Разработка метода оценки долговечности изоляции низ ковольтных электрических машин

На правах рукописи

МАРЬИН СЕРГЕЙ СЕРГЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ НИЗ КОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН Специальность: 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

.

Томск - 2007 3

Работа выполнена на кафедре "Электроизоляционная и кабельная техника" Томского политехнического университета

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Похолков Юрий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кабышев Александр Васильевич кандидат технических наук, профессор Константинов Геннадий Григорьевич

Ведущая организация: СКБ "Сибэлектромотор", г. Томск

Защита состоится 22.03.2007 года в 1600 часов в аудитории 312 на заседании диссертационного совета К 212.696.02 в Томском политехническом универси тете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 2-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 21.02.2007 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук М.А. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Высокая надежность электротехнических уст ройств является необходимым условием эффективной работы различных авто матизированных систем, комплексов и оборудования, работающих в различных отраслях промышленности.

Основной причиной выхода из строя большинства низковольтных элек трических 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 про питочном составе и эмалевом слое обмоточного провода, причем частота их появления возрастает по мере физического износа системы под действием экс плуатационных факторов. Следовательно, рост интенсивности отказов витко вой изоляции обусловлен появлением в ней в процессе старения дефектов, типа сквозных трещин, проходящих через пропиточный состав и два слоя эмальизо ляции обмоточного провода двух соприкасающихся витков.

Похолковым Ю.П. с сотрудниками разработана методика оценки показа телей надежности и долговечности изоляции обмоток асинхронных двигателей, которая получила статус отраслевого стандарта [ОСТ16.0.800.821-88]. Однако, данный метод весьма трудоемок. Действительно его практическое использова ние требует выполнения большого объема экспериментов для оценки парамет ров 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 изоля ции очень быстро приводит к ее отказу.

В этом плане следует отметить работы Похолкова Ю.П. и Пыхтина В.В., в которых получены предварительные результаты об ответственности трещи нообразования в диэлектрике за потерю электрической прочности изоляции.

Таким образом, открывается возможность создать методику оценки дол говечности электрической полимерной изоляции, основанной на теории про растания сквозных трещин. Наиболее подходящей, в этом плане, является тер мофлуктуационная теория прочности полимеров, разработанная Журковым С.Н. с учениками. Разработка этой идеи и составляет сущность настоящей дис сертации.

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

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

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

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

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

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

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны пропиточные составы марок МЛ-92 и КО-916К, а также обмо точные 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 представ ляли собой макеты, изготовленные из 50-ти попарно связанных отрезков обмо точного провода, пропитанных методом погружения пропиточными составами с различной величиной условной вязкости. Определение внутренних механиче ских напряжений, возникающих в пропиточном составе, проводилось с помо щью консольного метода. Дефектообразование на макетах изучалось методом непосредственного осмотра и с помощью высоковольтных испытаний. Для проведения статистической обработки полученных результатов были использо ваны математические методы обработки данных в прикладном статистическом пакете Statgraphics for Windows 95/98/2000/NT. Для проверки значимости полу ченных результатов был применен непараметрический метод Т-критерий Уил коксона.

Научная новизна работы.

1. Установлено влияние вязкости пропиточных составов МЛ-92 и КО 916к на уровень внутренних механических напряжений в системах низковольт ной межвитковой изоляции: при увеличении вязкости пропиточных составов увеличивается уровень внутренних механических напряжений.

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

3. Напряжение пробоя различных типов низковольтной межвитковой изоляции электрических машин уменьшается с ростом скорости дефектообра зования. Этот результат рассматривается как общий закон взаимосвязи механи ческой и электрической стойкости для данного вида электроизоляционных сис тем.

4. На основе термофлуктуационной теории прочности полимеров раз работана экспресс-методика определения долговечности межвитковой изоля 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 высо ким рабочим ресурсом, предлагается применять в технологическом процессе низкие скорости охлаждения пропиточного состава.

Практическая ценность. Предложенная методика расчета долговечно сти межвитковой изоляции низковольтных электрических машинах в процессе их эксплуатации позволяет без проведения большого объема эксперименталь ных работ планировать срок службы изделия. Разработанные рекомендации по режимам термообработки пленки пропиточного состава позволяют в достаточ ной степени повысить надежность обмотки электрической машины. Результаты работы внедрены на предприятиях электротехнической промышленности г.

Томска (ЗАО «Сибкабель» и ООО «Сибирская электротехническая компания») и используются для оценки надежности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

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

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

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

2. На XVI Всероссийской научно-технической конференции «Элек тронные и электромеханические системы и устройства», г. Томск: НПЦ «По люс», 2000 г.

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

На 5th Korea-Russia International Symposium on Science and technol 4.

ogy (KORUS 2001), г. Томск, ТПУ, 2001 г.

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав и заключения, содержащих 133 страниц текста, 19 таблиц, 44 рисун ка, списка литературы, включающего в себя 117 наименований и приложения на 2 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуаль ность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научно-практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на за щиту.

