Влияние мелкодисперсных наполнителей на теплофизические и электрические свойства слюдосодержащей термореактивной изоляции

Начало XXI века можно охарактеризовать изменением технической политики в электроэнергетике высокоразвитых стран. После бурного роста мощностей блоков, главным образом, за счет развития атомной энергетики, наблюдавшегося до середины 90-х гг. XX века, наступил период повышенного внимания к блокам средних мощностей, которые сегодня составляют большую часть парка оборудования электростанций. Это привело к изменению требований рынка турбогенераторов — потребовалось снижение стоимости генераторов, повышение их удельных характеристик и надежности в эксплуатации, увеличение их срока службы, повышение экономичности.

На сегодняшний день во всем мире широко распространено производств турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением мощностью свыше 200 МВА. Они (эти турбогенераторы) хорошо зарекомендовали себя на протяжении последних двадцати лет благодаря простоте своей конструкции и значительно более дешевой стоимости по сравнению с генераторами с водяным охлаждением.

Одним из наиболее очевидных путей увеличения мощности турбогенераторов является улучшение свойств стекдослюдобумажной ленты, применяемой при создании систем электрической изоляции статорной обмотки.

В данной области идут исследования, направленные на увеличение коэффициента теплопроводности (I), рабочей напряженности электрического поля, класса нагревоетойкости, снижения тангенса угла. диэлектрических потерь (tgS) и теплового сопротивления корпусной изоляции. По данным компании Alstom (Швейцария), близка к началу серийного производства новая корпусная изоляция (Micadur Н), рассчитанная на работу при температуре 180 °C (класс нагревоетойкости Н) [1]. Повышение класса нагревоетойкости изоляции приведет не только к увеличению мощности при сохранении тех же размеров машины, но и даст возможность турбине работать с временным: повышением мощности. Накопленный компанией Aistom Power опыт производства турбогенераторов 300 МВД позволил создать турбогенераторы мощностью 340 и 400 MB А, а также спроектировать турбогенератор с воздушным охлаждением класса 500 МВА типа ТОР AIR, изоляция обмотки статора которого была выполнена из ленты Micadur® (класса нагревостойкости H), а изоляция ротора из материала Nomex (также класса нагревостойкости Н) [2].

В 2000 году компания Toshiba (Япония) впервые в мировой практике провела успешные испытания турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 2.00 МВА с изоляцией, обладающей вдвое большим значением X по сравнению с серийно используемой изоляцией [4]. В середине 2010 года компания Toshiba заявила об успешном завершении испытаний турбогенератора с водородным охлаждением: мощностью 670 МВА на рабочее напряжение 19 кВ с применением изоляции класса нагревостойкости F [3],.

По данным компании Izovolta (Австрия) в результате изменений в конструкции обмотки статора (изменении в сечении медных проводников) и толщины изоляции (за счет применения новой изоляционной ленты) можно повысить производительность турбогенератора с косвенным охлаждением на 20% [4].

С момента своего появления в середине 50-х годов прошлого века слюдосодержащая изоляция на основе различных смол постоянно претерпевала изменения. На сегодняшний день наиболее близкими к стадии технологического внедрения являются: создание изоляционной системы.

V ТТ ьи класса нагревостойкости H и создание наполненной в ы сокотепл о проводив и слюдосо держащей изоляционной композиции (Н'ГС),.

Актуальность работы.

На сегодняшний день основными путями увеличения коэффициента теплопроводности слюдосодержащей изоляции являются: оптимизация структуры и состава изоляционных материалов, создание наполненных изоляционных композиционных материалов и применение высокотеплопроводного связующего.

Главной целью оптимизации состава слюдосодержащих изоляционных материалов является создание композиции, в составе которой минимальным процентным содержанием обладал бы материал с наименьшим коэффициентом теплопроводности. Работу в этом направлении ведет компания Isovolta (Австрия). По данной технологии созданы несколько типов оптимизированных «сухих» изоляционных материалов, максимальное значение X которых составляет1 0,34 Вт/(м.К). В этих материалах используется стеклоткань с плоскими стеклянными стрендами [4,5]. Применение таких материалов приводит к существенному снижению содержания связующего в изоляции. Данный тип материалов был использован компанией Brush (Великобритания) при разработке конструкции турбогенератора с воздушным охлаждением мощностью 250 MB, А [6].

Второй путь состоит в применении мелкодисперсных наполнителей с высоким значением X. Наиболее широко в промышленности для этих целей используются два типа тонко дисперсных неметаллических порошков: оксид алюминия А120з (X = 25−40 Вт/(м К)) и нитрид бора BN (гексагональный) (X = 40−120 Вт//(м К)). Теплопроводность корпусной изоляции, изготовленной из таких наполненных композиционных материалов, может достигать 0,450,5 Вт/(мК) [3−5]. Однако происходит снижение механических и электрических характеристик, главным образом, за счет усложнения технологии пропитки изоляции. На основе «сухой» ленты с повышенной теплопроводностью производства фирмы Von Roll (Швейцария), компанией Aistom (Швейцария) была создана система изоляции статорной обмотки для турбогенератора мощностью 400 MB А, а компанией Toshiba (Япония) — для турбогенератора мощностью 670 МВА с водородным охлаждением.

