Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Долговечность и кинетика развития дефектов (сквозных повреждений) в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин 11
1.1. Связь долговечности и дефектности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин 11
1.2. Факторы, воздействующие на систему межвитковой низковольтной изоляции 12
1.3. Кинетика образования и роста трещин в полимерных материалах, находящихся под нагрузкой 24
1.4. Существующие методы оценки долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин 45
1.5. Выводы по главе и постановка задачи исследования 47
Глава 2. Материалы и методы исследования 49
2.1. Общая характеристика материалов 49
2.2. Методы исследования 53
2.3. Выводы по главе 64
Глава 3. Оценка скорости дефектообразования и внутренних механических напряжений в витковой изоляции низковольтных электрических машин 65
3.1. Оценка внутренних механических напряжений в пленках пропиточных составах 65
3.2. Оценка скорости дефектообразования в межвитковой изоляции обмоток электрических машин 76
3.3. Выводы по главе 98
Глава 4. Основы метода оценки долговечности системы изоляции низковольтной электрической машины 101
4.1. Использование термофлуктуационной теория разрушения твердых тел для оценки долговечности электрической изоляции 101
4.2. Определение параметров уравнения долговечности межвитковой изоляции электрических машин 106
4.3. Экспресс прогноз времени безотказной работы межвитковой изоляции низковольтной электрической машины 111
4.4. Выводы по главе 121
Заключение 122
Литература 124
Приложение 1 134
- Факторы, воздействующие на систему межвитковой низковольтной изоляции
- Существующие методы оценки долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин
- Оценка скорости дефектообразования в межвитковой изоляции обмоток электрических машин
- Определение параметров уравнения долговечности межвитковой изоляции электрических машин
Введение к работе
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 ЮЛ. 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:
На основании анализа литературных данных выявить факторы, влияющие на выход из строя межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.
Изучить влияние вязкости пропиточных составов на дефектообра-зование в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.
Установить взаимосвязь между внутренними механическими напряжениями, дефектностью и долговечностью изоляции электрических машин
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 МЛ-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. Дефекто образование 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.
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.
Для различных систем низковольтной межвитковой изоляции электрических машин установлена общая закономерность: с увеличением условной вязкости пропиточного состава ускоряются процессы дефектообразования в диэлектрических материалах.
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.
На основе термофлуктуационной теории прочности полимеров разработана экспресс-методика определения долговечности межвитковой изоля-
7 ции 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:
С ростом внутренних механических напряжений интенсивность появления дефектов в различных системах межвитковой изоляции увеличивается по линейному закону.
Изменение вязкости пропиточного состава в оптимальных границах является эффективным технологическим приемом создания изоляционных систем низковольтных электрических машин с повышенным ресурсом работы.
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.
На XVI Всероссийской научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск: НПЦ «Полюс», 2000 г.
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.
На 5lh Korea-Russia International Symposium on Science and technology (KORUS 2001), г. Томск, ТПУ, 2001 г.
На международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Томск, ТПУ, 2001г.
На третьей международной конференции «Электрическая изоляция - 2002», Санкт Петербург, 18-21 июня, 2002 г.
На VII, Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2001 г.
На международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы», г. Томск, 3-5 сентября, 2003 г.
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.
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научно-практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертации: в работах Похолкова Ю.П., Бесперстова П.П., Пыхтина В.В., Дудкина А.Н. Кирилова Ю.А., Матялиса АЛ. и др. авторов описаны факторы, воздействующие на систему межвитковой низковольтной изоляции, и требования, предъявляемые к электроизоляционным материалам, проанализированы причины отказов обмоток низковольтных электрических машин. В работах Журкова С.Н., Регеля В.Р., Слуцкера А.И., Цоя Б. и др. авторов описаны механизмы образования и роста дефектов (трещин) в полимерных материалах. В обзоре литературы выявлено, что на сегодняшний день отсутствует информация о четкой взаимосвязи между механической и электрической прочностью электроизоляционных материалов, использующихся для изготовления обмоток электрических машин- Сделана постановка задачи исследования диссертации.