В первой главе проведен обзор литературы по теме диссертации. В рабо тах Похолкова Ю.П., Бесперстова П.П., Пыхтина В.В., Дудкина А.Н. Кирилова Ю.А., Матялиса А.П. и других авторов описаны факторы, воздействующие на систему межвитковой низковольтной изоляции, и требования, предъявляемые к электроизоляционным материалам, проанализированы причины отказов обмо ток низковольтных электрических машин. Дан анализ работ Журкова С.Н., Ре геля В.Р., Слуцкера А.И., Цоя Б. по физике образования и роста дефектов (тре щин) в полимерных материалах. В обзоре литературы выявлено, что на сего дняшний день почти отсутствует информация о четкой взаимосвязи между ме ханической и электрической прочностью электроизоляционных материалов, использующихся для изготовления обмоток электрических машин. Анализ ра бот, посвященных проблеме повышения надежности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин, позволяет поставить ряд конкретных за дач, решение которых обеспечит создания эффективной методики оценки дол говечности межвитковой изоляции:

- Изучить влияние вязкости пропиточных составов на процесс дефектообра зования межвитковой изоляции в процессе старения низковольтных электриче ских машин;

- Установить взаимосвязь между внутренними механическими напряжениями, дефектностью и долговечностью изоляции электрических машин;

- На основе теории механической прочности полимеров С.Н. Журкова разра ботать методику расчета долговечности межвитковой системы изоляции, удоб ную для практического применения.

Во второй главе описаны объекты и методы исследования. Для проведе ния исследований были выбраны пропиточные составы марок МЛ-92 и КО 916К, а также обмоточные провода марок ПЭТВ, ПЭТ-155 и ПЭТМ-180. При чиной выбора этих материалов послужила широта их применения, значительно большой диапазон рабочих температур и хорошая совместимость. Для оценки скорости дефектообразования в межвитковой изоляции были изготовлены об разцы, представляющие собой макеты из 50-ти попарно связанных отрезков обмоточного провода длинной 330 мм, пропитанных методом погружения про питочными составами с различной вели чиной условной вязкости (рис. 1). Про питка макетов проводилась двукратно ме Рис. 1. Связка обмоточного провода тодом погружения. Режим сушки прово дился в соответствии с нормативно технической документацией на пропиточные составы. Для качественной оцен ки скорости дефектообразования количество макетов было по четырех на каж дую партию.

Подготовленные макеты подвергались термическому старению (в тече нии не менее 1000ч) при различных температурах. В процессе теплового старе ния с интервалом в 50 - 100 часов макеты охлаждались до комнатной темпера туры и испытывались повышенным испытательным напряжением для выявле ния дефектных участков обмотки. При испытаниях учитывалось количество пар, пробитых испытательным напряжением. Испытания проводились на сле дующих системах: провод ПЭТВ + МЛ-92, провод ПЭТ-155 + КО-916К, провод ПЭТМ-180 + КО-916К.

В результате испытаний были определены дефектность и скорость де фектообразования Н в макетах и в пропитанных парах по выражениям:

n ln(1 qi ), qi = i, = (1) n l исп где l исп – длина испытуемой части образца мм, qi – вероятность появления сквозного дефекта (трещины) на единице длины;

ni – число образцов, пробив шихся напряжением, меньшим или равным испытательному напряжению;

n – общее количество испытанных образцов.

Н=, (2) ti где 0 – дефектность витковой изоляции до теплового старения (начальная де фектность), мм-1;

ti – время старения макетов, час.

По результатам испытаний построены зависимости скоростей дефектообразования от времени старения, приведенные далее (рис. 7-9).

Определение внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточном 80мм составе, проводилось с помощью консольно Рис. 2. Образец для исследова го метода. Для измерения напряжений кон ния внутренних механических напряжений в полимерном по- сольным методом применялись стальные крытии. 1 – пластина-основание;

пластинки марки 1Х18Н9Т размером 2 – прокладка;

3 – пластина под- мм толщиной (0,1—0,5) мм (рис. 2). На по ложка. верхность консольно закрепленной пластин ки наносилось исследуемое покрытие. Возникающие в покрытии напряжения рассчитывались по величине отклонения свободного конца пластинки по выра жению:

h E h к вн =, (3) 3 l 2 hк (hк + hк ) где h - отклонение пластины подложки от первоначального положения, м;

Е модуль упругости пластины (Естали=1,96·105 МПа);

l - длина полимерного по крытия, м;

hк - толщина пластины-подложки, м;

hк - толщина полимерного по крытия, м.

Результаты испытаний приведены в виде зависимостей внутренних меха нических напряжений от времени старения и температуры (рис. 3-6).

В третьей главе приведены результаты исследования влияния взаимодей ствия компонентов межвитковой изоляции на ее надежность. Оценено влияние вязкости пропиточных составов, времени старения, повышенных температур на уровень внутренних механических напряжений и скорости дефектообразова ния.

По результатам исследования внутренних механических напряжений в пропиточных составах установлено, что внутренние механические напряжения в пропиточных составах возникают сразу после полимеризации;

с увеличением времени теплового старения уровень внутренних механических напряжений постоянно растет, уровень внутренних механических напряжений в пропиточ ных составах зависит от температуры, с увеличением условной вязкости пропи точного состава внутренние механические напряжения растут, уровень внут ренних механических напряжений для лака КО-916К в два раза ниже, чем для лака МЛ-92.

