Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 15
1.1. Лобовая часть статорной обмотки высоковольтных электрических машин как проходной изолятор. 15
1.2. Способы регулирования электрического поля в лобовой части статорной оомотки
1.2.1. Конструкции, использовавшиеся в АО "Электросила" 19
1.2.2. Емкостной метод регулирования поля 22
1.2.3. Регулирование поля резистивными покрытиями 24
1.2.3.1. Ленточные покрытия 25
1.2.3.2. Эмалевые покрытия 26
1.3. Способы расчета напряженности электрического поля в противокоронном покрытии 29
1.3.1. Покрытие с линейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) 29
1.3.2. Покрытие с нелинейной ВАХ 30
1.3.2.1. Общий принцип расчета поля в противокоронном покрытии 30
1.3.2.2. Расчет идеализированной модели 31
1.3.2.3. Метод принудительного деления потенциала 35
1.4. Эмалевые покрытия. Состав 37
1.4.1. Наполнитель 36
1.4.1.1. Карбид кремния 36
1.4.1.1.1. Общие сведения 36
1.4.1.1.2. Вольт-амперные характеристики нелинейных полупроводниковых сопротивлений. Математическое описание ВАХ
1.4.1.1.3. Механизм проводимости карбида кремния (SiC) 43
1.4.1.1.3.1. Рассмотрение механизма образования проводимости слоя эмали на основе теории перколяции
1.4.1.1.4. Влияние дисперсности порошков SiC на проводимость технологичность
1.4.1.2. Оксид цинка 62
1.4.2. Связующие вещества 64
1.4.3. Дополнительные вещества 65
1.4.4. Технология изготовления эмалевых покрытий 66
1.5. Измерение электропроводности эмалевых покрытий 68
1.6. Выводы. Постановка задачи 70
ГЛАВА 2. Исследование вольт-амперных характеристик противокоронных покрытий. параметры вах и влияние на них различных факторов 72
2.1. Обоснование экспоненциальной зависимости ВАХ для тонкослойных 72 противокоронных покрытии
2.2. Методика измерения ВАХ 79
2.2.1. Подготовка образцов 79
2.2.2. Выбор частоты испытательного напряжения 79
2.2.2.1. Методика и схема измерений ВАХ на различных частотах 79
2.2.2.2. Методика и схема измерений ВАХ на постоянном токе 85
2.2.3. Определение электрических и тепловых условий испытаний 86
2.2.3.1. Время и величина напряженности стабилизации в электрическом поле 87
2.2.3.2. Длительность и величина температуры запечки 88
2.2.3.3. Определение влияния температуры на ВАХ в рабочих условия 88
2.2.3.4. Заключение 89
2.3. Выводы 92
ГЛАВА 3. Определение оптимальных параметров ВАХ 93
3.1. Экспериментальное определение предельных нагрузок в покрытии 93
3.2. Методика расчета нагрузок в покрытии 94
3.2.1. Уравнения для расчета максимальной напряженности в покрытии 94
3.2.2. Краевые условия. Входные и выходные данные для расчета 96
3.2.3. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных 100
3.3. Расчет нагрузок в покрытии 103
3.3.1. Линейная ВАХ 103
3.3.2. Нелинейная ВАХ 105
105
3.3.2.1. Зависимость нагрузок в покрытии от удельной емкости изоляции и испытательного напряжения
3.3.2.2. Определение области допустимых параметров ВАХ 109
ГЛАВА 4. Состав эмали. компоненты и их соотношение 116
4.1. Исследование сопротивления порошка карбида кремния. Выбороптимальных параметров 116
4.2. Исследование дисперсионного состава порошков 120
4.3. Выбор проводящей присадки 123
4.4. Оксид цинка как возможный наполнитель 129
4.5. Метод определения содержания компонентов в эмали 130
4.5.1. Способ №1 130
4.5.2. Способ №2 131
4.6. Определение оптимального состава и влияния на свойства покрытия каждого компонента 132
4.6.1. Определение оптимального соотношения компонентов связующего 132
4.6.2. Определение оптимального содержания наполнителя SiC и проводящей добавки 136
4.7. Применение теории перколяции для анализа влияния размера и содержания частиц наполнителя эмали 141
4.8. Выводы 148
ГЛАВА 5. Конструкция покрытия. ресурсные испытания 149
5.1. Конструкция покрытия 149
5.1.1. Двухступенчатое покрытие 149
5.1.2. Геометрические и электрические характеристики ступеней 150
5.2. Исследование воздействия рабочих факторов (влажности, температуры, электрической нагрузки и состава) на свойства покрытия
Заключение 162
Список литературы 164
Приложения 177
- Способы регулирования электрического поля в лобовой части статорной оомотки
- Методика измерения ВАХ
- Методика расчета нагрузок в покрытии
- Исследование дисперсионного состава порошков
Введение к работе
При эксплуатации высоковольтных электрических машин (турбо- и гидрогенераторов) и особенно при их электрических испытаниях, как на заводе изготовителе, так и на месте работы (во время ремонтов), одной из важнейших проблем является подавление поверхностных разрядов на статорной обмотке. Борьба с этим явлением, иногда называемым коронированием, в электрической машине осуществляется путем использованием двух, различных по функциям и характеристикам, видов покрытий.