Во второй главе описаны объекты и методы исследования. Для проведения исследований были выбраны пропиточные составы марок МЛ-92 и КО-919, а также обмоточные провода марок ПЭТВ, ПЭТ-155 и ПЭТМ-180. Причиной выбора этих материалов послужила широта их применения, значительно широкий диапазон рабочих температур и хорошая совместимость. Для оценки скорости дефектообразования в межвитковой изоляции были изготовлены образцы, представляющие собой макеты из 50-ти попарно связанных отрезков обмоточного провода длинной 330 мм, пропитанных методом погружения пропиточными составами с различной величиной условной вязкости. Подготовленные образцы подвергались термическому старению в интервале температур 145С - 190С в течение 1000 часов, с интервалом в 50-100 часов, испытывались повышенным испытательным напряжением на предмет выявления сквозных дефектов в связке. Определение внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточном составе, проводилось с помощью консольного метода. Для измерения напряжений консольным методом применялись стальные пластинки марки 1Х18Н9Т размером 80x15 мм толщиной (0,1—0,5) мм. На поверхность консольно закрепленной пластинки наносилось исследуемое покры-
10 тие. Возникающие в покрытии напряжения рассчитывались по величине отклонения свободного конца пластинки.
В третьей главе приведены экспериментальные зависимости скоростей дефектообразования от времени старения для различных композиций, а также представлены экспериментальные результаты изменения внутренних механических напряжений в пленках пропиточных составов. Установлено, что, чем выше условная вязкость пропиточных составов, тем выше уровень внутренних механических напряжений в них: с увеличением условной вязкости пропиточных составов скорость дефектообразования в межвитковой изоляции также увеличивается за счет высокого уровня внутренних механических напряжений.
Приведены данные, свидетельствующие о взаимосвязи внутренних механических напряжений, дефектности и долговечности изоляции низковольтных электрических машин, которые являются основой создания нового метода оценки рабочего ресурса электроизоляционных систем.
Четвертая глава посвящена разработке методики расчета долговечности межвитковой системы изоляции низковольтных электрических машин, применимой для экспресс - прогноза времени безотказной работы межвитковой изоляции любой низковольтной электрической машины. За основу методики расчета взята теория прочности твердых тел С.Н. Журкова. Предлагаемая методика расчета учитывает внутреннюю структуру пропиточного состава и величины внутренних напряжений, возникающих в них,
В приложении приведены акты об использовании результатов работы на предприятиях г. Томска.
Факторы, воздействующие на систему межвитковой низковольтной изоляции
В реальных конструкциях низковольтных электрических машин в процессе эксплуатации на обмотку действует ряд факторов: электрическое поле, механические нагрузки, повышенные температуры и окружающая среда [10,13, 84]. В низковольтных системах изоляции обычно пренебрегают вкладом в общий процесс старения предпробивных явлений, так как действующие величины напряжений ниже напряжения начала ионизации [10, 73, 84]. Механические нагрузки проявляются в виде различных вибраций, термомеханических напряжений и учитываются при проектировании и эксплуатации электрических машин. Наиболее выраженным воздействием на изоляцию, приводящим к термоокислительному старению, является температура и окружающая среда [10, 61, 73, 84]. При проектировании систем изоляции электрических машин изоляционные материалы и в целом конструкция должны выбираться таким образом, чтобы температура в наиболее нагретом месте изоляции не приводила к отказу изоляции в течение требуемого времени наработки [1,2, 30]. Вследствие сравнительно малой теплопроводности изоляционных материалов изоляция обмотки является основным тепловым сопротивлением при отводе тепла от меди в окружающую среду. Особенно малой теплопроводностью обладают газовые проме 13 жутки. В процессе теплового старения в изоляции происходят химические и физические изменения. Во-первых, длительное действие температуры и взаимодействие изоляции с кислородом воздуха вызывает усадку изоляции и появление в ней пор и трещин. При термоокислительных процессах может произойти и дополнительная сшивка полимеров, приводящая к увеличению жесткости, появлению хрупкости. Во-вторых, возможен и обратный процесс - химическое разложение (деполимеризация) под действием температуры, при этом материал может размягчаться, выделять летучие продукты, разрушающие соприкасающиеся с ним компоненты Физические изменения в системах изоляции, обусловленные процессом теплового старения, зависят от ее состава и конструктивного исполнения обмотки [1, 101, 104]. Наиболее слабым элементом конструкции низковольтной изоляции является витковая изоляция [10, 84, 85], представляющая собой два слоя изоляции обмоточного провода, соединенных между собой пропитывающим составом. В такой изоляции на границе раздела проводник-полимер создаются внутренние напряжения. В процессе теплового старения из-за указанных выше химических процессов в полимерном материале изменяются его параметры (увеличивается температура стеклования и модуль упругости), что приводит в целом к возрастанию внутренних напряжений особенно в начальный период старения. Большой уровень внутренних механических напряжений приводит к растрескиванию пропиточного состава (т.е. нарушению монолитности изоляции), ускорению процессов теплового старения и, в конечном итоге, к отказу обмотки [16-19].
