Т. Ю. Баженова, А. Л. Левит-Гуревич, Г. А. Кудрявцева, И. И. Иессе
Рис. 1. Кривые жизни плоских образцов: 1 — отливки нового компаунда; 2 — отливки компаунда ЛЭФ-3; 3, 4, 5 — стеклотекстолит с эпоксидным связующим (СТЭФ) толщиной 1 мм, разные условия теплоотвода; 3 — максимальный теплоотвод
Эпоксидная и стеклоэпоксидная бесслюдяная изоляция обычно не используется как основная в высоковольтных конструкциях с большой рабочей напряженностью и длительным сроком службы. Однако как компоненты композиционной термореактивной изоляции крупных электрических машин эти материалы представляют большой интерес и нуждаются в подробных исследованиях кривой жизни и влияния на нее как состава связующего, так и механических воздействий, характерных для условий эксплуатации статорных обмоток электрических машин.
В этой связи проведено исследование кривых жизни литых и армированных компаундов, а также намотанной изоляции. Исследовались плоские образцы эпоксидных компаундов двух типов: широко применяемый ЛЭФ-3 и новый. Образцами служили отливки — диски толщиной 1 мм, которые испытывались с помощью цилиндрических электродов (ГОСТ 6433.3—71) на воздухе в условиях интенсивных скользящих разрядов. Кривые жизни 1 и 2 (построенные по медианным значениям lg τ) приведены на рис. 1 и могут быть представлены в виде τ = АЕ-п. Как видно из рисунка, компаунды имеют весьма близкую длительную электрическую прочность. При времени более 30 ч показатель наклона кривых жизни образцов обоих, видов п = 5... 7; за точкой излома τ* (по кривой 1) показатель п = 10... 12.
Для выяснения влияния армирующей стеклоткани на закономерности электрического старения в аналогичных условиях были испытаны плоские образцы стеклотекстолита с эпоксидным связующим (СТЭФ) толщиной 1 мм. Кривая жизни стеклотекстолита (см. рис. 1, кривую 3) располагается рядом с кривыми компаундов и повторяет их ход. Следовательно, присутствие стеклоткани и вариации состава эпоксидного связующего не оказывают влияния на наклон кривой жизни. Кривые4 и 5 показывают, что изменения условий испытаний (в данном случае намеренное ухудшение теплоотвода) влияют не только на высоту расположения кривой жизни, но и на положение точки излома, которая смещается в сторону низких значений испытательной напряженности и в сторону больших времен. Для всех опытов с плоскими образцами наблюдаются общие закономерности: близость наклонов всех кривых жизни при τ > τ* (n =5... 7) и изменение показателя наклона в сторону больших значений при τ < τ* (п = 10... 12). В зоне излома меняется и рассеяние lgτ функций распределения.
На рис. 2 приведены функции распределения логарифмов времени до пробоя плоских образцов нового компаунда, соответствующие кривой жизни 1 на рис. 1. Как видно из рис. 2, значение σ логарифмов τ при повышении испытательной напряженности от 11 до 18 кВ/мм увеличивается в 5... 10 раз. Если ординату точки излома Е* кривой 1 на рис. 1 принять равной 16 кВ/мм, то при Е = 11 кВ/мм (т. е. приблизительно 70%-ной испытательной напряженности) наклон кривой распределения 4 на рис. 2 при вероятности F ^ 15% еще соответствует σ =0,1...0,5, что характерно для участка кривой жизни правее точки излома τ*. При испытательной напряженности 18 кВ/мм, как видно из рис. 2, участок с 1 охватывает большую часть кривой распределения, и только при F > 70% еще наблюдается низкое значение а. Расширение участка с большим значением о за вероятность 50% (кривые / и 2 рис. 2) соответствует на кривой жизни 1 (см. рис. 1) переходу к другому показателю наклона (п = 10... 12).
Рис. 2. Кривые распределения времени до пробоя плоских образцов (отливки компаунда толщиной 1 мм, электроды цилиндр — цилиндр, диаметр верхнего электрода 25 мм, нижнего — 45 мм, испытания в воздухе)
Аналогичная картина изменения lg τ на кривых распределения наблюдалась во всех случаях, когда имел место излом кривой жизни.
По распределениям lg τ можно судить 0 приближении излома: появляется и увеличивается с повышением напряженности пологий начальный участок, где σ достигает значений 1 ... 2. Во всех рассмотренных случаях изменение механизма старения влияет на рассеяние lg τ.
Для реальной изоляции электрических машин большое значение имеет начальная часть кривых распределения, так как именно она определяет надежность всей машины.
Для исследования старения стеклоэпоксидной изоляции в конструкции были изготовлены стержни-макеты с токоведущей частью в виде медной шинки размером 7 X 28 X 800 мм, изолированные вполнахлеста стеклолентой, пропитанной эпоксидным связующим двух типов: новым и ЛЭФ-3. После отверждения по режиму, соответствующему каждому типу связующего, изоляция испытывалась с притертым электродом из алюминиевой фольги длиной 200 мм. Принимались меры для устранения неравномерности поля на краях электродов, и поэтому в таких образцах могли возникать только внутренние частичные разряды в воздушных включениях, как и в реальной изоляции электрических машин, содержащих слюдобарьер.
Оба типа связующего, несмотря на различие толщины образцов в исходном состоянии, дали близкие кривые жизни с наклоном п = 10... 12 и без изломов в исследованной области (рис. 3). По-видимому, изменение характера частичных разрядов по сравнению с условиями испытаний плоских образцов влияет сходным образом на ход кривых жизни двух видов стеклоэпоксидной изоляции.
Кривые жизни изоляции, снятые при механических воздействиях или после таковых (кривые 3,4, рис. 3), носят совершенно различный характер. Сжимающая нагрузка Р = 19,6 МПа на изоляции с новым связующим (кривая 3) не вызвала изменения наклона, но привела к большому сдвигу кривой жизни (Ер/Еисх = 70%).
На изоляции со связующим ЛЭФ-3 уже при Р = 13,7 МПа наблюдается излом (кривая 4 рис. 3). На изоляции с новым связующим наклон изменился после знакопеременного изгиба (кривая 5). Статический изгиб е = 2,5-10_3, обычно опасный для слюдобарьерной изоляции, привел к весьма незначительному снижению кривых жизни изоляции без такого барьера. Очевидно, слюдобумага снижает стойкость к механическим воздействиям. Таким образом, изменение состава связующего, при котором длительная электрическая прочность материала при испытаниях плоских образцов остается прежней, может влиять на электрическую прочность изоляции при механических воздействиях, и это можно наблюдать даже на образцах без слюдяного барьера.
Рис. 3. Кривые жизни стеклоэпоксидной изоляции, стержни-макеты: 1, 4— связующее ЛЭФ-3; 2, 3, 5 — новое связующее; 1,2 — исходное состояние; 3 — после Р = 19,6 МПа; 4—Р = = 13,7 МПа; 5 — после 5-I06 циклов равномерного знакопеременного изгиба с е = 1,3 · 10 3
При разработке новых видов высоковольтной изоляции электрических машин для выбора связующего, обеспечивающего надежную эксплуатацию в заданных условиях, целесообразно проводить ускоренную оценку его стойкости к электромеханическим воздействиям на упрощенных недорогих моделях в виде макетов безбарьерной изоляции.