В пазовой части статорной обмотки на поверхность изоляции наносится покрытие низкого сопротивления («проводящее»), обеспечивающее контакт во многих точках между покрытием и стенками паза, то есть вся поверхность пазовой части оказывается заземленной, и устраняется разность потенциалов между поверхностью изоляции и стенкой паза.
Совершенно другие функции выполняет покрытие в лобовой части, начинающееся от края пазового покрытия. При его отсутствии между краем заземленной поверхности стержня и находящейся под высоким напряжением медной жилой возникает продольная составляющая электрического поля, превышающее напряжение ионизации воздуха при напряжении на внутреннем электроде - проводнике, меньшем, чем рабочее. Например, для изоляции турбогенераторов 800... 1000 МВт на номинальное напряжение 24...27 кВ начальное напряжение коронных разрядов, определяемое формулой Теплера [1,2], имеет величину 5,3 кВ, что в 3 раза меньше рабочего фазного напряжения, равного 14.0... 15.0 кВ. Длина разрядов нарастает пропорционально пятой степени разности испытательного и начального напряжения и при 32 кВ, что меньше стандартного испытательного напряжения, возникают мощные скользящие разряды.
С целью устранения ионизации воздуха в лобовой части обмотки используется противокоронное покрытие, предназначенное для выравнивания распределения напряжения по поверхности изоляции и снижения продольной напряженности до уровня, обеспечивающего отсутствие ионизации при рабочих нагрузках и отсутствие перекрытий при испытаниях высоким напряжением. Разработанные в 70 годы XX века противокоронные эмали, у которых проводимость резко нарастала с увеличением напряженности (так называемые, материалы с нелинейной ВАХ) благодаря использованию в них в качестве наполнителя порошкообразного карбида кремния (SiC), успешно применялись несколько десятилетий.
Однако, применение в энергетике новой технологии - парогазовых циклов и усовершенствование существующих, создание новых изоляционных материалов привело к обострению конкуренции на рынке генераторов и стремлению снизить их стоимость за счет существенного увеличения электрических и тепловых нагрузок изоляции [3, 4].
Эти факторы, в свою очередь, приводят к усложнению работы противокоронных (также называемых - резистивными, противоразрядными, полупроводящими, лобовыми, краевыми) покрытий на поверхности изоляции статорной обмотки электрических машин высокого напряжения и повышению интенсивности разрядных процессов, которые существенно сокращают срок службы изоляции при отказе покрытий.
Ужесточение воздействий на покрытия и необходимость их совершенствования связаны с тремя тенденциями в создании высоковольтных электрических машин.
Во-первых, на 30-60% возросла напряженность электрического поля в изоляции при рабочих условиях и, соответственно, испытаниях, что позволяет существенно уменьшить стоимость машины (до 20%), благодаря снижению расхода материалов (медь, сталь, изоляция) [3, 4]. Однако нагрузки
7 в покрытии при этом возрастают, как будет показано ниже в работе, почти пропорционально квадрату напряженности;
Во-вторых, переход к воздушному охлаждению (вместо водородного при давлении З...4атм) в крупных турбогенераторах в 2...Зраза снизил разрядное напряжение газовой среды, и создал возможность, при возникновении частичных разрядов, появления в рабочей газовой среде повышенного количества озона, резко ускоряющего химическое разрушение покрытия и изоляции [3-7]. Повышению интенсивности частичных разрядов способствует, также, увеличение рабочей температуры;
В-третьих, повысилось номинальное напряжение в наиболее крупных генераторах. Так, например, крупнейшим в России производителем электроэнергетического оборудования предприятием АО «Электросила» (г. Санкт-Петербург), в 2000 г. впервые в мировой практике, был получен заказ на изготовление турбогенератора мощностью 1000 МВт с номинальным напряжением 27 кВ для иранской атомной электростанции «Бушер». До этого максимальное напряжение производимых предприятием генераторов мощностью 800... 1000 МВт составляло 24 кВ. Проблема, связанная с увеличением номинального напряжения, усложнялась требованием заказчика непропорционально повысить одноминутное испытательное напряжение отдельных стержней обмотки статора: номинальное напряжение увеличилось на 12,5 %, а испытательное напряжение возросло на 30 % (82 кВ против 62 кВ). При этом толщина изоляции не изменилась. Хотя для изоляции слюдотерм, изготавливаемой по усовершенствованной технологии, повышение испытательной напряженности не представляет опасности, существовавшая конструкция лобового противоразрядного покрытия, как показали предварительные опыты, не позволяла выполнить требуемые испытания. Также необходимо отметить, что подобные условия невыполнимы и для известных зарубежных аналогов лобовых покрытий таких производителей, как "Alstom" (Франция),
8 "General Electric" (США) - на этих предприятиях высоковольтные испытания, отдельных стержней статорной обмотки, напряжением свыше 70 кВ проводятся три раза по 20 секунд, так как покрытие не обеспечивает термостабильность в течение 1 мин.
