Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и постановка задач исследований 13
2 Разработка математической модели изоляционной системы тягового электродвигателя 25
2.1 Разработка методов оценки потенциальной конфигурации поля в неоднородных слоистых диэлектриках 25
2.2 Программа расчета распределения полей в изоляции пазовой части якорного проводника 47
3 Исследование физических характеристик изоляционных покрытий, применяемых в тяговом электромашиностроении 55
4 Исследование закономерностей распределения электрического поля в якорной изоляции тягового электродвигателя постоянного тока 65
4.1 Объект и задачи исследования 65
4.2 Исследование распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД ТЛ-2К1 в исходном состоянии 67
4.3 Исследования влияния эксплутационных факторов на характер распределения слоевых потенциалов в изоляции тягового двигателя 71
4.3.1 Исследование влияния теплового фактора на распределение электрического поля в изоляционной системе ТЭД. 71
4.3.2 Исследование влияния влажностного фактора на распределение электрического поля в якорной изоляции ТЭД 74
4.3.3 Исследование влияния частоты вращения якоря на характер распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД 77
4.3.4 Исследование распределения электрического поля в якорной изоляции ТЭД в неустановившихся режимах 80
4.3.5 Исследование влияния вида напряжений на характер распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД 83
4.3.6 Исследование влияния воздушных включений на характер распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД 89
4.3.7 Исследование влияния места расположения ТЭД в схеме электровоза на характер распределения электрического поля в якорной изоляции 92
4.3.8 Исследование влияния предварительной зарядки изоляции на характер распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД 96
4.4 Распределение электрического поля в изоляции ТЭД при комплексном воздействии эксплутационных факторов 104
4.4.1 Совместное влияние теплового и влажностного факторов 104
4.4.2 Совместное влияние теплового и частотного факторов 107
4.5 Основные выводы по результатам исследований закономерностей распределения электрического поля в якорной изоляции ТЭД ПО
5 Оптимизация изоляционных структур тяговых электродвигателей
5.1 Методологические принципы формирования многослойных изоляционных систем ТЭД локомотивов 116
5.2 Совершенствование структуры якорной изоляции тягового двигателя ТЛ-2К1 119
5.3 Исследование закономерностей распределения электрического поля в модернизированной структуре изоляции с учетом эксплутационных факторов 124
5.3.1 Тепловой фактор 124
5.3.2 Влажностный фактор 126
5.3.3 Временной фактор 128
5.3.4 Влияние воздушных включений 133
5.3.5 Предварительная зарядка изоляции 136
Комплексное воздействие эксплутационных факторов.; 141
1 Сочетание теплового и влажностного факторов 141
2 Сочетание теплового и частотного факторов 144
Заключения по результатам теоретического сравнения закономерностей распределения электрического поля в новой и существующей структурах якорной изоляции 146
Опытное сравнение якорных секций тягового электродвигателя ТЛ-2К1 с новой и существующей изоляцией 150
Заключение 153
Список литературы 157
- Состояние вопроса и постановка задач исследований
- Программа расчета распределения полей в изоляции пазовой части якорного проводника
- Исследование физических характеристик изоляционных покрытий, применяемых в тяговом электромашиностроении
- Исследование распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД ТЛ-2К1 в исходном состоянии
Введение к работе
Российские железные дороги сохранили работоспособность и востребованность в непростых условиях перестройки экономики страны. В настоящее время на долю железнодорожного транспорта приходится до 85 % грузовых и до 60 % пассажирских перевозок, выполняемых в стране. Однако законы рынка неизбежно требуют снижения себестоимости перевозок, повышения производительности труда, рационального использования всех технических средств. Это достижимо за счет применения новых современных технологий.
Негативные тенденции в экономике страны на первом этапе реформ и значительное снижение спроса на перевозки отрицательно сказались на финансовом положении отрасли и вызвали значительное повышение уровня износа основных фондов, который в локомотивном хозяйстве превысил 65 %, в вагонном - 63 %, износ верхнего строения пути превысил 70 %. В связи с чем, работники железнодорожного транспорта принимают усиленные меры по продлению срока службы и обновлению технических средств и, прежде всего, тягового подвижного состава.