При старении, т.е. необратимом изменении электрических и механических свойств с течением времени, изоляционные материалы перестают выполнять свои функции в конструкции. Условия, при которых работает изоляция, могут усилить или ослабить процессы старения.
Так как характер старения каждого из материалов, входящих в систему изоляции, различен, то, выбирая материалы для конструкции, предназначенной для длительной работы при определенной температуре, необходимо учитывать их взаимодействие в процессе эксплуатации. При неудачном сочетании электроизоляционных материалов в процессе работы электрической машины может произойти ускоренное разрушение материалов. Большое влияние на срок службы изоляции обмоток оказывают механические нагрузки (внешние и внутренние напряжения), приводящие к возникновению сквозных дефектов изоляции как в процессе ее изготовления, так и при эксплуатации. Особенно велика их роль в системах - пленка эмалевой изоляции обмоточного провода-пропиточный состав. Для корпусной и межфазной изоляции при изготовлении обмотки электрической машины возникновение повреждения - редкость, т.к. сквозные повреждения в системах корпусной или междуфазной изоляции выявляются в процессе контрольных испытаний, в результате чего выход в эксплуатацию намоточного устройства со сквозным повреждением в корпусной и междуфазной изоляции является редким событием [28, 73].
При увеличении тепловых и механических нагрузок как внешних, так и внутренних, срок службы межвитковой изоляции снижается, но для разных материалов в различной степени. Поэтому путем подбора материалов с учетом их физико-химического взаимодействия уровень данных нагрузок снижается [40, 72].
В низковольтных системах величины воздействующих напряжений недостаточны для пробоя изоляции, отказ возможен лишь при наличии сквозных повреждений (дефектов) в изоляции между токоведущими частями с разными потенциалами [73, 84, 85]. Сквозные дефекты могут появляться при изготовлении обмоточного провода, в процессе намотки катушек и укладки их в пазы, а также во время эксплуатации электрической машины вследствие ухудшения свойств изоляции в процессе теплового старения. [28, 59, 73].
Отказы витковой изоляции обмоток низковольтных электротехнических конструкций в период приработки обусловлены в основном выявлением сквозных дефектов, однако отказы конструкций продолжают наблюдаться, причем частота их возрастает по мере физического износа. Отказы обмоток в период физического старения обусловлены также наличием сквозных дефектов, появляющихся в результате старения эмальизоляции проводов [91]. Это подтверждается тем, что величина среднепробивного напряжения «здоровой» изоляции остается даже при длительных временах старения довольно высокой [28, 73]. Дефекты, образующиеся при тепловом старении эмальпроводов, представляют собой сквозные трещины, образовавшиеся в результате структурных изменений в эмальизоляции, которые приводят к появлению внутренних механических напряжений и разрушению изоляции [17,18]. Обычно дефектность изоляции проводов при тепловом старении не изменяется в течение некоторого времени, а затем резко возрастает. Время, при котором дефектность эмальпроводов начинает возрастать, определяется температурой старения [73, 74].
В работах Похолкова Ю.П., Бесперстова П.П., Пыхтина В.В., Дудкина А.Н. Кирилова Ю.А., Матялиса А.П. и др. его учеников выполнены многоплановые исследования по повышению надежности обмоток асинхронных двигателей [84-91].
Так, в работе [87] проводилось исследование совместного влияния температуры и вибрации на дефектность витковой изоляции низковольтных электрических машин. Эксперимент проводился на макетах, представляющих собой статореты. В пазы пакетов статорет укладывались попарно связанные проводники. С одной стороны лобовая часть обмотки была разрезана, и концы проводников зачищены. Укладка обмотки в пазы статоров, пропитка и сушка обмоток производилась в полном соответствии с технологией изготовления обмотки двигателя. Коэффициент заполнения паза составлял 0,82. В качестве пропитывающего состава использовался лак МЛ-92. Для обеспечения одновременного влияния на обмотку температуры и вибраций макеты обмоток помещались в термостат, установленный на вибростенде типа 5Г-1000.