Третий путь заключается в увеличении теплопроводности пропитывающего компаунда путем введения в его состав различных наполнителей. Однако, введение мелкодисперсных наполнителей может привести к изменению электрических характеристик эпоксидного компаунда (Eup, tg5, в, три и н гостойкост и и стойкости к электрическим разрядам). Таким образом, перед созданием реальных изоляционных конструкций из нового типа высокотеплопроводной изоляции, необходимо оценить основные характеристики наполненного пропитывающего компаунда и композиционных материалов на ею основе.

Цель работы. Исследование основных теплои электрофизических характеристик наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции. Для достижения этой цели требовалось выполнить следующее:

— изготовить модельные образцы наполненного эпоксидного компаунда и исследовать их основные теплофизические и электрические характеристики;

— изготовить макетные образцы изоляции на основе опытного наполненного слюдосодержащего композиционного материала и произвести экспериментальную оценку теплофизических и электрических характеристик в сравнении с традиционной изоляцией, изготовленной из ненаполненного пропитывающего компаунда;

— провести экспериментальную оценку длительной электрической прочности термореактивной слюдосодержащей наполненной изоляции.

Научная новизна работы:

— в результате впервые проведенных исследований теплофизических характеристик слюдосодержащей термореактивной изоляции на основе ненаполненных и наполненных изоляционных композиционных материалов показано, что значение X наполненной слюдосодержащей изоляции практически в два раза выше, чем для традиционной ненаполненной изоляциипутем сопоставления экспериментальных данных по длительной электрической прочности корпусной изоляции из наполненнойго высокотеплопроводного композиционного материала при различных скоростях подъема испытательного напряжения установлено, что показатель степени (т) уравнения наработки до отказа от напряженности электрического поля наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции соответствует традиционной ненаполненной изоляции;

— в результате произведения исследований диэлектрических потерь высокотеплопроводного наномодифицированного эпоксидного компаунда и слюдосодержащей термореактивной изоляции на его основе уточнен механизм диэлектрических потерь в исследуемых образцах.

Практическая значимость работы:

— показана перспективность применения опытного наполненного высокотеплопроводного композиционного материала для создания корпусной изоляции (с улучшенными теплофизическими свойствами) мощных турбогенераторов с воздушным и водородным охлаждением;

— установлена связь между значениями X и содержанием наномодифицированного связующего в изоляции, что позволило оптимизировать технологические режимы изготовления корпусной изоляции с повышенной теплопроводностью;

— определено, что при рабочей частоте (50 Гц) в широком диапазоне температур и напряженностей электрического поля, значения для ненаполненной и наполненной высокотеплопроводной изоляции не превышают критические параметры, установленные российскими и международными стандартами.

На защиту выносятся: результаты изучения температурной зависимости коэффициента теплопроводности наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

— сравнительные испытания теплофизических и электрических характеристик ненаполненного и наполненного слюдосодержащего композиционных материалов;

— интерпретация результатов исследования температурно-частотных зависимостей диэлектрических потерь наполненного эпоксидного компаунда и термореактивной слюдосодержащей изоляции на его основе;

— оценка влияния теплового старения и термоциклов на теплои электрофизические характеристики электрической изоляции, выполненной из ненаполненного и наполненного композиционных материалов;

— результаты исследования длительной электрической прочности высокотеплопроводной наполненной термореактивной слюдосодержащей изоляции.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованным выбором методов исследования электрических, теплофизических и механических характеристик исследуемых материаловприменением большого количества методик, позволяющих с разных сторон подойти к решению проблемыстатистической обработкой полученных данныхпостепенным движением от изучения свойств самого материала корпусной изоляции к созданию системы изоляции и оценке её свойствпроведением повторных испытаний, показывающих воспроизводимость результатов.

Личный вклад автора состоит в определении цели и методов исследованияизготовлении образцов и проведении экспериментальных исследованийобработке, обобщении и анализе полученных результатов. Результаты, представленные в работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. В процессе работы автор пользовался консультациями к.т.н., доцента Шиковой Т. М. Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. XII Международная конференция Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. 29 сентября — 4 октября 2008 г. Крым, Алушта.

2. XII всероссийская конференция по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических ВУЗАХ». 2008, Санкт-Петербург.

3. XI Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008), 03−07 июня 2008, Санкт-Петербург.

4. V Международная научно-техническая конференция Электрическая изоляция — 2010, 1−4 июня 2010 г. Санкт-Петербург.

5. XVIII Международная конференция DIELECTRIC AND INSULATING SYSTEMS IN ELECTRICAL ENGINEERING 2010 (DISSE 2010), 22−24 сентября 2010, Домановска Долина. Словакия.

6. XII Международная конференция Физика диэлектриков (Диэлектрики-2011), 23−26 мая 2011, Санкт-Петербург.

7. XXII Международная конференция Nordic Insulation Symposium, 13−15 Июня 2011 г., Тампере, Финляндия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 в изданиях из списка ВАК.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертация общим объёмом 181 страница состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (150 наименований), 4 приложений. Работа содержит 138 рисунков, 40 таблиц.