Указанные выше проблемы, связанные с усовершенствованием и созданием новых конструкций крупных генераторов, а также отмеченное ужесточение условий испытаний изоляции, определили необходимость работы по изучению и усовершенствованию противокоронных покрытий.
Актуальность работы
По данным производителей мощных высоковольтных электрических машин -60% проблем, возникающих при эксплуатации, связаны с разрядными процессами на поверхности изоляции статорной обмотки [3,8].
Несмотря на широкое использование противокоронных покрытий с нелинейной вольт-амперной характеристикой, их конструкция и состав были установлены исключительно эмпирическим путем около 30 лет назад и удовлетворяли производственным и эксплуатационным требованиям того периода. Однако принципы выбора параметров В АХ покрытия и его рецептуры не были определены и созданные ранее покрытия оказались непригодными для новых условий, когда произошло существенное увеличение рабочих и испытательных напряженностей в изоляции, вызванное требованиями рынка.
В связи с этим изучение характеристик противокоронных покрытий, их составов, определение влияния компонентов на свойства, разработка новых конструкций, разработка методик контроля, а также изменения свойств при старении в различных режимах является актуальной задачей, как с научной точки зрения, так и с точки зрения обеспечения работоспособности и надежности конструкции изоляции в целом.
9 Особое значение имеет создание противокоронной защиты для турбогенератора АЭС «Бушер» на номинальное напряжение 27 кВ, так как эта система явилась прообразом и испытательной моделью для разрабатываемой в настоящее время конструкции крупнейшего в мире турбогенератора 1500 МВт, 27 кВ для российских АЭС.
Целью работы является разработка противокоронного покрытия, обладающего технологическими преимуществами эмалевого варианта и обеспечивающего как проведение массовых производственных испытаний статорной изоляции при максимально возможном уровне напряжений, так и длительную работу на месте эксплуатации, независимо от климатических особенностей региона; теоретическое и экспериментальное обоснование новой конструкции; оценка ее работоспособности при длительном воздействии рабочих условий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана комплексная экспериментальная методика контроля противокоронных покрытий высоковольтных электрических машин, базирующаяся на обоснованном выборе электрических и технологических характеристик. Использование данной методики позволило провести многофакторное исследование имеющихся аналогов противокоронных покрытий и разработать новое по свойствам и составу покрытие, позволяющее повысить испытательные и рабочие напряженности электрического поля в изоляции на 30-40%.
Установлено, что вольт-амперная характеристика разработанного композиционного материала на основе карбида кремния и электроизоляционных лаков, используемая в качестве противокоронного покрытия, наиболее адекватно описывается экспоненциальной зависимостью между напряженностью электрического поля и проводимостью материала.
10 3. Разработана и экспериментально обоснована двухступенчатая конструкция противокоронного лобового покрытия. Впервые введена в конструкцию покрытия первая ступень, имеющая повышенную проводимость, по сравнению с основной второй ступенью, обеспечивающая равномерное распределение плотности тока по периметру элемента статорной обмотки (стержня или катушки). Предложенная конструкция не только позволяет увеличить нормы испытательных и рабочих напряжений, но и увеличивает срок службы покрытия более чем в 3 раза. Разработанное покрытие (состав и конструкция) защищены патентом РФ (№2187874).
Практическая значимость
Разработанное в диссертационной работе покрытие используется во вновь изготавливаемых и модернизируемых высоковольтных турбо- и гидрогенераторах, обеспечивая в заводских условиях проведение массовых производственных испытаний полных комплектов статорных обмоток высоким напряжением и надежную работу на электростанциях заказчиков. Начиная с 2000 г., изготовлено более 20 машин мощностью до 1000 МВт с разработанным покрытием.
Новая двухступенчатая конструкция противокоронного покрытия статорной обмотки высоковольтных машин стандартизирована на предприятии-изготовителе этого оборудования. Результаты диссертационной работы, начиная с 2000г., используются в АО «Электросила». Разработана и введена в действие соответствующая нормативно-техническая документация (пять стандартов и инструкций предприятия: "Машины электрические. Турбогенераторы на номинальное напряжение 27 кВ. Обмотка статора. Инструкция по приготовлению и нанесению лобового полупроводящего покрытия." (ОБС.922.067 ТУ); "Изготовление эмалей ПЛК-259ч, ПЛК-274, ПЛК-275." (ОБС.900.118 ТИ); "Машины электрические переменного тока.
Турбогенераторы и гидрогенераторы. Полупроводящие покрытия обмоток статора. Конструкция." (СПТ БС 6-48-2001); "Эмали ПЛК-259ч, ПЛК-274, ПЛК-275." (ОБС.504.090 ТУ); "Машины электрические переменного тока. Нанесение полупроводящих покрытий на обмотку статора. Типовой технологический процесс." (ОБС.922.068 ТИ).).