Для покрытия дефицита и снижения темпов старения парка локомотивов «Комплексной программой реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения на период 2001 - 2010 годов», решениями апрельской Коллегии 2002 года предусмотрено производство капитальных ремонтов с продлением срока службы локомотивов и утвержден типаж перспективного подвижного состава. Требования этого документа распространяются на научно-исследовательские, проектно-конструкторские и промышленные предприятия всех форм собственности, разрабатывающие, изготовляющие и поставляющие подвижной состав и оборудование для федерального железнодорожного транспорта.
Особые требования в процессе создания перспективного подвижного состава предъявляются к тяговому электрооборудованию и, прежде всего, к тяговому приводу. Суть этих требований - применение на большинстве вновь разрабатываемых электровозах и тепловозах асинхронных тяговых двигателей, что требует разработ-
ки надежных и недорогих электронных преобразователей, построенных на элементной базе отечественного производства. Пока промышленность не освоит выпуск тяговых преобразователей для питания бесколлекторных двигателей, локомотивы будут строиться с коллекторными двигателями. Класс изоляции обмоток тяговых двигателей - не ниже Н /87/.
В связи с чем, вопросам повышения эксплутационной надежности тяговых двигателей модернизируемых и вновь разрабатываемых локомотивов необходимо уделять самое пристальное внимание.
Анализ результатов многолетней эксплуатации отечественного тягового подвижного состава свидетельствует, что из всего многообразия элементов тягового электрооборудования наиболее низкой эксплутационной надежностью характеризуется высоковольтная изоляция, в особенности изоляция обмоток тяговых двигателей локомотивов, по причине пробоя которой происходит до 20 % отказов двигателей в эксплуатации.
Следует отметить, что стоимость высоковольтной изоляции в современных тяговых электрических машинах достигает 50 % от общей стоимости материалов, расходуемых на их производство, а восстановление отказавшей изоляции соизмеримо по стоимости с расходами на капитальный ремонт машины.
Для правильного выбора путей повышения эксплутационной надежности электрической тяговой изоляции, объективных методов диагностирования необходимо, прежде всего, изучить физическую сущность процессов, протекающих в изоляции под воздействием различных видов нагружений, выявить причины интенсивного снижения электрической прочности.
Практическому решению рассматриваемых вопросов уделяется большое внимание как у нас в стране /5, 10, 11, 13 - 15, 21, 24, 25, 27, 30, 36, 38, 39, 41 - 43, 45, 47, 51 - 65, 67 - 86, 88,101 - 105/, так и за рубежом /8, 44, 66/.
Фундаментальными исследованиями физических процессов в твердых диэлектриках и механизмов их пробоя занимались зарубежные ученые: Г.И. Сканави, Д. Вайда. Вопросам структуры изоляции ТЭД локомотивов и ее эксплутационной надежности посвящены работы отечественных ученых: А.С. Курбасова, М.Д. На-ходкина, А.Е. Алексеева, А.Б. Иоффе, Г.Б. Дурандина, B.C. Сонина, В.М. Соболева,
М.Н. Новикова, А.С. Мазнева, Н.Д. Сухопрудского, М.Г. Дурандина, В.Ч. Оземб-ловского, А.А. Скворцова, Б.В. Гочуа, А.С. Серебрякова, В.К. Волкова и др.
Однако, несмотря на чрезвычайно большое количество теоретического и экспериментального материала, накопленного в течение последних 80 лет, процесс развития повреждений в неоднородных диэлектриках до конца не выяснен. Это связано с тем, что ухудшение свойств многослойных изоляционных конструкций в эксплуатации представляет собой сложный динамический процесс, а условия лабораторных исследований по моделированию этих процессов не всегда идентичны эксплутаци-онным.
В то же время, малоизученным вопросом в отношении составных и многослойных диэлектриков остаются общие закономерности распределения электрических потенциалов по компонентам неоднородной изоляционной системы.
Фундаментальная постановка подобной задачи по моделированию электрических полей в неоднородных диэлектриках сформулирована в работах Г.И. Сканави и Д. Вайды. Однако из-за необходимости проведения значительных объемов вычислений и низкого уровня развития вычислительной техники на тот период конечные расчетные выражения получены не были, а задача осталась на уровне общего описания и постановки.
В 80-ых годах прошлого столетия исследованиями закономерностей распределения электрического поля в многослойных изоляциях электрических машин большой мощности занимались ученые Уральского электромеханического института инженеров ж.д. транспорта (Г.Б. Дурандин, А.П. Сухогузов, B.C. Сонин, М.Г. Ду-рандин), Гомельского политехнического института (Ю.А. Рунов), Дальневосточного политехнического института (P.M. Гуменюк).