Пропиточный состав в отвержден вн. МПа ном состоянии, эмальпленка и проводник образуют сопряженную систему. Эти элементы конструкции связаны друг с другом силами адгезии. При изменениях температуры или воздействии внешних нагрузок они вынуждены деформиро ваться совместно. Однако, деформации в, час 500 сопряженной системе затруднены имен Рис. 3. Изменение величин внутренних ме но вследствие разности теплофизических ханических напряжений в пленке пропи и физико-механических параметров, та точного состава МЛ-92 от времени тепло вого старения и условной вязкости пропи- ких как температурный коэффициент ли точного состава (1-19;

2-40с по ВЗ-4), при нейного расширения, модуль упругости и Тстар=145оС других свойств компонентов системы изоляции. Вследствие различия физико-механических параметров материалов, составляющих систему изоляции, в них неизбежно возникают внутренние ме ханические напряжения, которые могут привести к разрушению межвитковой изоляции.

В процессе теплового старения вн. МПа происходит углубление отверждения за счет непрореагировавших активных групп и двойных связей, а также струк турирования, обусловленного термо окислительными процессами. Плот ность сшивки макромолекул возрастает, и усиливается физическое взаимодейст вие между межузловыми отрезками 1000, час пространственной сетки. В результате 0 200 400 600 Рис. 4. Изменение величин внутренних ме- комплекс физико-механических пара ханических напряжений в пленке пропи- метров пропиточных материалов пре точного состава КО-916К от времени теп терпевает глубокие изменения, и вели лового старения и условной вязкости про чина внутренних механических напря питочного состава (1-19;

2-40с по ВЗ-4), жений существенно возрастает. Возрас при Тстар=220оС тание внутренних напряжений при ста рении обуславливается, главным образом, повышением температуры стеклова ния полимера, т.к. возрастает модуль упругости и снижается ТКЛР пропиты вающего состава.

До 1000 ч старения кривые изменения внутренних механических напря жений пропиточных составов в процессе теплового старения характеризуются линейным нарастанием напряжений из-за происходящего в этот период резкого изменения физико-механических параметров (рис. 3-4).

Из зависимостей, пред вн. МПа ставленных на рисунках 3 и 4, видно, что с увеличением услов ной вязкости пропиточного со става внутренние механические напряжения также растут. При чем, рост наблюдается, несмотря на тип пропиточного состава.

Рост внутренних механи ческих напряжений связан с тем,, час что на формирование адгезиогн ного контакта между пропиточ 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 ным составом и металлической Рис. 5. Зависимость внутренних механических напряжений от времени теплового старения при подложкой оказывает влияния различных режимах термообработки пропиточ- энергия смачивания пропиточ ного состава МЛ-92 (1 – скорость охлаждения ного состава к металлической 300 С в минуту;

2 – скорость охлаждения 20 С в подложке, и чем выше эта энер о минуту) вязкость 40с по ВЗ-4, при Тстар=145 С гия, тем выше сила адгезии. Как показано в работах Дудкина А.Н. и Леонова А.П., с увеличением вязкости пропиточного состава увеличива ется и его энергия смачивания, а так как подложка и отвержденное полимерное покрытие деформируются совместно, то уровень напряжений будет там выше, где сила адгезии больше.

На величину внутренних механических напряжений, возникающих в про питочных составах, большое влияние оказывает режим термообработки поли мера.

После нанесения пропиточных составов на подложку происходит их тер мообработка (сушка), т.е. нагрев для ускорения процесса полимеризации. Суш ка при повышенной температуре вызывает интенсивное испарение растворите ля, ускоряет процессы полимеризации. В работе после нагрева образцы охлаж дались двумя способами: быстро (скорость охлаждения 30оС/мин) и медленно (скорость охлаждения 2оС/мин). В результате получились две закономерности, представленные на рисунке 5. Из зависимостей видно, что, чем выше скорость охлаждения, тем выше уровень внутренних механических напряжений. Т.е., при быстром охлаждении в объеме полимера возникает сравнительно неупоря доченная трехмерная структура, а чем выше гетерогенность, тем выше и уро вень внутренних механических напряжений.

При плавном режиме охлаждения пропиточного состава происходит бо лее упорядоченное расположение макромолекул, т.е. структура получаемой пленки становится более гомогенной и, как следствие, менее нагружена внут ренними механическими напряжениями.

Таким образом, проведенные исследования внутренних механических напряжений позволяют заключить, что от внутренних механических напряже ний избавится невозможно, т.к. они появляются в пропиточных составах сразу после полимеризации и «живут» в них весь срок эксплуатации. Однако, уро вень напряжений зависит от типа, структуры материала, от условий полимери зации и от времени эксплуатации. Поэтому предлагается использовать для про питки обмоток низковольтных электрических машин материалы с меньшей вязкостью, а процесс полимеризации проводить при плавном режиме охлажде ния пропиточного состава.