Существующие методы оценки долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин
На сегодняшний день существует ряд методов оценки долговечности межвитковои изоляции низковольтных электрических машин, однако, все методы объединяет тот факт, что они основаны на численном моделировании.
Для их реализации необходимо выполнить следующие этапы: - выбирать и определить компоненты при разработке физической модели исследуемой системы; - составить формализизованную схему структуры для расчета статистического распределения долговечности такой системы; - определить параметры функций теоретического статистического распределения с помощью экспериментальных наблюдений; - сформулировать зависимости параметров функций теоретического распределения от внешних факторов, воздействующих на систему изоляции при условиях старения; - формализованную схему преобразовать в числовую модель при использовании аналитического или числового метода; - определить тип статистического распределения долговечности системы межвитковои изоляции и произвести оценку количественных показателей долговечности.
Кроме того, методики оценки долговечности, применяемые в настоящее время имеют ряд недостатков, которые снижают достоверность получаемых результатов, либо дают достоверную информацию, но с большим объемом эксперимента. Так, в ОСТІ6.0682.007-73 с целью получения исходных данных для расчета предусмотрен демонтаж обмотки и пробой отдельных слоев композиции изоляционных материалов. Это приводит к тому, что при разборке обмотки в месте разделения слоев многослойной изоляции ликвидируются имеющиеся в ней ослабленные участки, а также могут появиться новые повреждения. Недостаток ОСТ 16.0682.007-73 заключается так же в использовании результатов экспериментов с искусственно поврежденными образцами изоляции для расчета основных величин, а также искусственный учет электрической прочности пропитывающего состава.
В РТМ ОАА.682.029-72 предусмотрено помещение обмотки с разрезанными лобовыми частями в ванну с трансформаторным маслом. Пробой изоляции в трансформаторном масле существенно увеличивает значения пробивных напряжений, а следовательно, ведет к получению завышенной оценки долговечности межвитковой изоляции.
Самой распространенной методикой по определению долговечности межвитковой изоляции электрической машины является методика, описанная в ОСТ 16.0.800.821-88 «Машины электрические асинхронные мощностью свыше 1 кВт до 400 кВт включительно. Двигатели. Надежность. Расчетно-экспериментальные методы определения».
Основой данной методики является численное моделирования срока службы межвитковой изоляции обмотки электрической машины с использованием многофакторного анализа. В качестве критерия, характеризующего степень устойчивости межвитковой изоляции к технологическим и эксплуатационным воздействиям, выбрано приращение дефектности (скорость дефектооб-разования) межвитковой изоляции после имитации данных факторов.
Скорость дефектообразования в зависимости от конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов определяется по выражению: ЯА=(1+0.06-а }(1+0.0038/ -(1+0,058-Св)-Яс,-ехрР,0014/вкл+ где ар - относительное удлинение провода, соответствующее технологическому процессу изготовления обмотки; /л - длина вылета лобовой части обмотки; GB-максимальное эксплутационное, вибрационнонное ускорение g; Н0 и ав, - коэффициенты уравнения, определяющие скорость увеличения дефектности витко 47 вой изоляции; уЬкл - частота включений двигателя; 60кв- температура, характеризующая нагревостойкость витковой изоляции, и среднее значение температуры обмотки.
Все величины, входящие в это выражения за исключением Н0 и ав, определяются по обмоточным данным конкретной конструкции обмотки. Однако, для нахождения величин Н0 и ав необходимо выполнить большой объем эксперимента. Таким образом, все существующие методики по оценке долговечности межвитковой изоляции, в той или иной степени, вполне приемлемы, однако, имеют ряд недостатков, основной из которых - это длительность и материалоемкость экспериментов.