Работа выполнена в соответствии с производственной программой и заказами, полученными АО "Электросила" на поставку турбо- и гидрогенераторов:
[.Турбогенератор типа ТВВ-1000-2-27 для АЭС "Бушер" (Иран), на номинальное напряжение 27 кВ, 1999-2000 гг.
2. Турбогенератор типа ТВВ-1000-2-24 для АЭС "Тянь-вань" (Китай), на
номинальное напряжение 24 кВ, 2001 г.
3. Гидрогенератор типа СВ-1313 для ГЭС "Бурея" (Россия), на
номинальное напряжение 15.75 кВ, 2002 г.
4. Серия гидрогенераторов типа СВ-772/120 для ГЭС в Бразилии, на
номинальное напряжение 13.8 кВ, 2000-2003 гг.
На защиту выносятся
ВАХ противокоронного эмалевого покрытия с карбидкремниевым наполнителем и методика экспериментального определения параметров ВАХ.
Расчет нагрузок покрытия в предельных испытательных режимах и экспериментальное определение их максимально допустимых значений.
Определение области параметров зависимости проводимости покрытия от напряженности электрического поля, в которой нагрузки не превышают предельно допустимые.
Методика и результаты ресурсных испытаний различных вариантов противокоронного эмалевого покрытия.
Конструкция покрытия и состав эмали, обеспечивающие работоспособность покрытия в кратковременных предельных и длительных рабочих режимах.
Достоверность результатов подтверждается:
применением современной измерительной техники и удовлетворительной воспроизводимостью экспериментальных результатов;
соответствием полученных результатов экспериментальным данным других авторов (в тех случаях, когда эти данные имеются);
совпадением расчетных и экспериментальных результатов при определении нагрузок в покрытии;
использованием статистических методов обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора.
Полученные результаты были достигнуты как самостоятельно (создание всех экспериментальных установок, используемых в работе, получение экспериментальных данных и их обработка), так и в соавторстве (разработка расчетной методики).
В процессе работы автор пользовался консультациями к.т.н. Ваксера Б. Д.
Апробация работы.
Результаты работы обсуждались и докладывались на двух Российских и
четырех международных конференциях (Конференция молодых
специалистов электроэнергетики-2000, 18-22.09.2000 г., Москва; Девятая
международная конференция «Физика диэлектриков - 2000», 17-
22.09.2000 г., Санкт-Петербург; IV Международная конференция
«Электротехника, электромеханика и электротехнология-2000», 18-22.09.2000 г., Клязьма; Межвузовская научная конференция «XXIX Неделя науки СПбГТУ», 27.11-02.12.2001 г., Санкт-Петербург; Четвертый международный симпозиум ЭЛМАШ-2002 «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта,
13 нефтяной и газовой промышленности», 7-11.10.2002 г., Москва; Третья
Международная конференция «Электрическая изоляция - 2002», 18-
21.06.2002 г., Санкт-Петербург). Основные результаты работы изложены в
следующих публикациях:
Ваксер Б.Д., Полонский Ю.А., Гегенава А.Г. Вольт-амперная характеристика краевого противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения: Тезисы докладов девятой международной конференции «Физика диэлектриков - 2000». 17-22.09.2000. -Санкт-Петербург, РГПУ, 2000.-С. 111-112.
Гегенава А.Г Свойства противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения: Конференция молодых специалистов электроэнергетики-2000. 18-22.09.2000. - Москва, 2000.-С. 27-29.
Ваксер Б.Д., Петров В.В., Гегенава А. Г. Подавление разрядов на поверхности обмоток электрических машин высокого напряжения: Труды IV Международной конференции «Электротехника, электромеханика и электротехнология-2000». 18-22.09.2000.- Россия, Клязьма, 2000.-С. 291-292.
Ваксер Б.Д., Гегенава А. Г. Подавление поверхностных разрядов в конструкции проходного изолятора с помощью резистивного покрытия // Электротехника. - 2001. - № 6. - С.52-56.
Гегенава А. Г. Противоразрядное покрытие стержней статорной обмотки турбогенератора с номинальным напряжением 27 кВ // Сборник «Электросила». -2001.-№ 40.- С. 22-28.
Ваксер Б.Д, Полонский Ю.А., Гегенава А.Г. Исследование характеристик противокоронных покрытий различного состава, используемых для статорных обмоток электрических машин: Материалы межвузовской научной конференции «XXIX Неделя науки СПбГТУ». 27.11 -02.12.2001. - Санкт-Петербург, 2001.- Ч. 1.- С.76-77.
Гегенава А.Г. Исследование эмалевого противокороного покрытия высоковольтных электрических машин: Труды международной конференции «Электрическая изоляция - 2002». 18-21.06.2002. - Санкт-Петербург, 2002. -С. 268-269.
Гегенава А.Г. Свойства противокоронного покрытия статорных обмоток электрических машин высокого напряжения // Электричество. -2002.-№9. -С. 64-66.
Ваксер Б.Д, Гегенава А.Г. Воздействие эксплутационных условий на противокоронные покрытия изоляции высоковольтных электрических машин // «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности»: Четвертый международный симпозиум ЭЛМАШ-2002. 7-11.10.2002. -Москва, 2002.-Часть II.-С. 79-80.