Вторым этапом исследований, представленных в третьей главе, была оценка скорости дефектообразования, на образцах, имитирующих межвитко вую изоляцию обмотки электрической машины. На рисунках 6-8 представлены зависимости изменения скорости дефектообразования от времени теплового старения для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов. Характер изменения скорости дефектообразования от времени старе ния и вязкости пропиточных составов для различных сочетаний марок обмо точных проводов и пропиточных составов остается постоянным, т.е. с увеличе нием времени старения и вязкости пропиточного состава величина скорости дефектообразования так же увеличивается.

С увеличением времени теплового старения происходит ухудшение свойств электрической изоляции, что повышает вероятность возникновения сквозного дефекта, являющегося причиной отказа межвитковой изоляции. В дальнейшем происходит возрастание числа и размеров трещин в пропиточном составе, что приводит к росту дефектности и скорости дефектообразования межвитковой изоляции.

Н, мм-1ч-1, 10-4 Н, мм-1ч-1, 10- 50 100 Т =160оС Тстар=145оС стар 40 80 30 60 20 40 10 1 2050, час 100 1600, час 50 550 1050 1550 600 -1 -1 - Н, мм ч, 10 -1 -1 - Н, мм ч, 300 350 Тстар=190оС о Тстар=175 С 250 4 200 3 150 2 100 50 1 900 1100, час 100 300 500 700 900, час 300 500 Рис. 6. Изменение скорости дефектообразования от времени теплового старения для системы ПЭТВ+МЛ-92 при различной условной вязкости пропиточного состава (1 –19с, 2-25с, 3-30с, 4 35с, 5-40с по ВЗ-4) и температуры старения.

Наиболее выраженным воздействием на изоляцию, приводящим к воз Н, мм-1ч-1, 10-4 Н, мм-1ч-1, 10- 5, 2,5 Тстар=170оС Тстар=205оС 4, 2, 3, 1, 2, 1,0 1, 0, 900, час 300 500, час 300 500 700 Рис. 7. Изменение скорости дефектообразования от времени теплового старения для систе мы ПЭТ-155+КО916К при различной условной вязкости пропиточного состава (1 –19с, 2 40с по ВЗ-4) и температуры старения.

никновению сквозного дефекта, является температура (рис 6-8) При изменении температуры, вследствие различия физико-механических параметров, ТКЛР и модуля упругости материалов, составляющих сопряженную систему – эмаль провод–пропиточный состав, в объеме пропиточного состава возникают внут ренние механические напряжения. Высокий уровень внутренних напряжений приводит к растрескиванию пропиточного состава. С увеличением времени те плового старения возрастает число и размеры таких растрескиваний, то есть появляются субмикроскопические трещины.

Изменение условной вязкости пропиточных составов с 19с до 40с по ВЗ- для различных сочетаний марок обмоточных проводов и пропиточных составов увеличивает величину скорости дефектообразования. Это связанно с низким уровнем внутренних механических напряжений в составах с меньшей вязко стью.

Н, мм-1ч-1, 10-4 Н, мм-1ч-1, 10- 0,26 0, Тстар=205оС Тстар=220оС 0,22 0, 0,18 0, 0, 0,1 0, 900, час 300 500 700 900, час 300 500 Рис. 8. Изменение скорости дефектообразования от времени теплового старения для сис темы ПЭТМ-180+КО916К при различной условной вязкости пропиточного состава (1 – 19с, 2-40с по ВЗ-4) и температуры старения.

В действительности, совмещая зависимости внутренних механических напряжений, возникающих в пропиточных составах, с величинами скоростей дефектообразования в образцах, имитирующих обмотки электрических машин, наблюдается то, что с ростом внутренних механических напряжений величина скорости дефектообразования растет (рис 9 а,б).

Н, мм-1ч-1, 10-4 Н, мм-1ч-1, 10- 25 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, МПа, МПа 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 0,7 1,2 1,7 2,2 2, а) б) Рис. 9. Зависимость изменения скорости дефектообразования систем а) ПЭТВ+МЛ 92;

б) ПЭТ-155+КО916К от внутренних механических напряжений возникающих в пропиточных составах На основании данных, представленных на рис. 3 и 5, определена энергия активации процесса образования внутренних механических напряжений для пропиточного состава МЛ-92. Этот параметр оказался равным 0,35эВ. С другой стороны, энергия активации процесса дефектообразования для того же состава, рассчитанная из зависимостей приведенных на рис. 6 и 7, не превышает 0,42эВ.

Близкие значения этих параметров подтверждает положение об ответственно сти внутренних механических напряжений за образование трещин, и в итоге, за потерю электрической прочности изоляции. То есть и эти результаты подтвер ждают взаимосвязь электрической и механической стойкости полимерных ма териалов.

Четвертая глава посвящена созданию метода оценки долговечности сис темы изоляции низковольтной электрической машины на основе термофлук туационной теории разрушения твердых тел.

В основе предлагаемого метода определения долговечности электриче ской изоляции низковольтных электрических машин лежит идея о взаимосвязи трещинообразования и электрической прочности полимерных структур, яв ляющихся материалом электрический изоляции. Другими словами, электриче ская прочность материала определяется его механической прочностью.