Характер распределения электрического поля в многослойной изоляции определяется относительным соотношением проводниковых и поляризационных свойств образующих ее компонентов, которое, в свою очередь, зависит от температуры, степени увлажнения, вида приложенного напряжения, а также от целого ряда факторов, определяемых конструкцией изоляции (тип и удельный объем слюдинитовой компоненты, тип подложки, вид и состояние связующего, характер дефектов и распределение их по объему и т.д.).
В силу сказанного, программа научных исследований, направленных на изучение физических процессов, протекающих в изоляции тяговых электрических ма-
шин под воздействием эксплутационных и технологических факторов, обязательно должна включать вопросы, связанные с изучением закономерностей распределения поля в неоднородных по составу и сложных по конструкции многослойных изоляциях.
Цель диссертационной р^^оты состоит в повышении надежности работы якорной изоляции тяговых двигателей локомотивов за счет оптимизации распределения электрических нагрузок между компонентами изоляционной структуры и приведении в соответствие уровней потенциальных загрузки слоев изоляции их функциональному назначению.
Диссертационная работа включает в себя пять разделов:
Состояние вопроса и постановка задач исследований
Анализ результатов многолетней эксплуатации отечественного подвижного состава свидетельствует о том, что более половины всех отказов электровозов приходится на долю электрических аппаратов, что объясняется, в том числе, и относительной многочисленностью данного вида оборудования. Поэтому сравнение только абсолютных показателей надежности не отражает действительной картины экономического ущерба, вызванного отказом. Однако наиболее тяжелые последствия, вызывающие сбои графиков движения поездов, требования резервного локомотива и так далее, возникают именно при отказе тяговых двигателей. В особой степени это проявляется на дорогах с тяжелым профилем пути и высокой интенсивностью движения. Например, для условий Свердловской железной дороги, где интервалы движения поездов в середине 80-х годов прошлого века на грузонапряженных направлениях составляли до 6...8 минут, задержка движения на 40 минут ликвидировались полностью только через 30.. .40 ч. Следует ожидать, что эти тенденции проявятся и в течении ближайших лет, т.к. в последние годы отмечается бурный рост объемов грузооборота, сравнимый с показателями 1988 года, на который пришелся пик грузовых перевозок.
Кроме того, экономический ущерб от порчи локомотива обуславливается не только потерями, связанными с остановкой поезда на перегоне, сбоем графика движения, но и высокой себестоимостью восстановительных операций. В электровозах серии ВЛ80С стоимость тяговых двигателей составляет 20% от общей стоимости, а затраты на проведение капитальных ремонтов электрических машин достигают 65% от общих затрат на ремонт локомотива.
По затратам на восстановление особую статью потерь составляют пробои изоляционных систем тяговых двигателей. Среднесетевые коэффициенты пробоев электрической изоляции в общем потоке повреждений двигателей достигают 40 % (рисунок 1.2), при этом необходимо учитывать, что операции восстановления работоспособного состояния изоляции после пробоя равновелики по затратам капитальному ремонту двигателя.
Рисунок 1.2. - Удельное число отказов ТЭД по видам повреждений, % Среднесетевые данные не могут в полном объеме служить основанием для конкретной оценки эксплутационной надежности силового электрического обору дования локомотивов, т.к. показатели интенсивности повреждений по отдельным дорогам изменяются в широких пределах. Для повышения однородности выборки целесообразно использовать Данные, соответствующие схожим условиям эксплуатации, системам обслуживания и ремонта. В связи с чем, оценка эксплутационной надежности изоляционных систем тяговых двигателей локомотивов производилась для Уральского региона на основе материалов статистической отчетности Свердловской железной дороги и Департамента локомотивного хозяйства МПС РФ за период с 1973 по 2000 г.г.