Гегенава А.Г., Полонский Ю.А. Карбид кремния как наполнитель в противокоронных композиционных материалах для высоковольтных электрических машин // Ведомости Санкт-Петербургского Политехнического университета. 2002. №4. С. 125-127.
По результатам работы получен Патент Российской Федерации №2187874 «Обмотка электрической машины высокого напряжения». Действуете 30.06.2001. Авторы: Гегенава А.Г., Пищулина О.П.
Способы регулирования электрического поля в лобовой части статорной оомотки
Для устранения краевых разрядов в обмотке электрических машинвысокого .напряжения многие годы использовались покрытия лобовойчасти, сложность которых нарастала с увеличением рабочихнапряженностей. Показательно развитие состава покрытия,использовавшегося на заводе "Электросила" (в настоящее время АО "Электросила"), отражающее мировую практику:- глифталевая эмаль с графитовым наполнителем;- глифталевая эмаль с литопоновым и сажным наполнителем и слой стеклоленты, покрытой этой же эмалью;- стеклолента, металлизированная медью с добавкой серебра;- асбестовая лента, пропитанная изоляционным лаком.
Многолетний опыт показал [15-17], что такие покрытия обладают существенными недостатками. У первых двух конструкций, в эмали, изготовленной на основе алкидной смолы, необходимые электрические свойства достигались введением наполнителя - смеси высокоомной и низкоомной сажи. Существенным технологическим недостатком этих эмалей явилось значительное влияние на электрические свойства покрытия условий сушки, длительность которой, в зависимости от температуры и влажности среды доходила до 48 ч. Это приводило к нестабильности поведения покрытий при испытаниях обмотки высоким напряжением и затрудняло производство. Также имели место значительные колебания величины удельного сопротивления слоя покрытия, недопустимые, как будет показано ниже в главе 3, для покрытий с линейной В АХ, что вызывало большую отбраковку обмотки из-за коронирования. Наибольшим недостатком лаковых покрытий с сажным или графитовым наполнителем является их тепловая нестабильность - снижение сопротивления в результате теплового старения при рабочих температурах и связанная с этим низкая стойкость к токовым нагрузкам. Кроме того, часто происходило образование науглероженных каналов (прогаров) при испытаниях высоким напряжением. В результате прогаров сопротивление покрытия снижалось на несколько порядков, и покрытие полностью выходило из строя.высокая стоимость оказались препятствиями к широкому использованию этой ленты.
Высокую нелинейность, как показали проведенные исследования [15-18], имеют ВАХ асбестовой ленты. Но существенным недостатком асбестовой ленты является ее гигроскопичность. Даже очень недолгое пребывание пропитанной эмалью ленты во влажной среде приводит к очень резкому уменьшению ее сопротивления (за 1 сутки на 2 порядка) и возникновению короны. Кроме того, при намотке ленты на стержень часто образуются пустоты у поверхности стержня из-за неровности стержня и неплотного прилегания ленты. Во время работы генератора в этих пустотах происходит ионизация воздуха с интенсивным выделением озона. Эти недостатки ограничивают возможности применения асбестовой ленты и заставляют сводить до минимума зону, которую она может занимать в лобовых частях обмотки. Кроме того, следует отметить еще один важный недостаток асбестовых материалов - токсичность.
В последние 30-40 лет использовались эмали с наполнителем из SiC, обладающие нелинейными ВАХ (сопротивление изменяется по длине покрытия), следующих модификаций: одноступенчатые покрытия [18-25].
Эта конструкция успешно применяется в АО "Электросила" для всех машин переменного тока и турбо- и гидрогенераторов на номинальное напряжение до 13.8 кВ (рис. 1.2-1). двухступенчатое покрытие [15,26].
Первая ступень имеет относительно большую проводимость, что достигается использование или эмали с наполнителем из карбида кремния дисперсностью 20-28 мкм [26] или асбестовой ленты (АЛ) (2-3 витка), пропитанной полупроводящей эмалью [18]. Вторая ступень более длинная из полупроводящей эмали меньшей проводимости.22 Количественные параметры ВАХ ступеней покрытия не были определены.
В АО "Электросила" применяется конструкция, с первой ступенью из асбестовой ленты, обладающей нелинейной ВАХ. Эта конструкция в силу указанных выше проблем, вызванных АЛ, не обладает достаточной долговечностью и используется только для кратковременных высоковольтных испытаниях ( 100кВ), проводимых по особому требованию заказчика на 2...3 сержнях из комплекта стержней генератора. трехступенчатое покрытие [18].
Первая ступень - два слоя АЛ, пропитанные эмалью, вторая ступень -один слой АЛ, и третья ступень - два слоя эмали, нанесенной на поверхность изоляции. Длина каждой ступени 100 мм.Недостатками перечисленных в этом пункте конструкции являются: во-первых, использование АЛ, что обсуждалось выше, и, во-вторых, трудоемкость исполнения.
