Разработка метода оценки долговечности изоляции низковольтных электрических машин

Актуальность проблемы. Высокая надежность электротехнических устройств является необходимым условием эффективной работы различных автоматизированных систем, комплексов и оборудования, работающих в различных отраслях промышленности.

Основной причиной выхода из строя большинства низковольтных электрических машин, является отказ системы изоляции обмоток.

Наиболее подробно вопрос надежности изоляции электрических машин изучен в работах Похолкова Ю. П., Галушко А. И., Оснач Р. Г. и их учеников. Этими авторами показано, что наиболее слабым элементом системы изоляции низковольтных электрических машин является витковая изоляция. Выход из строя витковой изоляции обусловлен наличием в ней сквозных дефектов в пропиточном составе и эмалевом слое обмоточного провода, причем частота их появления возрастает по мере физического износа системы под действием эксплуатационных факторов. Следовательно, рост интенсивности отказов витковой изоляции обусловлен появлением в ней в процессе старения дефектов, типа сквозных трещин, проходящих через пропиточный состав и два слоя эмальизо-ляции обмоточного провода двух соприкасающихся витков.

Похолковым Ю.П. с сотрудниками разработана методика оценки показателей надежности и долговечности изоляции обмоток асинхронных двигателей, которая получила статус отраслевого стандарта ОСТ16.0.800.821−88. Однако, данный метод весьма трудоемок. Для его использования на практике необходимо провести большой объем измерений для оценки параметров уравнения надежности.

Поэтому задача разработки эффективного экспресс — метода определения долговечности низковольтной изоляции является актуальной.

В связи с этим представляет определенный интерес идея о взаимосвязи электрической и механической долговечности изоляции низковольтных машин. Действительно, прорастание сквозной трещины в межвитковой системе очень быстро приводит к ее отказу.

К сожалению, в литературе недостаточно рассмотрены вопросы взаимосвязи между дефектообразованием и долговечностью электрической изоляции низковольтных электрических машин. Таким образом, открывается возможность создать методику оценки долговечности электрической полимерной изоляции, основанной на теории прорастания сквозных трещин. Наиболее подходящей, в этом плане, является термофлуктуационная теория прочности полимеров, разработанная Журковым с учениками. Разработка этой идеи и составляет сущность настоящей диссертации. Следовательно, исследования, направленные на создание эффективных методов оценки долговечности изоляции электрических машин являются, актуальными.

Цель исследования: на основе изучения взаимосвязи процессов образования трещин в полимерных материалах с их рабочим ресурсом разработать методику расчета долговечности системы межвитковой изоляции низковольтных электрических машин, удобную для практического использования.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

1. На основании анализа литературных данных выявить факторы, влияющие на выход из строя межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

2. Изучить влияние вязкости пропиточных составов на дефектообра-зование в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

3. Установить взаимосвязь между внутренними механическими напряжениями, дефектностью и долговечностью изоляции электрических машин.

4. На основании теории механической прочности полимеров по Жур-кову и полученных в работе результатов разработать методику определения долговечности системы межвитковой изоляции, удобную для практического применения.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны пропиточные составы марок MJI-92 и КО-916К, а также обмоточные провода марок ПЭТВ, ПЭТ-155 и ПЭТМ-180. Образцы для измерения внутренних механических напряжений, возникающих в пленках пропиточного состава, представляли собой консольно закрепленные пластины из стали марки 1Х18Н9Т. Образцы для оценки дефектности межвитковой изоляции представляли собой макеты, изготовленные из 50-ти попарно связанных отрезков обмоточного провода, пропитанных методом погружения пропиточными составами с различной величиной условной вязкости. Определение внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточном составе, проводилось с помощью консольного метода. Дефектообразование на макетах изучалось методом непосредственного осмотра и с помощью высоковольтных испытаний. В работе использовалась совокупность методов лабораторного и специального исследований. Для проведения статистической обработки полученных результатов были использованы математические методы обработки данных в прикладном статистическом пакете Statgraphics for Windows 95/98/2000/NT. Для проверки значимости полученных результатов был применен непараметрический метод Т-критерий Уилкоксона.

Научная новизна работы.

1. Установлено влияние вязкости пропиточных составов на уровень внутренних механических напряжений в системах низковольтной межвитковой изоляции: при увеличении вязкости пропиточных составов увеличивается уровень внутренних механических напряжений.

2. Для различных систем низковольтной межвитковой изоляции электрических машин установлена общая закономерность: с увеличением условной вязкости пропиточного состава ускоряются процессы дефектообразования в диэлектрических материалах.

3. Напряжение пробоя различных типов низковольтной межвитковой изоляции электрических машин уменьшается с ростом скорости дефектообразования. Этот результат рассматривается как общий закон взаимосвязи механической и электрической стойкости для данного вида электроизоляционных систем.

4. На основе термофлуктуационной теории прочности полимеров разработана экспресс-методика определения долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин. Реализация предлагаемой методики в производственных условиях не требует больших трудовых и материальных затрат.

5. Для создания межвитковой изоляции электрических машин с высоким рабочим ресурсом, предлагается применять в технологическом процессе низкие скорости охлаждения пропиточного состава.