Выбор Свердловской железной дороги в качестве объекта исследований диктовался следующими обстоятельствами: 1) большинство участков обращения локомотивов характеризуется суровыми климатическими условиями й тяжелым профилем пути; 2) эксплутационная ситуация на дороге отличается высокой интенсивностью движения поездов, высокими коэффициентами использования локомотивов; 3) основу локомотивного парка дороги составляют грузовые электровозы ВЛ11 с тяговыми электродвигателями ТЛ-2К1, которые устанавливаются также на электровозах ВЛ1 Iм, ВЛ10, ВЛ10У - основных сериях локомотивов, эксплуатирующихся на электрифицированных линиях постоянного тока по сети железных дорог России и стран СНГ. Это значит, что выводы по результатам исследований, производившихся в соответствии с задачами и целями настоящей работы (формулировки которых приводятся ниже), мошю отнести практически ко всей сети железных дорог; 4) техническое состояние большинства электровозов локомотивного парка дороги не отвечает современным требованиям транспорта по причинам физического и морального старения. В связи с чем, в масштабах региона организовано производство глубокой модернизации электровозов серий ВЛ11 и ЧС2 и вынашивается мысль создания в недалеком будущем на их базах принципиально нового электровоза, что создает большие перспективы практического внедрения предложенных способов формирования многослойных изоляционных систем для ТЭД, которые могут мо дернизироваться или заново проектироваться специально для уральского электровоза.
В таблице 1.1 приведена количественная оценка повреждаемости тяговых машин по причине пробоя якорной изоляции. Эти данные свидетельствуют, что подавляющее количество отказов всех типов тяговых двигателей вызвано пробоем электрической изоляции.
Повреждения якорей бывают двух типов: случайные и износовые (по старению). Первый тип повреждений проявляется вследствие неудачной конструкции, нарушения ТУ при производстве, нарушения инструкции по эксплуатации обслуживающим персоналом, нарушения технологии ремонта и т.д. Повреждения якоря по старению изоляции проявляются из-за снижения диэлектрических и механических свойств изоляции со временем.
Вопросам оценки износовых отказов изоляционных систем тяговых двигателей посвящен ряд специальных исследований /10, 75, 102/, согласно которым их появлению способствуют, по крайней мере, несколько факторов, совокупная интенсивность которых неоднозначна для различных двигателей.
При рассмотрении перечня таких факторов, как правило, основное внимание обращается на очевидные формы физических воздействий, характеризующих реальные условия эксплуатации, к числу этих воздействий относят: 1) тепловые (нагрев, тепловые удары); 2) механические (вибрационные, ударные, электродинамические нагрузки); 3) электрические (коммутационные и атмосферные перенапряжения); 4) атмосферные (влага, пыль, химически агрессивные соединения). По каждому из перечисленных факторов в технической литературе приводится значительный объем научных данных, однако сложность состоит в том, что в условиях эксплуатации перечисленные воздействия действуют совместно.
Программа расчета распределения полей в изоляции пазовой части якорного проводника
Уравнения, которые заложены в основу математической модели пазового поля якоря, вручную решить невозможно ввиду их сложности и громоздкости вычислений. Однако, современный уровень развития вычислительной техники позволяет с достаточной степенью точности применить разработанную методику для моделирования плоско - параллельного поля в неоднородной по составу диэлектрической структуре с ее разбиением на 5...8 элементов, которые имеют разнородные физические параметры (чем меньше разброс значений физических характеристик образующих структуру компонентов, тем на большее количество элементов можно ее разбить). Что вполне достаточно для исследования закономерностей распределения электрического поля в изоляционной системе современных ТЭД. В связи с чем, требуется разработать алгоритм расчета нормальных составляющих напряженности электрического поля в неоднородной многослойной изоляции с учетом влияния большинства эксплутационных факторов, в первую очередь, нагрева и увлажнения. При разработке алгоритма учитывались следующие требования: 1) обеспечение заданной точности вычислений; 2) возможность оперирования большим количеством данных; 3) высокая эффективность использования операторов; 4) быстрота вычислительных операций; 5) возможность реализации в современных средах программирования. Выполнение перечисленных требований становиться возможным за счет применения в алгоритме многомерных массивов данных и циклических операторов в часто повторяющихся вычислительных операциях. При выборе среды программирования к ней предъявлялись следующие требования: 1) обеспечение заданной точности вычислений; 2) возможность определения данных в виде постоянных, переменных и массивов, в т.ч. многомерных, различных типов; 3) простота синтаксиса и эффективное управление порядком выполнения команд; 4) возможность создания исполняемого файла (.ехе), что разрешает использовать программу на ЭВМ, на которых не установлена родительская среда разработки; 5) использование многофункциональных элементов управления и расширенные возможности по созданию на их основе удобного интерфейса и его оформлению; 6) возможность использования в программе элементов управления, компонентов и объектов, разработанных сторонними производителями (технология OLE); 7) возможность оформления выходных данных в виде таблиц, графиков и диаграмм, а также запись данных в файл и вывод на печать.