В зарубежной и отечественной литературе описаны следующие способы защиты от разрядных процессов лобовых частей статорных стержней в месте выхода из пазаЕмкостной метод регулирования поля
В [19,20,27,28] описан метод регулирования краевого поля с помощью проводящих слоев, встроенных в изоляцию, по сути аналогичный применяемому для высоковольтных проходных конденсаторов (выводов). Такая конструкция осуществляет емкостное регулирование поля внутри и на поверхности изоляции (рис. 1.2-2). Для ее реализации необходимо точно располагать электроды при намотке изоляции, что усложняет и удорожает
Методика измерения ВАХ
Методика и схема измерений ВАХ на различных частотах Вольт-амперная характеристика противокоронного покрытия дает полное представление о его поведении в электрическом поле, а параметры ВАХ определяют функциональную пригодность эмали. Поэтому важно снаибольшей точностью устанавливать эту зависимость.
Основной рабочей нагрузкой покрытия является высокое напряжение промышленной частоты. Однако, при измерениях на переменном напряжении, особенно при низких уровнях нагрузки, могут возникнуть значительные погрешности из-за емкостных токов основной и высоких гармоник. В этой связи в работе исследовалось влияние частоты испытательного напряжения на ВАХ покрытия и определялась возможность использования напряжения постоянного тока для установления параметров зависимости G(E).
Измерялись ВАХ на пластинах с покрытием и без него в диапазоне от постоянного тока до частоты 200 Гц (табл. 2.2-1) . Ток в покрытии определялся путем измерения падения напряжения на сопротивлении Ri=100 кОм (рис. 2.2-2). Амплитуда тока определялась по формуле I(MKA)=UH3M(MB)/R2(KOM).
Полученные данные (табл. 2.2-1) позволяют найти емкостную проводимость и оценить ее долю в токе, измеряемом по схеме, представленной на рис. 2.2-2. В табл. 2.2-1 приведены результаты измерений тока в образце при отсутствии покрытия между электродами, то есть емкостного тока. Для упрощения расчетной оценки емкостной составляющей можно использовать пропорциональный емкости коэффициент kc-27tR1C=UcH3M/f-UHcn, среднее значение которого,вычисленное по данным табл. 2.2-1, составляет 0,6 мВ/(Гц-кВ) (величины коэффициента при частотах от 40 до 60 Гц не учитывались, т.к. в этом диапазоне наблюдались значительные сетевые помехи). Тогда величина емкостной составляющей в измеренном падении напряжения на Rj при любой частоте и испытательном напряжении определится по обратной формуле исизм=ксґ-Гіисп. Измерения ВАХ при переменном напряжении можно полагать достоверными, если емкостная составляющая тока на г превышает 30% [122]. Тогда вызванная ею погрешностьгде 1с - емкостная составляющая тока; 1„ - амплитуда тока в покрытии, не превысит величину Vl.09-1 = 0.044.
В табл. 2.2-2 и на рис. 2.2-3 представлены результаты измерений ВАХ покрытий в диапазоне от постоянного тока до 800 Гц при различных напряжениях. В табл. 2.2-2 также приведена оценка емкостной составляющей плотности тока описанным выше способом (формула 2.2-1). Видно, что в диапазоне от постоянного тока до высоких гармоник промышленной частоты проводимость карбидкремниевой эмали почти неизменна, емкостная составляющая на частотах до 200 Гц во всем диапазоне испытательных напряжений не превышает критического значения, при повышении частоты помехи растут с понижением напряжения. Поэтому для определения ВАХ в максимально широком диапазоне напряжений все дальнейшие измерения проводились при напряжении постоянного тока. Это позволило избежать погрешности от емкостного тока в образце и от помех, вызываемых внешним электромагнитным полем.
Схема измерительной установки представлена на рис. 2.2-4. Переменноеиспытательный повышающий трансформатор НОМ-10 (2), выпрямлялось спомощью мостовой схемы выпрямления (3), состоящей из четырехвысоковольтных диодов. Для сглаживания напряжения использовалсяконденсатор (4). Испытательное напряжение контролировалось с помощьюмикроамперметра (6), подключенного через сопротивление (5). Ток черезобразец измерялся микроамперметром (11), защищенным разрядником 8 исхемой из элементов 9, 10, 12, 13.
Методика расчета нагрузок в покрытии
Расчет распределения электрического потенциала U по поверхности противокоронного покрытия и тока в нем производился в предположении, что потенциал зависит только от координаты х, отсчитываемой вдоль оси стержня, и времени t. При этом допущении для расчета распределения потенциала можно воспользоваться уравнениями однородной R-C линии [122], считая ее проводами противокоронное покрытие и медь стержня, в которой можно пренебречь коэффициентом самоиндукции линии (Ьиид=0), проводимостью изоляции между проводами (G„=0) и сопротивлением меди.
С учетом этих допущений уравнения покрытия имеют вид:где і - ток в покрытии, G - проводимость противокоронного покрытия на единицу длины, С - емкость изоляции на единицу длины.
