыми темпера-
турами 130 и 155° С. Поэтому в эксплуатации предельные температуры активных и конструктивных частей генератора, соприкасающихся с изоляцией, не должны превышать этих значений (ГОСТ 533—76). Температура обмотки в эксплуатации контролируется с помощью датчиков температуры, термометров сопротивления, установленных на активную сталь генератора и изоляцию в предполагаемых наиболее нагретых точках. У генераторов с водяным охлаждением температура практически поддерживается на уровне значительно ниже допустимого по ГОСТу. Определяющей в этом случае является температура воды, выходящей из обмотки, обычно эта температура не должна превышать 85° С.

Процесс и признаки теплового старения

В процессе теплового старения в изоляции происходят химические и физические изменения. Во-первых, длительное действие температуры и взаимодействие изоляции с кислородом воздуха вызывают усадку изоляции или появление в ней пор и трещин. При термоокислительных процессах может произойти и дополнительная сшивка молекул полимеров, приводящая к увеличению жесткости, появлению хрупкости. Во-вторых, возможен и обратный процесс — химическое разложение (деполимеризация) под действием температуры, при этом материал может размягчаться  выделять летучие продукты, разрушающие соприкасающиеся с ним другие компоненты.
Физические изменения в системах изоляции, обусловленные процессом теплового старения, зависят от ее состава и конструктивного исполнения обмотки. Удобно их рассмотреть на примерах изоляции всыпной катушечной, шаблонной и стержневой обмоток.
Изоляция всыпных обмоток. Наиболее слабым элементом этой конструкции оказывается витковая изоляция» представляющая собой два слоя изоляции обмоточного„провода (соприкасающиеся витки), соединенных пропитывающим составом. В такой изоляции на границе  раздела проводник— полимер создается внутреннее напряжение авн, определяемое соотношением [1]
  (S)
где ад, ам —ТКЛР полимера и металла соответственно; £п- модуль упругости полимера; АТ — разность между температурой -стеклования полимера Тс и наименьшей температурой обмотки в эксплуатационных условиях.
Выражение (5) справедливо для одноосного растяжения, возникающего в устройствах продолговатой формы, каким
является и обмоточный провод. Внутреннее напряжение создается только в стеклообразном состоянии полимера, поэтому в (5) и входит АТ как различие низкой эксплуатационной температуры, например при перерывах в работе, и Тс.

Рис. 4
В процессе теплового старения из-за указанных выше химических процессов в полимерном материале изменяются его физические параметры (увеличиваются Тс и снижается ап), что приводит в целом к возрастанию авн, особенно в начальный период старения. Кривую изменения ствн в процессе теплового старения полимерного материала можно условно разделить на две области (рис. 4). Первая (до 1000 ч) характеризуется быстрым нарастанием напряжении, во второй (свыше 1000 ч) рост напряжений замедляется, так как модуль упругости, температура стеклования и TKJIP стабилизируются.
Внутренние напряжения влияют на стойкость материала к растрескиванию: Полимер растрескивается в том случае, когда внутренние напряжения сигма-вн и прочность 0р становятся соизмеримыми. Относительное сближение этих величин может происходить как в результате повышения сигма-вн, так и в результате снижения стР. Приведенные на рис. 4 зависимости авн, ар от времени старения даны для широко используемого в электрических машинах пропиточного лака МЛ-92 (меламинглифталевого).

Изоляция катушечных и стержневых обмоток крупных машин.

Неорганические компоненты изоляции — слюда, слюдинит, слюдопласт, стеклоткань, при рабочих температурах генератора практически не претерпевают каких-либо химических изменений, т. е. не старятся.
В термореактивной изоляции (ТРИ), состоящей из слюдинита, стеклоткани и эпоксидной  смолы, старится связующее— термореактивная смола, ее деполимеризация приводит к повышению хрупкости — ухудшению механических свойств изоляции в целом.
В микалентной компаундированной изоляции (МКИ),  состоящей из листов слюды, бумажной подложки и битумного лака, также старятся органические компоненты — бумажная подложка и битум, при этом подложка становится хрупкой, постепенно происходит ее химическое и механическое разрушение. Битумно-масляный лак, входящий в состав микаленты, и битумный компаунд, которым она пропитывается при компаундировке (пропитке и опрессовке), при старении становятся из вязких также хрупкими, частично улетучиваются, при механических воздействиях крошатся. В результате этого ослабляется связь как между слоями микаленты, так и между листками слюды в слое, изоляция легко расслаивается. При длительном_ нагреве микалентной изоляции параллельно с химическими процессами идет также процесс так называемого «распухания», имеющий в своей основе механические явления.  С повышением температуры резко ухудшаются механические свойства лака и компаунда (они размягчаются), вследствие чего листки слюды, согнутые на углах сечения стержня, имеют возможность несколько распрямляться, тем самым увеличивать радиус закругления изоляции на углах стержня. При этом в меньшей степени распрямляются внутренние слои, испытывающие давление внешних слоев, в большей степени — внешние слои, сдерживаемые лишь вязкостью связующего и покровной лентой.

Рис. 5
В результате описанного процесса сечение изолированного стержня принимает бочкообразную форму, между слоями изоляции, по-разному изогнутыми, появляются или увеличиваются воздушные прослойки, появляется или увеличивается зазор между внутренним слоем изоляции и поверхностью проводников стержня.
На рис. 5 представлено схематическое изображение сечения микалентной изоляции до распухания (а) и после распухания (б). Распухание особенно  сильно проявляется в местах, где ему ничто не препятствует, — в лобовых частях (включая место выхода из паза); в пазовой части оно ограничено размерами паза. Таким образом, состаренное состояние МКИ характеризуется следующими признаками:

1. изоляция утолщена в лобовых частях, на выходе из паза и в вентиляционных каналах статора (выпучивание изоляции в канал);
2. снятая со стержня изоляция расщепляется по слоям намотки микаленты;
3. снятая со стержня изоляция распадается на отдельные листки слюды (при очень сильной степени старения), бумажная подложка практически отсутствует, связующее осыпается;

1. понижается содержание связующего и повышается содержание воздушных включений.

Возможны другие условия теплового старения изоляции, например, сравнительно кратковременное действие температур, существенно превышающих допустимые рабочие температуры. Такие условия возникают, как правило, при местных перегревах в машине: местном перегреве активной стали, замыкании ряда элементарных проводников в -пазовой части обмотки, изломе проводника со случайным контактом в месте излома, перегреве стержня из-за закупорки недопустимого числа полых проводников в генераторе с водяным охлаждением обмотки и т. п.
Относительно теплового старения изоляции можно сделать следующие выводы.

1. Для изоляции низковольтных машин тепловое старение является определяющим. Для экспериментальной оценки долговечности проводится циклическое тепловое старение с периодическим воздействием механических нагрузок и влаги.
2. Тепловое старение играет существенную роль для изоляции крупных машин и гидрогенераторов с воздушным охлаждением, особенно для МКИ. В этом случае старение может быть определяющим для срока службы изоляции,, особенно, если фактическая температура близка к предельно допустимой.

Для обмоток гидрогенераторов с МКИ срок службы составляет около 20 лет, а в отдельных случаях требовалась замена обмотки через 8... 12 лет эксплуатации. При переходе к ТРИ расчетный срок службы обмотки увеличен до 40 лет.

1. Для генераторов с водородным охлаждением обмотки процесс теплового старения изоляции резко замедляется, хотя возможно проявление термомеханических явлений в машинах с маневренным режимом работы.
2. У генераторов с водяным охлаждением заметное тепловое старение отсутствует.