В работе выполнены эксперименты, свидетельствующие о том, что на пряжение пробоя макетов изоляционной системы электрических машин уменьшается с ростом числа механических дефектов, искусственно созданных в изоляции эмальпроводов.

Суть экспериментов состояла в следующем: из трех партий обмоточных проводов марок ПЭТВ, ПЭТ-155, ПЭТМ-180 было изготовлено по пятьдесят образцов длиной 200 мм с искусственно нанесенным дефектом (сквозной коль цевой порез эмаль слоя обмоточного провода) и по пятьдесят образцов длиной 200 мм без искусственных повреждений эмаль слоя. Поочередно каждый обра зец обмоточного провода подвергали воздействию повышенного напряжения до пробоя в системе электродов «провод – дробь». По результатам испытаний определены средние значения пробивного напряжения дефектных проводников (прд) и образцов без дефектов (пр0). Рассчитано среднеквадратическое откло нение пробивного напряжения дефектных (д) и бездефектных (0) образцов.

Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1. Пробивные напряжения эмальпроводов различных партий.

Значения пробивных напряжений и среднеквадратических отклонений для дефектных образцов для бездефектных образцов Марка провода д прд(кВ) пр0 (кВ) ПЭТВ 2,048 0,084 8,5 0, ПЭТ-155 2,3 0,020 9,05 0, ПЭТМ-180 2,3 0,020 9,05 0, f(Uпр) Статистическая обработка ре зультатов эксперимента свидетельст вует о том, что плотность распреде ления пробивного напряжения образ прд пр0 пр цов с искусственно нанесенными де Рис.10. Плотности распределений пробивных напряжений образцов эмальпровода: 1-для фектами подчиняется нормальному образцов эмальпровода с искусственно нане- закону распределения с достоверно сенными сквозными повреждениями;

2- для стью 0,95 (по критерию согласия хи без дефектных образцов эмальпровода. квадрат), а плотность распределения пробивного напряжения бездефект ных образцов подчиняется закону Вейбула с достоверностью 0,9 (по критерию согласия хи-квадрат). Качественные зависимости этих распределений пред ставлены на рисунке 10.

Кроме того, в настоящей работе при исследовании скорости дефектообра зования на модельных образцах, имитирующих реальную конструкцию меж витковой изоляции электрических машин, установлено уменьшение испыта тельного пробивного напряжения с увеличением числа дефектных образцов для исследуемых систем, таких как ПЭТМ+МЛ-92;

ПЭТ-155+КО916К;

ПЭТМ 180+КО916К (рис. 11 а,б,в). То есть, увеличение числа дефектов в межвитковой изоляции приводит к уменьшению электрической прочности изоляции. С по мощью метода наименьших квадратов установленаматематическая зависимость изменения пробивного напряжения от скорости дефектообразования. Эта зависимость имеет вид полинома второго порядка с достоверно стью 0,99 по критерию Фишера:

прд=2,37-0,08·Н+1,553·10-3·Н2 (4) Таким образом, из зависимостей, пред ставленных на рисунках 10 и 11, можно сделать вывод, что с ростом дефектности изоляционно го слоя кривая пробивного напряжения будет смещаться в область низких напряжений по за кону (4). Следовательно, избыточные трещины в диэлектрике являются причиной потери мате риалом изоляционных свойств. Поэтому можно утверждать, что идеология разработки метода оценки долговечности изоляционных систем низковольтных электрических машин может быть построена с использованием современной Рис. 11. Зависимость пробив теории механической прочности полимеров, ка ного напряжения от скорости кой является термофлуктуационная теория дефектообразования для сис Журкова.

тем: а – ПЭТВ+МЛ-92;

б ПЭТ 155+КО916К;

в – ПЭТМ- В работе проведена оценка дефектности 180+КО916К. условная вяз- межвитковой изоляции низковольтных электри кость пропиточных составов ческих машин, при этом под дефектностью составляла 19с по ВЗ-4.

понималось число сквозных дефектов на едини цу длины изоляции (1). Значение q из (1) в соответствии с термофлуктуацион ной теорией прочности представляет собой значение вероятности разрыва хи мических связей. Этот факт является еще одним подтверждением правомочно сти предлагаемой методологии оценки долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин.

Сквозные дефекты (трещины) в межвитковой изоляции низковольтных электрических машин могут образовываться как на стадии изготовления обмо ток, так и в процессе эксплуатации. Механизм возникновения трещин в меж витковой изоляции при эксплуатации электрической машины можно рассмат ривать в свете современных кинетических представлений о прочности твердых тел, так как основными воздействующими факторами на изоляцию являются тепловые и механические нагрузки. Как показали результаты, представленные в главе 3, скорость образования дефектов (трещин) в межвитковой изоляции за висит от величины механических напряжений, возникающих внутри межвитко вой изоляции.