Умножив первое из уравнений (3.2-1) G на и продифференцировав его затем по х, с учетом второго уравнения (3.2-1), получим!где U - мгновенное значение потенциала на поверхности покрытия относительно потенциала внутреннего проводника. Граничные условия для уравнения (3.2-2):- в начале покрытия (х=0) приложено переменное напряжение U(0,t)=Um-sin(cot);- в конце покрытия (x=L) краевое условие определяется ВАХ коронногоразряда: если напряжение в этой точке превышает напряжениевозникновения разрядов Цч, то есть UL Uk, то ток I(x=L)=Ik(Uk), а приUL Uk ток в конце покрытия I(x=L)=(-G-9U/5x)=0. При этомзависимость Ik=f(Uk) определялась экспериментально.
Для решения уравнения (3.2-2) использовались методы вычислительной математики, позволяющие найти значения периодически меняющейся во времени функции (напряжения) по известным граничным условиям, разбивая исследуемые диапазоны времени и пространства на необходимое число интервалов [42].
Аппроксимация уравнения (3.2-2) по времени осуществлялась методом Эйлера:где j=0, 1,2...-номер временного слоя (U=U(x, 0)); т-шаг по времени. Таким образом, для нахождения распределения потенциала Uj+i вдольпокрытия на каждом временном слое следует решить нелинейное уравнение (3.2-3) относительно U,+ .
Аппроксимация уравнения (3.2-3) по пространственной переменной х осуществляется методом конечных элементов на равномерной сетке с использованием стандартных функций-крышек ф[ [123]:где N - число узлов сетки. Система разностных уравнений получается методом Галеркина [119]:
Решение нелинейной системы (3.2-5) выполняется методом Ньютона [123], на каждой итерации которого линейная система с трехдиагональной матрицей решается методом подгонки [123]. Расчет производится для нескольких периодов напряжения до получения устойчивых значений U(x, t).
Описанная методика расчета реализована в виде программы для ЭВМ "Расчет распределения электрического потенциала по поверхности полупроводящего покрытия изоляции стержней статорных обмоток машин переменного тока методом конечных элементов" [42, 44, 124]. С помощью этой программы можно общитывать покрытия с линейной и нелинейной V ВАХ. В данной работе расчет велся только для случаев с нелинейной ВАХ, хотя некоторые исследователи [125] используют линейную зависимость для противокоронных покрытий.
В программу расчета вводятся указанные ниже исходные данные:
Длина противокоронного покрытия (ПП) L (м); Количество разбиений по длине ПП (не менее 10); Максимальное число расчетных периодов (не менее 3); Период изменения напряжения (с);Число интервалов времени на периоде (от 1 до 1000);Точность решения нелинейной задачи;
Точность определения напряжения по длине ПП (В);Толщина изоляции d (м);Относительная диэлектрическая проницаемость изоляции є;
Амплитуда приложенного напряжения, иисп (В); Вольт-амперная характеристика коронного разряда на конце покрытия в виде линейной функции j = ——(U-Uk0), где UK0 - напряжение возникновения коронного разряда (В); jK - плотность тока коронного разряда (мкА/см), соответствующая напряжению на конце покрытия UK (В); Параметр G0 эмали, используемой в рассчитываемом покрытии; Параметр (3 эмали. В результате расчета получается следующая информация: Зависимость амплитуды напряжения на изоляции от расстояния от конца электрода; Максимальная напряженность у конца электрода Еотах (кВ/см); Минимальное напряжение на конце покрытия Umjn (кВ); Максимальная плотность тока в начале покрытия J0 max (мкА/см); Минимальная плотность тока в конце покрытия Jmin (мкА/см) (при Umm Uk0); Удельные потери в начале покрытия Р0 (Вт/см-); Суммарные максимальные потери по длине покрытия Psum (Вт/см"). Характеристики коронного разряда определяются (для определенной толщины изоляции) следующим образом: на поверхность стержня (без покрытия) по периметру накладывается электрод из медной проволоки диаметром около 1 мм и используется схема, представленная на рис. 3.2-1. По результатам измерений строится график зависимости jK=f(UK), представленный на рис. 3.2-2. Аппроксимируя линейный участок
Исследование дисперсионного состава порошков
Исследование диссперсного состава порошков наполнителей (SiC, металлы) производилось методом седиментации. Метод основан на предположении, что измеренная постоянная скорость оседания частиц в вязкой среде под действием силы тяжести связана с размером микрообъекта законом Стокса. Для сферических частиц закон Стокса выражается следующим образом:где D - диаметр сферической частицы;V - равновесная скорость осаждения частицы; р - плотность частицы; п - вязкость жидкой среды; р0 - плотность жидкой среды; g - ускорение силы тяжести. В основу седиментационного метода положен процесс оседания в жидкости частиц твердой фазы. Из анализируемого материала готовится разбавленная агрегативно устойчивая суспензия, которая тщательно перемешивается для достижения равномерного распределения частиц в объеме, после чего изучается процесс ее расслоения.