Проведя обзор работ, посвященных долговечности и дефектообразованию в межвитковой изоляции низковольтных электрических машинах, кинетике образования трещин в различных полимерных материалах и методикам регистрации скорости дефектообразования позволяет сделать следующие выводы: 1) Надежная работа низковольтных электрических машин определяется главным образом надежной работой межвитковой изоляции [1, 16, 31, 84, 85, 90,91,101,104]; 2) Большое влияние на надежность межвитковой изоляции оказывают тепловые и механические нагрузки, поэтому возникает необходимость снижать уровень данных нагрузок путем подбора материалов с учетом их физико-химического взаимодействия; 3) Опираясь на довольно обширную совокупность экспериментальных данных, ряду авторов [46 - 50, 92 - 95, 108] удалось описать картину появления магистральной трещины, начиная от первичных разрывов молекул, и кончая образованием разрыва сплошности по всей поверхности полимерного материала — магистральные трещины; 4) Рядом авторов [46. 50,92, 95, 108] выявлено, что для реальных тел с их надмолекулярной структурой и дефектами и далеко неидеальной упругостью, появление и размеры трещин тесно связаны с гетерогенностью строения структуры материала; 5) Рост магистральной трещины в объеме полимера определяется термо-флуктуационными процессами, и с повышением температуры этот процесс резко ускоряется [94]. Таким образом, долговечность полимера определяется кинетикой разрастания макротрещины [94,108]; 6) На сегодняшний день нет простой методики определения долговечности системы межвитковой изоляции низковольтных электрических машин; 7) Отсутствие информации о четкой взаимосвязи между механической и электрической прочностью электроизоляционных материалов, использующихся для изготовления обмоток электрических машин, позволяет сделать вывод, что исследование влияния механической прочности электрической изоляции на ее надежность, создание научно-обоснованного метода оценки долговечности электрической изоляции на основе ее механической прочности является актуальной задачей. Таким образом, целью настоящей работы является: на основе изучения процессов образования и роста трещин в полимерных материалах разработать методику расчета долговечности системы межвитковой изоляции низковольтных электрических машинах.
Оценка скорости дефектообразования в межвитковой изоляции обмоток электрических машин
В работе, по методике описанной в главе 2, было проведено экспериментальное исследование по оценки приращения дефектности межвитковой изоляции, различных конструкций, обмотки низковольтной электрической машины. Исследуемые конструкции межвитковой изоляции представляли собой следующие сочетания обмоточного провода и пропиточного состава: ПЭТВ+МЛ92; ПЭТ-155+К0916К; ПЭТМ-180+КО916К, причем, пропиточный состав МЛ92 имел пять различных условных вязкостей по вискозиметру ВЗ-4 19с, 25с, 30с, 35с, 40с, а пропиточный состав К0916К имел две вязкости по вискозиметру ВЗ-4 19с и 40с.
Для проведения статистической обработки полученных результатов исследования приращения дефектности витковой изоляции низковольтных электрических машин 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, так как анализ исследуемых выборок показал, что они не подчиняются нормальному закону распределения. Проверка гипотезы о нормальности распределения значения признака проверялась методом Шапиро-Уилкса, который позволяет работать с малыми выборками [118]. Исследования по оценке скорости дефектообразования, на образцах, имитирующих межвитковую изоляцию обмотки электрической машины, позволили выявить следующие закономерности:
На рисунках 3.6 - 3.15 представлены зависимости изменения скорости дефектообразования от времени теплового старения для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов. Характер изменения скорости дефектообразования от времени старения и вязкости пропиточных составов для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов остается постоянным, т.е. с увеличением времени старения и вязкости пропиточного состава величина скорости дефектообразования так же увеличивается. Для провода марки ПЭТВ, пропитанного пропиточным составом МЛ-92 различной вязкости (рис. 3.6 - 3.9), наблюдаемая величина скорости дефектообразования за время старения более 1000 часов увеличилась в 20 раз. Изменение условной вязкости пропиточного состава для данного сочетания с 19с до 40с по ВЗ-4 увеличивает величину скорости дефектообразования в 4 раза. Для провода марки ПЭТ-155 пропитанного пропиточным составом КО-916К различной вязкости (рис. ЗЛО - 3.12) величина скорости дефектообразования за время старения более 800 часов увеличилась в 4,5 раза. Изменение условной вязкости пропиточного состава для данного сочетания с 19с до 40с по ВЗ-4 увеличивает величину скорости дефектообразования в 2,5 раза. Для провода марки ПЭТМ-180, пропитанного пропиточным составом КО-916К различной вязкости (рис. 3.13 - 3.15), величина скорости дефектообразования за время старения более 800 часов увеличилась в 4 раза. Изменение условной вязкости пропиточного состава для данного сочетания с 19с до 40с по ВЗ-4 увеличивает величину скорости дефектообразования в 1,5 раза.
Кроме того, установлено, что величина скорости дефектообразования для провода марки ПЭТМ-180 пропитанного составом КО-916К в 50 раз ниже, чем для провода марки ПЭТВ, пропитанного составом МЛ-92, а для провода ПЭТ-155, пропитанного составом КО-916К это значение ниже в 40 раз.
