УДК 621.313.043.2.045.004.624
ОЦЕНКА СИСТЕМ ИЗОЛЯЦИИ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Майер, Лар, Ихлейн, Поллмейер (ФРГ)*
*ll. Muyer, Z. Jahr, W. Ihlein, F. I. Pollmeir. Evaluation of an insulation system for IlVor windings of high voltage machines. Доклад 15-09 на сессии СИГРЭ 1982 г. Пер. II
Введение.
В соответствии с публикациями МЭК [1—3], которые касаются вопросов оценки систем изоляции, под оценкой понимается сравнение посредством функциональных испытаний новой или модифицированной системы изоляции с системой, опробованной в эксплуатации. Однако стандартизованных методик функциональных испытаний конкретного электротехнического оборудования, получивших международное признание, в настоящее время пока еще не имеется. Для разработки методик функциональных испытаний конкретных видов оборудования, которые получили бы всеобщее признание, необходимо тщательное изучение достигнутого уровня развития данной области техники.
В работе рассматривается методика оценки новой системы изоляции, созданной на основе известной системы, в которой заменен один из ее компонентов.
В связи с отсутствием общепринятых правил оценки известных систем изоляции, по которым имеется опыт эксплуатации, методам испытаний систем изоляции уделено особое внимание. Методы оценки систем изоляции основаны на опыте работы фирмы-изготовителя электрических машин в этой области в течение нескольких десятилетий.
Объект оценки.
В докладе приведены результаты испытаний новой системы изоляции статорных обмоток электрических машин высокого напряжения, в частности крупных электродвигателей. Система изоляции выполнена на основе слюдяных лент, которые накладывались внахлест, и затем пропитывались термореактивной синтетической смолой по вакуум-нагнетательной технологии.
Необходимость выполнения оценки новой системы изоляции обусловлена тем, что она отличается от ранее применяемой системы изоляции в связи с заменой материала подложки слюдяных лент в целях повышения кратковременной и длительной электрической прочности изоляции.
Опыт эксплуатации термореактивной изоляции. Вплоть до 1965 г. для катушек применялись микалентная компаундированная изоляция, изоляция из микафолия на шеллаке для пазовой части и стеклолакотканевая лента для изолировки лобовых частей. По публикации МЭК эти системы изоляции соответствовали классу нагревостойкости В. При существовавших в то время условиях эксплуатации такие системы обеспечивали удовлетворительный с экономической точки зрения срок службы.
В 60-х годах условия эксплуатации изменились в практику вошло прямое включение на полное напряжение сети и прямое переключение под напряжением. Возникающие при этом электродинамические нагрузки вышли за пределы механической прочности старой системы изоляции. Начиная с 1965 г. старую систему изоляции заменили модифицированной системой на основе слюдяных лент с последующей вакуум-нагнетательной пропиткой отверждаемыми синтетическими смолами [5]. Указанная система изоляции была разработана на основе опыта применения аналогичной системы для изолировки стержней мощных генераторов, которая к тому времени успешно использовалась уже в течение ряда лет.
Эта система, выполненная на основе непрерывных слюдяных лент с подложкой из целлюлозной бумаги, относилась к классу нагревостойкости В. Для перевода изоляции в класс нагревостойкости F целлюлозную бумагу заменили нетканым материалом на основе полиэфирного волокна. Отнесение такой изоляции к классу нагревостойкости F соответствовало публикации 85 МЭК [4]. Новая система изоляции стала лучше старой системы из микафолия на шеллаке по своим механическим и тепловым свойствам благодаря использованию синтетической смолы.
За период с 1965 по 1974 г. фирма ’’Siemens” выпустила около 1600 электродвигателей и генераторов на различное напряжение и различную мощность с полной пропиткой изолированных статоров. Отказы по причине неисправности обмоток за все время эксплуатации произошли менее чем у 10 машин, причем эти отказы были обусловлены не старением изоляции, а «другими причинами, в основном механическими повреждениями. Технические данные выпущенных фирмой ’’Siemens” машин, время их выпуска и области применения приведены в справочном каталоге [6].