Определение дисперсного состава исследуемых порошков проводилось с помощью прибора Particle size analiser "SediGraph 5000D".Анализатор размеров частиц "SediGraph 5000D" измеряет скорость оседания частиц, диспергированных в жидкости, и автоматически преобразует полученные данные в интегральную кривую распределения частиц по размерам. Размеры выражаются в микрометрах через эквивалентный (стоксовский) диаметр.
С помощью узкоколлимированного пучка рентгеновских лучей прибор позволяет определить временную зависимость концентрации частиц, находящихся при оседании на разных глубинах. Электронная схема выдает сигнал разности логарифмов интенсивности проходящего рентгеновского излучения. Эта величина нормируется и представляется линейно как «суммарный весовой процент» по оси У самописца Х-У. Чтобы сократить до минимума время, необходимое для анализа, положение седиментационной ячейки непрерывно меняется: так что наблюдаемая глубина оседания обратно пропорциональна времени, прошедшему с начала седиментации. Перемещение ячейки синхронизировано с осью X самописца Х-У. Это позволяет установить эквивалентный сферический диаметр, соответствующий времени с начала опыта и глубине, на которой в данный момент находится луч. Блок-схема измерительной установки представлена на рис. 4.2-1. Информация о размерах частиц в диапазоне от 100 до 0.1 мкм представляется в логарифмическом виде нарис. 4.2-2.
Прибор обычно дает распределение частиц по размерам в интервале от 50 до 0,18 мкм. Диаметры 50 мкм и 0,18мкм могут быть измерены при соответствующей плотности частиц, а также плотности и вязкости жидкости.
При производстве противокоронных эмалей в ряде случаев качество карбида кремния и свойства связующих компонентов (лаков) не позволяют получить необходимые проводимость и нелинейность композиции даже при оптимальном ее составе. В связи с этим был произведен поиск присадок, позволяющих увеличить проводимость и нелинейность эмали путем добавления порошка из материала, обладающего высокой проводимостью. Предполагалось, что небольшие количества частиц проводящего материала, распределяясь между частицами карбида кремния,
способствуют увеличению размеров кластеров из основного полупроводящего материала SiC, но не образуют сплошных цепочек. Как известно металлы можно расположить по удельному сопротивлению при нормальных условиях в следующий ряд: серебро (1,6-Ю"80м-м), медь (1,7-10"8 Ом-м), золото (2,0-10"8 Ом-м), алюминий(2,9-10"8 Ом-м). Золото для массового производства эмалей из-за дороговизны использовать невозможно. Влияние оставшихся материалов на свойства эмали было исследовано на основе следующих порошков, производимых в России: 1) порошок серебра [130]; 2) медный порошок [131]; 3) бронзовый порошок [132]; 4) алюминиевая пудра [133]; 5) алюминиевый порошок [134]; 6) графит [135]. Влияние медных и алюминиевых добавок изучалось на нескольких порошках, отличающихся химическим и дисперсионным составами. Также исследовалось влияние добавки графита, имеющего в поликристаллическом виде сопротивление -10 Омм, т.к. некоторые литературные источники [21, 51] указывают на эффективность его применения для этих целей. Вводимая присадка должна иметь дисперсный состав, близкий к составу основного наполнителя для равномерного распределения в эмали, поэтому предварительно был изучен дисперсный состав порошков добавок и SiC, используемых при изготовлении противокоронных эмалей. Исследование дисперсного состава проводилось двумя способами: с помощью микроскопа МБС-2 (хЮО) и на приборе Particle size analiser "SediGraph 5000D".
Исследуемые порошки были предварительно изучены под микроскопом, так как седиментационных метод позволяет оценить дисперсионный состав порошков только с определенной формой и размером частиц. Результаты представлены в таблице 4.3-1. Оценить зерновой состав с помощью "SediGraph 5000D" оказалось возможно только для пяти порошков. Суспензия изготавливалась на основе воды. Полученные данные собраны в таблице 4.3-2.
Представляет интерес сопоставление дисперсного состава с электрическими и технологическими свойствами эмалей с различными SiC.
Из перечисленных в таблицах 4.3-1, 4.3-2 порошков были изготовлены эмали, в таблице 4.3-3 представлены параметры ВАХ этих эмалей с добавлением проводящих порошков. Исследование электрических характеристик эмалей показало следующее:- эмаль на КЧМ-14 имеет очень малую проводимость ( 10" э См), что объясняется мелким зерновым составом (табл. 4.3-2);- составы на КЧМ-28 и КЗМ-28 не могут быть использованы, т.к. из-за большого содержания крупных фракций имеют недопустимо большую скорость оседания наполнителя и являются нетехнологичными;- наилучшие свойства, удовлетворяющие представленным в главе 3 требованиям к параметрам ВАХ, имеют эмали на основе порошка КЧМ-20. В таблицах 4.3-1, 4.3-2 представлены результаты исследования двух поставок порошков КЧМ-20. Как видно, они немного отличаются по зерновому составу: порошок (1) имеет повышенное содержание частиц большей дисперсности и этим объясняется более высокая проводимость эмалей на его основе (в разделе 4.6 изучались электрические свойства этих