Не смотря на большое разнообразие языков программирования, выполнить перечисленные требования в полном объеме под силу только тем из них, в основе которых лежит принцип событийно-управляемого программирования (Visual Basic, VBA, Visual C++, Delphi и т.д.). С другой стороны, в полном объеме возможности этих систем программирования могут использоваться при проектировании прило жений и разработке программ для операционной системой Windows, которая установлена на подавляющем большинстве ПЭВМ. Особо следует выделить среду программирования Visual Basic, которая, с одной стороны, использует большинство стандартных элементов управления Windows и поддерживает обмен данных с приложениями Microsoft Office (что значительно упрощает оформление выходных данных в виде таблиц и построение диаграмм любых типов), а с другой стороны, позволяет создавать компилированные самостоятельные приложения, которые могут устанавливаться под любыми операционными системами и запускаться независимо от того, установлена на ЭВМ родительская среда программирования или нет. Эти доводы обосновывают выбор среды программирования, реализующий разработанный алгоритм расчета, в пользу Visual Basic.
Программа получила название «Расчет изоляционной системы тяговых двигателей локомотивов», ее алгоритм, представленный на рисунке 2.3, позволяет: 1) производить расчет изоляционной системы для любого заданного типа ТЭД локомотивов; 2) составлять якорную изоляцию в виде двадцатислойной структуры и для каждого слоя подбирать любой заданный тип изоляционных лент с заданной или произвольной толщиной; 3) определять нагрев медного проводника и паза якоря для расчетного режима работы ТЭД и расхода охлаждающего воздуха; 4) рассчитывать распределение температурных полей по толщине якорной изоляции; 5) аппроксимировать значения для /, є каждого изоляционного слоя по полученным расчетным нагревам в соответствие с экспериментальными температурными зависимостями y(t) и e(t); 6) рассчитывать закономерности распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД, расположенного в любом месте силовой цепи электровоза, для любого вида приложенного напряжения с учетом неравномерного нагрева и увлажнения слоев изоляции; 7) учитывать воздушные включения в любом из слоев изоляционной структуры, что позволяет учесть качество пропиточных операций и старение изоляции; 8) изменять входные данные на любом этапе расчета; 9) запрещать задавать расчетным параметрам ошибочные значения; 10) записывать исходные данные и результаты расчета в текстовый файл (.txt) с возможностью их последующего считывания; 11) построение диаграмм внутри приложения по выходным данным за счет применения элементов управления компонента MS Chart; 12) экспортировать массивы с основными результатами расчета в приложение MS Excel ХР, на основе которых составляется таблица результатов расчета, и строятся диаграммы трех видов. Программа включает в себя 10 окон (форм), каждая из которых имеет свой интерфейс, состоящий из стандартных элементов управления. Формы классифицируются по: 1) назначению: - определение исходных данных; - вывод на экран результатов расчета; - комбинированные (выходные данные используются как исходные для другого расчета); 2) загрузке: - загружаются самостоятельно согласно алгоритму; - по желанию пользователя; 3) подбору геометрических размеров: - автоматический подбор размера окна по его содержимому (экономится полезная площадь экрана); - фиксированный размер формы.
Окно № 1. Расчет распределения теплового поля. Эта форма при запуске программы открывается первой и предназначена для ввода исходных данных к тепловому расчету, которые заведены в алгоритм программы и определяются автоматически в зависимости от выбранного типа ТЭД. Значения пяти расчетных параметров пользователь может определять самостоятельно: ток якоря 1я, напряжение на зажимах ТЭД Цгэд, коэффициент ослабления возбуждения /?, температура окружающей среды t0Kp и расход охлаждающего воздуха Q (для локомотива это величина постоянная, но для моделирования отказов в системе охлаждения пользователь может менять ее значение). Значения остальных исходных данных пользователь изменять не может. На настоящий момент программа позволяет производить тепловой расчет только для тягового двигателя ТЛ-2К1, который устанавливается на грузовые электровозы постоянного тока серий ВЛ11, ВЛ1 Iм, ВЛ10, ВЛ10У, широко распространенных на Свердловской ж. д. Однако, алгоритм позволяет производить расчеты для любого тягового двигателя, для этого потребуется только завести в программу все необходимые расчетные параметры (их число варьируется от 70 до 80 в зависимости от типа двигателя). Далее пользователь составляет изоляционную систему с числом слоев (п) не более 20 и для каждого слоя выбирает тип изоляционных покрытий и определяет толщину (d).