Практическая ценность. Предложенная методика расчета долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин в процессе их эксплуатации позволяет без проведения большого объема экспериментальных работ планировать срок службы изделия. Разработанные рекомендации по режимам термообработки пленки пропиточного состава позволяют в достаточной степени повысить надежность обмотки электрической машины. Результаты работы внедрены на предприятиях электротехнической промышленности г. Томска (ЗАО «Сибкабель» и ООО «Сибирская электротехническая компания») и используются для оценки надежности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

На защиту выносятся следующие положения:

1. С ростом внутренних механических напряжений интенсивность появления дефектов в различных системах межвитковой изоляции увеличивается по линейному закону.

2. Изменение вязкости пропиточного состава в оптимальных границах является эффективным технологическим приемом создания изоляционных систем низковольтных электрических машин с повышенным ресурсом работы.

3. Рабочий ресурс межвитковой изоляции низковольтных электрических машин определяется скоростью образования сквозных трещин в процессе эксплуатации.

Апробация работы. Основные результаты экспериментальных и теоретических исследований были доложены и обсуждались:

1. На V международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000, г. Новосибирск 2000 г.

2. На XVI Всероссийской научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск: НПЦ «Полюс», 2000 г.

3. На 6-й, 7-й, 8-й и 9-й Всероссийских научно-технических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика», Красноярск 2000, 2001, 2002 и 2003 г.

4. На 5th Korea-Russia International Symposium on Science and technology (KORUS 2001), г. Томск, ТПУ, 2001 г.

5. На международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 2001 г.

6. На третьей международной конференции «Электрическая изоляция — 2002», Санкт Петербург, 18−21 июня, 2002 г.

7. На VII, Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2001 г.

8. На международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», г. Томск, 3−5 сентября, 2003 г.

9. На всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации», г. Новосибирск, 2−5 декабря, 2004 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, 2 из которых в центральной печати.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержащих 133 страниц текста, 19 таблиц, 44 рисунка, списка литературы, включающего в себя 117 наименований и приложения на 2 страницах.

4.4. Выводы по главе.

1. Испытательное пробивное напряжение межвитковой изоляции низковольтных электрических машин зависит от механической прочности материалов изоляции и уменьшается с ростом скорости дефектообразования по закону Unpd=2,37−0,08-Н+1,553- 10'3-Н2, т. е избыточное появление трещин в межвитковой изоляции является причиной потери материалом изоляционных свойств.

1. На основе теории прочности твердых тел С. Н. Журкова создана методика расчета вероятности безотказной работы межвитковой изоляции низковольтной электрической машины. Разработанная методика позволяет в короткий срок оценить ВБР межвитковой изоляции и в полной мере учитывает технологические и эксплуатационные воздействия на нее;

2. Для расчета показателей надежности систем межвитковой изоляции по методике предложенной в ОСТ16. 0.800.821−88, теперь нет необходимости проводить сложные и долговременные эксперименты по определению коэффициентов, входящих в уравнение скорости дефектообразования, а достаточно воспользоваться предложенной методикой, и расчетным способом определить ВБР любой системы межвитковой изоляции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основными результатами работы являются обобщения литературных и экспериментальных данных о влиянии технологических и эксплуатационных факторов на надежность межвитковой изоляции низковольтных электрических машин, кинетики развития трещин в полимерных материалах, создание и внедрение методики определения скорости дефектообразования для межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

В ходе выполнения работы установлено, что большое влияние на надежность межвитковой изоляции оказывают тепловые и механические нагрузки. Удалось выявить картину появления сквозного дефекта (магистральной трещины) в межвитковой изоляции электрической машины, начиная от первичных разрывов молекул и кончая образованием разрыва сплошности по всей поверхности полимерного материала. Для реальных обмоток появление и размеры сквозных дефектов тесно связаны с внутренними механическими напряжениями, возникающими в слое пропиточного состава, а так же с микроконструкцией межвитковой изоляции и вязкости пропиточного состава.

В экспериментальной части работы установлено, что внутренние механические напряжения в пропиточных составах возникают сразу после полимеризации составов и остаются в материалах. Кроме того, уровень этих напряжений постоянно растет с ростом срока эксплуатации изделий. С увеличением условной вязкости пропиточного состава внутренние механические напряжения также растут. При увеличении условной вязкости пропиточных составов так же ускоряются процессы дефектообразования, т.к. уровень внутренних механических напряжений при этом растет.

Установлено, что для уменьшения уровня внутренних механических напряжений, возникающих в пленках пропиточных составов, необходимо уменьшать вязкость пропиточного состава (19−20с по ВЗ-4) и подбирать режим охлаждения после полимеризации пропиточного состава (скорость охлаждения ~2°С/мин).

Используя теорию прочности твердых тел С. Н. Журкова, разработана методика определения долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин. Данная методика позволяет исключить проведения сложных и долговременных экспериментов по определению коэффициентов уравнения скорости дефектообразования для расчета показателей надежности систем межвитковой изоляции, предложенной в ОСТ 16. 0.800.821−88, а расчетным способом определить скорость дефектообразования для любой системы межвитковой изоляции.

Использование результатов исследований на предприятиях электротехнической промышленности г. Томска подтверждает практическую ценность проведенного объема работ.