Выявлено, что с увеличением температуры старения величина скорости дефектообразования, также увеличивается. Для провода марки ПЭТВ, пропитанного составом МЛ-92, увеличение температуры старения на 15С приводит к росту скорости дефектообразования в 2 раза (рис.3.6 - 3.8). Для провода марки ПЭТ-155, пропитанного составом КО-916К, увеличение температуры старения на 35С величина скорости дефектообразования возрастает в 2,1 раза (рис. 3.10-3.11). Для провода марки ПЭТМ-180, пропитанного составом КО-916К, увеличение температуры старения на 15С величина скорости дефектообразования возрастает в 2,4 раза (рис. 3.13-3.14). Таким образом: 1. Скорость дефектообразования межвитковой изоляции от времени теплового старения для всех конструкций имеет общую закономерность, т.е. чем больше время старения межвитковой изоляции, тем приращение дефектности выше. 2. Скорость дефектообразования межвитковой изоляции от температуры теплового старения для всех конструкций имеет также общую закономерность, а именно, чем выше температура старения, тем больше и приращения дефектности. 3. Наблюдаемое изменение скорости дефектообразования межвитковой изоляции, различной конструкции, от вязкости пропиточных составов имеет возрастающий характер при увеличении вязкости пропиточных составов. 4. Наибольшее дефектообразование среди исследованных конструкций межвитковой изоляции отмечено в системе ПЭТВ+МЛ-92, наименьшее в системе ПЭТМ-180+КО916К. 5. При пропитке макетов кремнийорганическим составом КО-916К отмечено меньшее количество отказов.
Процесс зарождения сквозных дефектов в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин начинается на этапе формирования пространственной трехмерной структуры пропиточного состава. Получаемая пространственная структура пленки пропиточного состава имеет аморфное строение. Вследствие этого структура получается гетерогенной и напряженной. Напряженность внутренней структуры полимера на первый взгляд кажется неопасной, т.к. уровень напряжений не столь высок по сравнению с прочностными характеристиками материала, однако, постоянное действие механической нагрузки влечет за собой необратимые последствия - разрушение материала. Естественно, что разрушение пленки пропиточного состава произойдет в том случае, если будет происходить разрыв химических связей в определенном месте. В свою очередь, при изготовлении низковольтной обмотки электрической машины на эмаль изоляцию обмоточного провода действуют ряд растягивающих, скручивающих, сжимающих нагрузок, в результате которых возникают её локальные повреждения. То есть помимо собственных повреждений в эмальпро-воде возникают и технологические. Однако, после пропитки часть повреждений, размеры которых больше или равны размерам молекул пропиточного состава, «залечиваются», и образуется монолитный слой. Под действием эксплуатационных нагрузок - коммутационных перенапряжений, температуры, вибрации и окружающей среды в обмотке электрической машины возникают сквозные дефекты на двух соприкасающихся ее витках, приводящие к отказу изделия [73].
Определение параметров уравнения долговечности межвитковой изоляции электрических машин
Для расчета долговечности межвитковой изоляции низковольтной электрической машины предлагается использовать уравнение (4.5), описанное в предыдущем разделе настоящей работы, в которое входят три основные величипы, характеризующие прочностные свойства изоляционных материалов.
В дальнейшем рассмотрим основные методы оценки этих величин. 4.2.1. Методология расчета средней энергии мономерного звена (UCf). Значение средней энергии мономерного звена выражается формулой (4.3). В качестве примера приведем расчет средней энергии мономерного звена для полиэтилена.
Химическая формула мономерного звена для полиэтилена представлена на рисунке 4.3. Таким образом, в структуру мономерного звена полиэтилена входят три группы химических связей, это связи: С - С (2 связи); С - Н (2 связи); СН - Н (2 связи), общее количество химических связей в мономерном звене полиэтилена равно шести. Для расчета средней энергии мономерного звена полиэтилена из [98, 106] найдем значения энергий этих связей (U0). Так, для связи С - С U0 = 80,5 ккал/моль, для С - Н U0 = 128 ккал/моль, для СН - Н UQ = 81 ккал/моль.
Таким образом, для расчета средней энергии мономерного звена различных полимерных материалах необходимо знать: химическую формулу мономерного звена и значения энергий связи. На межвитковую изоляцию низковольтной электрической машины действуют как внешние (атш), так и внутренние механические нагрузки {авн).