Исследование физических характеристик изоляционных покрытий, применяемых в тяговом электромашиностроении
В число расчетных параметров математической модели якорной изоляции, подробно описанной в разделе 2, входят в т.ч. и физические характеристики изоляционных материалов. Однако справочная и научная литература дают неполные сведения о характеристиках изоляции: параметры типовых материалов приводятся в усредненном виде безотносительно к толщине лент и заводам - изготовителям; отсутствуют, необходимые для расчета, их температурные параметры. По характеристикам перспективных изоляционных материалов информацию найти еще труднее. В связи с чем, было принято решение характеристики изоляции получать экспериментальным методом на основе реальных образцов лент.
Экспериментальное исследование физических характеристик проводилось для наиболее распространенных изоляционных лент и материалов марок: ПЭТВСД, ПЭТФ, ЛСЭП-934, ЛЭС, Изофлекс (производства ОАО "Завод электроизоляционных материалов "Элинар""), ЛСп - Н-2Пл, ЛСп - F-ТПл, ЛСп - F-2Iln (производства ЗАО «Диэлектрик»).
Выборка по каждому типу изоляции составила не менее 10 образцов, представляющих собой прямоугольные лепестки размером 150x20 мм, нарезанных из исследуемых изоляционных материалов.
Толщина (d) изоляционных образцов измерялась микрометром, сопротивление (R) тераомметром (тип Е6-3), емкость (С) и температура (t) мультиметром (модель DT9208A).
Для измерения удельной проводимости (у) и относительной диэлектрической проницаемости (є) изоляции и получения их температурных зависимостей была изготовлена экспериментальная установка, представленная на рисунке 3.1. Установка состояла из двух прямоугольных стеклотекстолитовых брусков размерами 120x80 мм. В сечении верхний брусок представлял букву «Т», а нижний - перевернутую букву «П». В образованный паз между брусками устанавливались стальные шлифованные электроды с площадью поверхности контакта 120x17 = 2040 мм2, между которыми укладывались образцы изоляции. Перемещения электродов в поперечной плоскости были полностью исключены. Для повышения омического сопротивления околоэлектродной области, между поверхностями электродов и брусков располагались фторопластовые вставки. Бруски между собой фиксировались четырьмя, расположенными по периметру, болтовыми соединениями. Вертикальные усилия, создаваемые при стягивании брусков болтами, имитировали давление, создаваемое в изоляции якорного паза и устраняли воздушных прослойки между изоляцией и электродами. Неравномерность распределения вертикальных усилий, вызванная различной степенью затяжки болтов, компенсировалась резиновой прокладкой, расположенной под нижним электродом. Высота экспериментальной установки без учета толщины изоляционных образцов составила 42 мм.
Медный провод ПЭТВСД промышленно изготовляется в изоляции. Во избежание ее повреждения характеристики определялись без отделения изоляции от проводника, при этом медные шины исполняли роль подводящих электродов. Между стальными электродами укладывалось две изолированные медные шины ПЭТВСД, суммарная контактная площадь которых составила 3432 мм . Конечные расчетные формулы с учетом геометрических размеров и единиц измерения для определения у и в имеют вид: - для изоляции провода ПЭТВСД
Для повышения точности определения относительной диэлектрической проницаемости исследуемых образцов изоляции, предварительно была измерена собственная емкость установки и соединительных проводов, в соответствии с которой производилась коррекция опытных значений.
При снятии температурных зависимостей y(t) и є(і), установка вместе с исследуемым образцом изоляции помещалась в электропечь (СНОЛ-2,5.2,5.2,5/2М). Контрольные точки для измерения сопротивления и емкости исследуемых образцов изоляционных лент и материалов устанавливались через 10 С начиная с начального значения температуры в печи. Температура измерялась мультиметром через термодатчик, помещенным в печь вблизи поверхности образца изоляции. Определение сопротивления и емкости изоляций производилось путем поочередного подключения выводов электродов экспериментальной установки к измерительным приборам. Емкость измерялась «мгновенным» подключением (из-за медленных поляризаций диэлектрика) выводов электродов к мультиметру, а сопротивление - длительным подключением (около 10 мин) к тераомметру. Во избежание пагубных последствий длительного воздействия высоких температур на элементы конструкции экспериментальной установки, образцы изоляции нагревались до температуры не выше 140 С. Средняя продолжительность одного опыта составляла 1 ч.