Согласно термофлуктационной теории разрушения твердого тела, первой фазой разрушения материалов принято считать появление трещин на микро уровне (субмикротрещин), вызванное термофлуктуационным разрывом хими ческих связей. Анализ результатов исследований позволяет математически описать вероятностную модель процесса образования микротрещин в полимер ных материалах при их тепловом старении и одновременном воздействии на них механических нагрузок, а долговечность определить по выражению, пред ложенным Журковым:

U = 0 exp( ), (5) kT где 0—период колебания атомов (10-13 с);

—структурно-чувствительный ко эффициент;

—напряжения, действующие на материал;

k—постоянная Больц мана. U— энергия активации процесса разрушения;

Т—температура окружаю щей среды.

В нашем методе оценки долговечности электрической изоляции исполь зуется формула (5), в которой введены следующие изменения.

Первопричиной образования субмикротрещины служит разрыв любой химической связи, имеющейся в полимерном веществе. Поэтому, в качестве энергетической характеристики процесса разрыва сплошности полимера можно использовать среднюю энергию мономерного звена:

n Uо, i i (6) Uср = no где ni – число химических связей i – типа;

Uоi – энергия химической связи i – типа;

nо – общее число химических связей в мономерном звене.

Однако, в полимере имеются и межмолекулярные связи, энергия которых намного ниже, чем у химических. На первый взгляд, кажется, что образование трещины пойдет по межмолекулярным связям. Однако, отвержденный пропи точный состав является сшитой структурой, а в этом случае роль межмолеку лярного взаимодействия на процесс образования субмикротрещин минимальна.

Поэтому вероятность механического разрушения полимера в условиях термо механических воздействий описывается выражением:

Ucp, (7) kT Р =e где —структурно-чувствительный коэффициент;

—напряжения, действую щие на материал;

k—постоянная Больцмана. Uср— средняя энергия мономерно го звена;

Т—температура окружающей среды.

Таким образом, разрушение полимерного материала носит вероятност ный характер и зависит от его структурных особенностей и механических на грузок, действующих на него, а вероятность появления дефектов (трещин) в межвитковой изоляции может быть описана экспоненциальным законом типа (7).

Тогда долговечность межвитковой изоляции можно оценивать в свете термофлуктационной теории Журкова, заменив в выражении (5) величину энер гии активации процесса разрушения (U) величиной средней энергии мономер ного звена (Uср), так как данная характеристика определяет усредненную вели чину процесса разрыва химической связи в веществе. В этом случае оконча тельная формула для расчета долговечности межвитковой изоляции электриче ской машины примет вид:

Ucp = 0 exp( ), (8) kT где 0—период колебания атомов (10-13 с);

—структурно-чувствительный ко эффициент;

—напряжения, действующие на материал;

k—постоянная Больц мана. Uср—средняя энергия мономерного звена;

Т—температура окружающей среды.

Идеология расчета по формуле (8) сводится к нахождению трех основных величин, это —структурно-чувствительный коэффициент, — напряжения, действующие на материал и Uср— средняя энергия мономерного звена пленки пропиточного состава.

Значение средней энер гии мономерного звена выра жается формулой (6). В качестве примера приведем расчет средней энергии моно мерного звена для пропиточно го состава МЛ-92.

Химическая формула мономерного звена пропиточ ного состава МЛ-92 представ лена на рисунке 12.

Таким образом, в струк Рис. 12. Структурная формула мономерного звена туру мономерного звена вхо пленки пропиточного состава МЛ- дят пять групп химических связей, это связи: С – Н (20 связей);

С – О (10 связей);

С – N (12 связей);

O – H (2 связи);

N – H (2 связи), общее количество химических связей в мономерном звене равно пятидесяти. Для расчета средней энергии мономерного звена из таблице 3 найдем значения энергий этих связей (Uо), используя выражение (6), рассчитаем среднюю энергию мономерного звена, и результаты расчета сводим в таблицу 2.

Таблица 2. Средняя энергия мономерного звена для МЛ- Энергия одной Средняя энергия моно- Средняя энергия мономер Тип связи Число связей связи, эВ мерного звена, эВ ного звена, ккал/моль С–Н 20 4. С–О 10 3. 3,7112 84, С–N 16 2. O–H 2 4. N–H 2 3. Таким образом, для расчета средней энергии мономерного звена различ ных полимерных материалах необходимо знать: химическую формулу моно мерного звена и значения энергий связи.

Значения энергий некоторых химических связей U0 для различных мате риалов представлены в таблице 3.

Таблица 3. Значения энергий связи U0.