К основной внешней механической нагрузке, оказывающей действие на изоляцию электрической машины, относится вибрация. В работах [29, 84] проводилось исследование влияние вибрации на величину дефектности межвитко-вой изоляции низковольтных электрических машин. Выяснилось, что при нормальной эксплуатации электрической машины величина напряжений, вызван 109 ных вибрацией, остается постоянной и составляет величину порядка 0,05МПа.
Результаты исследований, приведенных в данной работе, свидетельствуют о том, что внутренние механические напряжения в пропиточном составе, возникшие из-за физических и химических изменений (усадка; взаимодействие реакционно-способных групп; окислительно - полимеризационные процессы), постоянно растут начиная от величины порядка 0,1 МПа и выше (глава 3). Поэтому вклад внутренних механических напряжений на процесс разрушения межвитковой изоляции оказывается больше, чем вклад от внешних нагрузок.
Тогда на этапе развития разрушения межвитковой изоляции, можно принять за величину напряжения, действующего на материал (а) (выражение (4.5)) нагрузку, возникающую в материале за счет гетерогенности структура (ств11).
Для нахождения величины внутренних механических напряжений, на сегодняшний день разработано большое количество экспериментальных методов, которые разбиваются на две группы это; а) поляризационно-оптический методы, пригодные лишь для сравнительно ограниченного круга пропиточных составов - прозрачных и оптически актив ных, т. е. приобретающих оптическую анизотропию под воздействием механи ческих нагрузок; б) термомеханические методы, к которым относятся: консольный метод, метод термометра, метод магнитоупругих датчиков, метод кольца, метод про волочной тензометрии. Все термомехаиические методы имеют ряд недостатков, общим из которых является то, что внутренние напряжения в покрытиях опре деляются на модельных образцах, которые не используются на практике. Не смотря на недостатки термомеханических методов, в настоящей работе (глава 2) для оценки внутренних механических напряжений, возникающих в различ ных пропиточных составах, применен консольный метод. Этот метод основан на измерении отклонения от первоначального положения свободного конца консольно закрепленной упругой металлической пластины с полимерным по крытием под влиянием внутренних напряжений в покрытии. Чувствительность метода составляет около 0,3 кг/м2 [16-18]. Этим способом оценивается танген по циальная составляющая внутренних механических напряжений. Применение этого метода для оценки внутренних механических напряжений в пленках пропиточных составов оправдано, так как в реальной конструкции межвитковой изоляции наибольшее влияние на процесс трещинообразование оказывает именно тангенциальная составляющая внутренних механических напряжений (глава 3). Кроме того, при выборе геометрии образцов и технологии их изготовления учитываются масштабные факторы и технология запечки пропиточного состава, которые приближены к реальным условиям изготовления обмотки. Достоверность результатов, полученных данным методом на модельных образцах, составляет 0,92 [16-18].
Таким образом, определив экспериментально, значения внутренних механических напряжений, величина а, входящая в выражение (4.5), будет известна.
В термофлуктуационной теории разрушения материалов по Журкову коэффициент у рассматривается как прочностная характеристика материала, зависящая от его структурных особенностей.
На первоначальном этапе в теории Журкова было принято, что коэффициент у равен объему занимаемым химической связью. Для всех материалов этот объем равен, примерно, 10" см , то и коэффициенты у для различных тел принимался, приблизительно, равными 10 23 см3. Однако, проведя большой объем эксперимента, выяснилось, что коэффициенты /очень сильно варьируются в зависимости от исследуемых материалов. При этом оказалось, что значение коэффициента для различных материалов во много раз больше, чем 10 см , и зависит от величин а и U. Для нахождения коэффициента у необходимо проводить большой объем экспериментальных работ, что не всегда выгодно и удобно. Однако, в работах [92-95] имеются экспериментальные данные для коэффициента у, различных полимерных материалов. Сопоставив данные для коэффициента у с данными средних энергий мономерных звеньев этих материалов (U), рассчитанных по методике описанной в разделе 4.2.1, наблюдается зависимость, представленная на рисунках 4.4.
Таким образом, для определения величины исследуемого материала, необходимо лишь рассчитать по методике предложенной в пункте 4.2.1, значения средней энергии мономерного звена, и по реологической кривой, представленной на рис.4.4, определить величину коэффициента у.
Для определения величины внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточных составах, необходимо воспользоваться экспериментальными методами для оптически прозрачных составов - поляризационно-оптическими, для оптически не прозрачных составов - термомеханическими методами (метод проволочной тензометрии, либо консольный метод).
