Изоляция электрических машин - Определение нагревостойкости электроизоляционных материалов

Глава 2
ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ
§ 7. Определение нагревостойкости электроизоляционных материалов и конструкций
При рассмотрении нагревостойкости используются следующие термины и понятия, отраженные в отечественных и международных стандартах [14].
Нагревостойкость — способность электрической изоляции (ЭИ) выдерживать воздействие повышенной температуры определенного уровня (класса) в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, без ее недопустимого ухудшения.
Конструкция электрической изоляции (КЭИ) — совокупность обработанных и заранее изготовленных электроизоляционных материалов (ЭИМ) или материал, рассматриваемый в сочетании с присоединенными проводящими частями, предназначенные для использования в конкретных типах или частях изделий. Ресурс ЭИМ — время или другая количественная характеристика длительности воздействия испытательных условий, в результате которого контролируемый параметр ЭИМ достигнет предельного уровня («конечная точка»).
Оценка нагревостойкости ЭИМ и систем ЭИ является основной задачей при разработке и внедрении новых материалов и КЭИ. Так как одни и те же материалы могут иметь различное применение (как по конструктивным и технологическим, так и по эксплуатационным условиям), то практически в разных изоляционных конструкциях один и тот же материал может работать при разных предельно допустимых температурах. Например, полиэтилентерефталатная пленка (лавсан), имеющая нагревостойкость 130° С, в системах изоляции, содержащих слюду или слюдинит и эпоксидно-полиэфирное связующее, может надежно работать при 155° С. Поэтому понятие «класса нагревостойкости» (КН) (см. § 2) оставлено только для конструкций ЭИ, а для материалов введен термин «Температурный индекс» (ТИ), представляющий собой температуру, при которой материал имеет средний ресурс 20 000 ч. ТИ и КН определяют по экспериментально найденной зависимости времени жизни от температуры. КН систем изоляции и ТИ материалов определяют ускоренно, проводя функциональные испытания не менее чем при трех значениях температуры, превышающих температуру эксплуатации.

Рассмотрим подробнее этапы таких испытаний,
а)    Выбор испытательных температур и длительности теплового воздействия. Обозначим: 0О — температура, соответствующая предполагаемому КН или ТИ (°С); 0ь 02. 0з— испытательные температуры, причем 0i = 90  +  Лв; 02 = = 0i + АО; 0з = 02-f А6, где Д6 = (8 ... 20)°С (такой широкий диапазон ДО обусловлен различием химического и структурного состава материала и системы изоляции).
В табл. 2 приведены значения изменений температуры Д0, при которых срок службы меняется вдвое.
На каждом уровне 0 проводится непрерывное или циклическое старение. При этом общее максимальное время старения tb на каждом уровне 0 устанавливается таким, чтобы оно соответствовало ресурсу 20000 ч при 0О. Расчет tB производится с помощью приведенной в § 2 формулы (4). Если старение ведется циклически, т. е. после действия повышенной температуры 0, периодически образцы подвергаются другим воздействиям и испытаниям, например, контролю электрической или механической прочности, длительность цикла tо выбирается такой, чтобы £0 набиралось за восемь циклов.

Для примера в табл. 3 приведены данные, показывающие связь между 0 и 0О, и продолжительность цикла t0 на каждом уровне 0.

б)     Проведение функциональных испытаний (ФИ). Функциональность испытаний заключается в том, что кроме воздействия основного старящего фактора — температуры, к испытуемому объекту кратковременно прилагают воздействия экстремального уровня, имеющие место в эксплуатации,— механические, электрические, повышенную влажность. Уровень электрических воздействий должен соответствовать перенапряжениям, влажность—не менее 98% или условиям выпадения росы, механические усилия — условиям к. з. или пусков.
в)     Выбор критерия «конечной точки». Для оценки изменения материала или системы изоляции в процессе теплового старения необходимо выбрать контрольный критерий, в наибольшей степени выявляющий износ материала и образование в нем недопустимых для эксплуатации дефектов. К таким критериям относят пробивное напряжение, механическую прочность на растяжение или изгиб и т. д. Метод контроля и уровень критерия, называемого критерием конечной точки, должны быть выбраны исходя из реальных условий эксплуатации.

Рис. 14
Существуют два способа оценки критерия конечной точки: первый — по изменению измеряемой величины относительно' ее значения в исходном состоянии — позволяет сравнивать материалы, но не всегда дает возможность оценить степень их разрушения, второй — по значению, выбранному в соответствии с требованиями эксплуатации и выявляющему разрушение материала. Однако исследования теплового старения ряда ЭИМ показали, что оценка КН и ТИ по изменению одного параметра, например по снижению пробивного напряжения до 50% значения от исходного уровня (критерий «конечной точки», рекомендуемый МЭК), может быть ошибочной, так как характер изменения Unp в процессе теплового старения для разных материалов сильно отличается.
Для примера на рис. 14 представлено сравнение двух материалов в процессе старения при 170° С: I — слюдосодержащий материал (стеклослюдинит на эпоксидно-полиэфbрном связующем); 2 — лавсановая пленка. Видно, что у материала на основе слюды первоначально резко снижается пробивное напряжение /7пр, а затем оно стабилизируется, и работоспособность материала сохраняется; у пленок Unp сначала медленно снижается, а затем резко падает. Если руководствоваться критерием UnP, получается, что лавсановая пленка имеет более высокий ТИ, чем слюдосодержащий материал, оценка же этих материалов в конструкции изоляции показывает, что нагревостойкость у 1-го материала 164° С, у 2-го 133° С. На этом примере видна сложность выбора критерия «конечной точки».
Для грамотного выбора ЭИМ в конструкции недостаточно иметь формальные данные об их ТИ. Необходимо учитывать не только температуру, но и весь комплекс эксплуатационных факторов, способствующих ускорению и выявлению теплового старения,— электрическое поле, механические нагрузки, влажность. В некоторых случаях, например в среде водорода, возможно использование ЭИМ пониженного КН, если они дают существенные конструктивные или технологические преимущества.

г) Математическая обработка результатов испытаний [15]. Экспериментальные данные, полученные в результате теплового старения, представляют зависимость времени жизни от температуры вида In t = G -f- W/kT (§ 2).
Используем для оценки параметров зависимости /(1/Г) выражение у = а-\-Ьх, где у = In а = G\ b = W/k\ х = \/Т — 1/(273 -f 0) (t — ресурс, ч; 0—испытательная температура, °С) (рис. 15, где 1 — линия регрессии, 2 — доверительные границы регрессии ).
В основу методики обработки экспериментальных данных положен принцип регрессионного анализа. При этом предполагают, во-первых, что старение изоляции подчинено закону Аррениуса, т. е. логарифм срока жизни (во многих частных методиках принимается время до пробоя) является линейной функцией обратной величины абсолютной температуры как в диапазоне испытаний, так и в диапазоне экстраполяции, во-вторых, принимается, что срок жизни у имеет нормальное распределение во всем диапазоне линейности уравнения у{х).
Полученная экспериментально зависимость у(х) позволяет определить


Найденные таким путем значения ТИ для ЭИМ, как указывалось выше, не являются основанием для оценки класса нагревостойкости конструкций изоляции, выполненных из этих ЭИМ, а служат только справочными данными для выбора ЭИМ в конструкцию.
Принцип определения класса нагревостойкости тот же, что и оценки ТИ. Однако процедура исследования дополняется введением функциональных воздействий на систему изоляции в процессе старения. Так, в соответствии с [16] цикл старения включает вибрацию, воздействие влажности и электрические испытания.