В 1975 г. была внедрена для мощных машин усовершенствованная система изоляции на основе стекломикаленты с последующей пропиткой статоров модифицированной синтетической смолой. Предшествующие внедрению лабораторные испытания подтвердили термостабильность смолы и межвитковой изоляции. Была также отработана технологичность процесса наложения новых лент. На макетах-стержнях была определена длительная электрическая прочность изоляции в исходном состоянии и после теплового старения.
Тепловое старение изоляции макетных стержней проводилось при 175°C в течение 5000 ч. Если исходить из применимости к системам изоляции правила 10°С', то эти 5000 ч старения эквивалентны 20000 ч старения при 155°С, что может использоваться для оценки температурного индекса изоляционного материала по уравнению Аррениуса [8].
По немецкому стандарту VDE0304, ч. 2 [9], который действовал до 1980 г., температурный индекс, определенный на базе 25 000 ч с использованием уравнения Аррениуса, можно рассматривать как предельную температуру в соответствии с публикацией МЭК 85 [4].
Рис. 1. Длительная электрическая прочность стекломикалентной изоляции, пропитанной синтетической смолой, до предварительного (1) и после предварительного старения (2) при температуре 175°C в течение 5000 ч (цифры в кружках - количество испытуемых образцов):
1' -образец продолжает испытываться; 2' - оценочные испытания новой системы изоляции (на основе слюды и пленки); 3' - 25 образцов, толщина изоляции 1,5 мм, старение при температуре 175°С в течение 5000 ч; 4' — 27 образцов, толщина изоляции 1,5 мм, исходное состояние; 5' - 8 образцов, толщина изоляции 1,8 мм, исходное состояние
Поскольку старение при 175оС в течение 5000 ч оказало лишь незначительное влияние на длительную электрическую прочность изоляции, то усовершенствованную систему изоляции на основе стекломикаленты можно отнести по крайней мере к классу нагревостойкости F (рис. 1).
За период 1975—1981 гг. с усовершенствованной системой изоляции было выпушено около 1500 электродвигателей и генераторов. Первое сообщение о данных эксплуатации относится к 1977 г. [7]. Было отмечено нс более 10 неисправностей обмоток, причем ни в одном из этих случаев система изоляции не была основной причиной отказа. С изоляцией из стекломикаленты изготавливались машины мощностью 500— 10000 кВт на напряжение 3—13,8 кВ, число полюсов составляло 2—24. Большая часть машин была рассчитана на условия эксплуатации, соответствующие изоляции класса В, а около 20 машин, на повышение температуры,— соответствующие изоляции класса F.
Опыт эксплуатации в течение 6 лет позволяет сделать вывод, что изоляция из стекломикаленты обеспечит экономически удовлетворительный срок службы. В пользу этого говорит и положительный опыт эксплуатации в течение 15 лет аналогичной системы изоляции, использовавшейся рапсе.
Новая система изоляции рассчитывалась на повышенную длительную электрическую прочность, что позволило бы спроектировать машины на более высокие рабочие напряженности электрического поля в изоляции. При этом необходимо было сохранить остальные свойства исходной системы, такие, как срок службы и механическую прочность.
К тому времени имелись положительные данные о работе системы изоляции на основе слюды с подложкой из пленочного материала. Правда, такой опыт имелся лишь по менее крупным машинам [10]. Материал на основе слюды со специальной подложкой казался весьма перспективным и для усовершенствования систем изоляции более мощных машин.
Образцы с новой изоляцией подвергались отборочным испытаниям, по которым затем велась систематическая оценка их свойств. Опыт, полученный при разработке систем изоляции мощных генераторов, показал [11], что последовательное усовершенствование компонентов систем изоляции приводит к повышению свойств системы с высокой степенью вероятности.
Поэтому оценка новой системы проводилась в несколько этапов: отборочные испытания, направленные на выявление влияния возможных усовершенствований;
сравнительная оценка пропиточных составов;
отборочные испытания по определению характеристик изоляции, имеющих отношение к технологическому процессу;
сравнительная оценка новой системы изоляции посредством функциональных испытаний.