В расчетной модели многослойной изоляции, для учета неравномерности распределения температур нагрева элементов изоляционной системы, требовалось знать коэффициенты теплопроводности этих элементов. В справочной литературе коэффициенты теплопроводности приводятся обобщенно для изоляционных систем тяговых электрических машин, в целом. Но даже в пределах одного класса нагревостойкости изоляции величина коэффициента теплопроводности для разных материалов может существенно различаться, что снижает точность расчета температурного распределения в системе разнородных слоев.
Принцип действия установки основывался на измерении перепада температур между поверхностями исследуемого материала, возникающего при прохождении через него строго направленного теплового потока. Установка представляла собой двухкамерную теплоизолированную конструкцию призматической формы размерами 150x65x70 мм и состояла из пенопластовых брусков толщиной 15 мм. скрепленными между собой винтовыми соединениями. Первая камера представляла собой полость установки, в которой находился спиральный нагревательный элемент с керамической теплоизлу-чающей поверхностью цилиндрической формы мощностью 25 Вт. Нагревательный элемент крепился к торцевым граням установки винтовыми соединениями через стеклотекстолитовые пластинки. Для усиления теплоизоляции и снижения опасности возгорания, внутреннюю полость установки была выстлана стеклотканью. В верхней части установки имелся паз, в центре которого находилось отверстие прямоугольной формы размером 29x12 мм, образующее «окно», куда закладывался исследуемый образец изоляции. В паз вставлялась крышка, внутри которой находилась вторая камера призматической формы. Размеры основания второй камеры были сопоставимы с размерами «окна» паза и, при фиксации крышки в пазу, вторая камера ориентировалась точно над отверстием, что обеспечивало сообщение ей с первой камерой. Верхняя часть и крышка установки были изготовлены из цельного пенопласта. Площадь контакта между крышкой и пазом была тщательно обработана и подогнана, что обеспечивало их плотное прилегание друг к другу. При проведении измерений, для повышения теплоизоляции, установка с исследуемым материалом помещалась в закрытый пенопластовый контейнер размерами 226x157x157 мм.
Исследование распределения электрического поля в изоляционной системе ТЭД ТЛ-2К1 в исходном состоянии
Особенностью потенциальных нагружений якорной изоляции тяговых двигателей электровозов является то, что корпусное напряжение имеет постоянно - переменную форму, т.е. состоит из постоянной и переменной составляющей. Соотношение между амплитудой переменной составляющей и постоянной зависит от места положения и соединения ТЭД в силовой схеме электровоза. Для двигателя, следующим в схеме первым за токоприемником, не смотря на то, что, при пересоединении ТЭД меняется напряжение между щетками, а значит, и амплитуда переменной составляющей, амплитуда корпусного напряжения остается равной напряжению в контактном проводе. На других двигателях амплитуда корпусного напряжения зависит от типа соединения ТЭД, т.е. от числа последовательно соединенных двигателей в одной ветви. В исходном состоянии расчет распределения электрического ПОЛЯ в изоляции проводился для первого двигателя в тележке на параллельном соединении ТЭД в схеме электровоза, при постоянно-переменном характере корпусного напряжения, состоящего из постоянной составляющей с амплитудой 3 кВ и переменной с амплитудой 1 кВ. Температура окружающей среды принималась 20 С при расходе охла-ждающего воздуха 95 м /мин. Расчетное время 1800 с, устанавливалось исходя из условия практического завершения тепловых и электрических переходных процессов. Т.к. многослойная корпусная изоляция состоит из однотипных изоляционных лент марки ЛСЭП-934 с однородными физическими характеристиками, для упрощения вычислений она представлялась в исходных данных в виде единого слоя суммарной толщины.
По результатам расчета, представленных в таблице 4.1, построены диаграмма процентного распределения межслоевых потенциалов и уровней слоевой потенциальной загрузки (рисунок 4.2), гистограммы распределения напряженностей поля (рисунок 4.3). На рисунке 4.3, для сравнительной оценки уровня потенциальной загрузки каждого слоя изоляции относительно уровня пробивной прочности, приведены также пробивные напряженности изоляционных слоев.
Из результатов расчета следует, что в исходном состоянии подавляющая часть приложенного напряжения приходится на корпусные слои (40 %), межвитковую изоляцию провода ПЭТВСД (30 %) и изофлекс (20 %).