Энергия связи, Вид связи Энергия связи, Эв Вид связи Энергия связи, Эв Вид связи Эв 1 2 3 4 5 NN 9.76 2.88;

2.86 2. C-N I-F CN 9.02 4.77;

4.43 2.77;

2. Mn - F Br - F CC 8.53 4.75;

4.54 2. О-Н S-S 8.29;

7.32 4.64 2. C=О Sb - F C - Br 6.64 4.56 2. B-F В-N Al - C 6.64;

6.03 4.51 2. Al - F N=О C-S NО 6.48 4.45 2. S-S Si - S 6.48 4.43 2. N-О H -Cl CI - F 6.2;

6.16;

5.59 4.37;

4.28 2. Si - F C-H C - Si 6.09 3.57 2. С=С Р-О Cl - Cl 6.07 3.5 2. Ti - F С-С Р-Р 5.9;

5.82 3.46 2. H-F С-О Se - Se На межвитковую изоляцию низковольтной электрической машины дейст вуют как внешние (внеш), так и внутренние механические нагрузки (вн). К ос новной внешней механической нагрузке, оказывающей действие на изоляцию электрической машины, относится вибрация. Во многих работах проводилось исследование влияние вибрации на величину дефектности межвитковой изоля ции низковольтных электрических машин. Выяснилось, что при нормальной эксплуатации электрической машины величина напряжений вызванных, вибра цией, остается постоянной и составляет величину порядка 0,05МПа [работы Похолкова Ю.П., Бесперстова П.П.]. Результаты исследований, приведенных в данной работе, свидетельствуют о том, что внутренние механические напряже ния в пропиточном составе, возникшие из-за физических и химических измене ний (усадка, взаимодействие реакционно-способных групп, окислительно – по лимеризационные процессы), постоянно растут от величины, порядка, 0,1 МПа и выше. Поэтому вклад внутренних механических напряжений на процесс раз рушения межвитковой изоляции оказывается больше, чем вклад от внешних нагрузок. Тогда на этапе развития разрушения межвитковой изоляции можно принять за величину напряжения, действующего на материал, () (выражение (8)) нагрузку, возникающую в материале за счет гетерогенности структуры (вн). Для нахождения величины внутренних механических напряжений, на се годняшний день, разработано большое количество экспериментальных мето дов, которые разбиваются на две группы это : а) поляризационно-оптический методы, пригодные лишь для сравнительно ограниченного круга пропиточных составов - прозрачных и оптически активных, т. е. приобретающих оптическую анизотропию под воздействием механических нагрузок;

б) термомеханические методы, к которым относятся: консольный метод;

метод термометра;

метод магнитоупругих датчиков;

метод кольца;

метод проволочной тензометрии. Все термомеханические методы имеют ряд недостатков, общим из которых являет ся то, что внутренние напряжения в покрытиях определяются на модельных об разцах, которые не используются на практике. Несмотря на недостатки термо механических методов, в настоящей работе (глава 2) для оценки внутренних механических напряжений, возникающих в различных пропиточных составах, применен консольный метод. Этот метод основан на измерении отклонения от первоначального положения свободного конца консольно закрепленной упру гой металлической пластины с полимерным покрытием под влиянием внутрен них напряжений в покрытии. Чувствительность метода составляет около 0, кг/м2. Этим способом оценивается тангенциальная 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 про цесс трещинообразование оказывает именно тангенциальная составляющая внутренних механических напряжений. Кроме того, при выборе геометрии об разцов и технологии их изготовления учитываются масштабные факторы и тех нология запечки пропиточного состава, которые приближены к реальным усло виям изготовления обмотки. Достоверность результатов полученным данным методом на модельных образцах составляет 0,92 [работы Галушко А.И., Оснача Р.Г.].

Таким образом, определив экспериментально значения внутренних меха нических напряжений, величина,, ккал·мм2/моль·кг входящая в выражение (8), будет из 0, вестна.

0, В термофлуктуационной теории 0,4 разрушения материалов по Журкову коэффициент рассматривается, как 0, прочностная характеристика материа Uср, ккал/моль ла, зависящая от его структурных осо 60 70 80 90 Рис. 13. Зависимость коэффициента от бенностей. На первоначальном этапе в средней энергии мономерного звена для теории Журкова было принято, что полимерных материалов.

коэффициент равен объему занимае мым химической связью. Для всех материалов этот объем равен, примерно, 10 см3, то и коэффициенты для различных тел принимались, приблизительно, равными 10-23 см3 [работы Журкова С.Н. и его учеников]. 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 10-23 см3, и зависит от величин и U. Для нахождения коэффициента не обходимо проводить большой объем экспериментальных работ, что не всегда выгодно и удобно. Однако, в работах Журкова и его учеников имеются экспе риментальные данные для коэффициента, различных полимерных материалов.

На основании данных по, приведенным в работах Журкова С.Н., Регеля В.Р., Слуцкера А.И., Цоя Б., построена тарировочная зависимость =f(Uср), представ ленная на рисунке 13. Использование этой кривой позволяет найти параметр практически для любых пропиточных составов.

Таким образом, для определения величины исследуемого материала, не обходимо лишь рассчитать значения средней энергии мономерного звена и по тарировочной кривой, представленной на рис.13, определить величину коэф фициента.

Определив величины Uср, и, можно вычислить долговечность витко вой изоляции обмоток низковольтных электрических машин () по выражению (8). После расчета величины найти вероятность безотказной работы (ВБР) системы межвитковой изоляции низковольтной электрической машины по вы ражению:

ст ВБР = 1, (9) где ст–время старения витковой изоляции.