Таким образом, распределение электрического поля по слоям изоляции оказывается неравномерным, что вызвано неоднородностью физических характеристик изоляционных слоев. В исходном состоянии, значения у и е межвитковой изоляции провода ПЭТВСД, относительно остальных слоев, являются самыми низкими. Это обуславливает высокую долю, приходящейся на эту изоляцию потенциальной нагрузки. Напротив, характеристики у и є корпусной изоляции, составленной из лент слюдосодержащих изоляционных покрытий марки ЛСЭП-934, в исходном состоянии более высокие относительно других изоляционных слоев, а значит, напряженность поля на ней небольшая, всего 4 % на слой. Однако, из-за относительно большой толщины корпусной изоляции, вызванной многочисленностью образующих ее слоев, на нее приходиться наибольшая потенциальная загрузка (почти 40 % от амплитуды приложенного напряжения).
Важно иметь в виду, что для надежности работы якорной изоляции имеет значение не столько абсолютный уровень потенциальной загрузки каждого слоя, сколько его соотношение с пробивной прочностью. Несмотря на большую долю приложенного напряжения к корпусным слоям изоляции, они оказываются загруженными только на 6 % от пробивного уровня, что связано с относительно высоким пределом пробивной прочностью слоев изоляции ЛСЭП-934. Напротив, невысокая пробивная прочность покровной изоляции ЛЭС, даже при малой потенциальной загрузке (около 5 % приложенного напряжения), вызывает рост коэффициента Кипп до 24 %.
Из вышесказанного следует, что для якорной изоляции в исходном состоянии без учета влияния эксплутационных факторов, когда распределение поля в системе зависит от соотношения изначальных поляризационных и проводниковых свойств изоляционных слоев, наибольшая потенциальная загрузка (почти 55 % от корпусного напряжения) приходиться на межвитковые и покровные слои изоляции, которые по функциональному назначению не предназначены для восприятия таких нагрузок. 4.3 Исследования влияния эксплутационных факторов на характер распределения слоевых потенциалов в изоляции тягового двигателя
Тепловой фактор - основной вид эксплутационного воздействия на физические характеристики изоляции. Тепловой фактор проявляет себя в виде нелинейной зависимости роста проводниковых и поляризационных свойств изоляции от температуры нагрева элементов конструкции ТЭД. Перепад температур на слоях якорной изоляции зависит от коэффициента теплопроводности и толщины изоляционных слоев (см. раздел 2), что обуславливает неравномерность температурного распределения по толщине изоляционной структуры. Расчет распределения теплового поля по слоям якорной изоляции производился на основе метода эквивалентных схем замещения (МЭСЗ). Основные положения МЭСЗ и методика расчета изложены в разделе 2.
Воздействие теплового фактора на характер распределения межслоевых потенциалов в изоляции исследовалось для номинальных режимов работы ТЭД с током якоря Ia = 410 Айв часовом режиме работы с током 480 А. Остальные расчетные параметры принимались такими же как в расчете изоляции в исходном состоянии.
Изменения в распределении электрического поля, при нагреве якорной изоляции, связаны, во-первых, с неравномерным распределением температур по изоляционным слоям, а, во-вторых, с нелинейным характером зависимостей y(t) и e(t), представленных на рисунках 3.2 и 3.3. В эксплуатации градиент распределения теплового поля, чаще всего, направлен от якорного проводника к пазу, а значит, наибольшие температуры наблюдаются в области м/в изоляции, а наименьшие со стороны сердечника якоря. Это подтверждается и тепловым расчетом, когда при токе якоря 410 А, температура на м/в изоляции провода ПЭТВСД составляет 113 С, а на выстилке паза из изофлекса 89 С. Как указывалось выше, распределение теплового поля между наибольшим и наименьшим температурными потенциалами имеет неравномерный характер, что в сочетании с нелинейным видом зависимостей y(t) и e(t) у различных изоляционных материалов, приводит к перераспределению электрических потенциалов внутри изоляционной системы. Слои изоляции, у которых при нагреве значения параметров у и є раньше других превысят аналогичные показатели остальных слоев, «сбрасывают» потенциальную нагрузку на другие элементы системы. Это наглядно просматривается на рисунке 4.6, где корпусная изоляция ЛСЭП-934 и м/в изоляция ПЭТВСД, отдают часть своей потенциальной нагрузки на покровные слои, особенно, на изофлекс.