Схематически методику расчета ВБР межвитковой изоляции низковольт ной электрической машины можно представить так:

Расчет средней энергии мономер- Экспериментальное нахождение ного звена пленки пропиточного величины внутренних механи ческих напряжений () исполь ni Uоi зуя поляризационно-оптические состава : Ucp = или термомеханические методы.

no Определение структурно чувствительного коэффициента () по тарировочной кривой (рис.13) Определение долговечности витковой изоля- Определение ВБР системы межвитковой ции обмоток низковольтных электрических изоляции низковольтных электрических Ucp ст машин: = 0 exp( машин: ВБР = ) kT Рис. 14. Блок схема экспресс прогноза времени безотказной работы межвитковой изоляции низковольтной электрической машины.

В результате по описанной методике был произведен расчет ВБР межвит ковой изоляции конструкции провод ПЭТВ, пропиточный состав МЛ-92, и ПЭТ-155, пропиточный состав КО916К. Результаты расчета сведены в таблицу 4, кроме того, в таблице 4 приведены результаты расчета ВБР этих же систем по методике описанной в ОСТ16.0.800.821-88.

Таблица 4. ВБР межвитковой изоляции различных систем.

ВБР межвитковой изоляции различных систем Система ПЭТВ+МЛ92 Система ПЭТ-155+КО-916К Время старе По предла- По предла ния, ч по ОСТ16.0.800.821-88 по ОСТ16.0.800.821- гаемой гаемой ме методике тодике 1000 0.9998 0.9999 0.999 0. 2000 0.9786 0.9999 0.999 0. 3000 0.9464 0.9999 0.999 0. 4000 0.8998 0.9523 0.999 0. 5000 0.8457 0.8988 0.998 0. 6000 0.7867 0.8346 0.998 0. 7000 0.7125 0.7597 0.998 0. 8000 0.6546 0.6955 0.987 0. 9000 0.5892 0.6206 0.987 0. 10000 0.5132 0.5457 0.986 0. Расхождение результатов, полученных по ОСТовской методике с резуль татами, полученными по вновь созданной методике, примерно, 7%. Расхожде ния значений результатов расчета ВБР по двум методикам можно объяснить тем, что в расчете по предлагаемой методике не учитывается взаимодействие между пропиточным составом и эмалевой изоляцией.

Заключение по работе:

Основными результатами работы являются:

Установлена общая закономерность дефектообразования для различ ных систем низковольтной межвитковой изоляции электрических машин. С увеличением условной вязкости пропиточного состава ускоряются процессы дефектообразования в диэлектрических материалах. С ростом внутренних ме ханических напряжений интенсивность появления дефектов увеличивается по линейному закону.

При увеличении скорости охлаждения и вязкости пропиточных соста вов увеличивается уровень внутренних механических напряжений, варьируя вязкости пропиточных составов в оптимальных границах, можно эффективно повысит ресурс работы межвитковой изоляции.

Для различных систем межвитковой изоляции выявлена общая законо мерность уменьшения их пробивного испытательного напряжения с ростом скорости дефектообразования по следующему закону -3 прд=2,37-0,08·Н+1,553·10 ·Н.

На основе термофлуктуационной теории прочности полимеров разра ботана экспресс-методика определения долговечности межвитковой изоляции низковольтных электрических машин. Разработанная методика позволяет в ко роткий срок оценить ВБР межвитковой изоляции. Предлагаемая методика не требует больших материальных и временных затрат и пригодна для реализации в заводских условиях.

Использование результатов исследований на предприятиях электротех нической промышленности г. Томска подтверждает практическую ценность проведенной работы.

Рекомендуется, для уменьшения уровня внутренних механических на пряжений, возникающих в пленках пропиточных составов, применять пропи точные составы с вязкостью 19-20с по ВЗ-4 и выдерживать скорость охлажде ния после полимеризации пропиточного состава в пределах 2оС/мин.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих ра ботах:

1. Марьин С.С., Дудкин А.Н., Леонов А.П. Влияние смачивания пропи точного состава на развитие трещин в межвитковой изоляции низковольтных обмоток электрических машин// Труды V международной конференции «Акту альные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2000 т. 3. Новосибирск 2000 г. -с. 140-141.

2. Марьин С.С., Дудкин А.Н., Леонов А.П. Оценка вероятности образо вания сквозного дефекта в межвитковой изоляции низковольтных обмоток электрических машин.// Сборник трудов 6-й всероссийской научно технической конференции «Материалы, технологии, конструкции, экономика».

-Красноярск 2000 г. -с. 504-505.

3. Марьин С.С., Дудкин А.Н., Леонов А.П. О механизме образования сквозного дефекта в межвитковой изоляции низковольтных обмоток электриче ских машин.// Сборник тезисов докладов XVI научно-технической конферен ции «Электронные и электромеханические системы и устройства» -Томск: НПЦ «Полюс», 2000 г. -с. 232-233.

4. Марьин С.С., Похолков Ю.П., Дудкин А.Н., Леонов А.П. Расчетное оп ределение стойкости к растрескиванию системы «пропиточный состав – эмаль изоляция обмоточного провода»// Сборник докладов международной конфе ренции “Полимер-2001” –Москва: МИРЭА, 2001, с. 215-218.

5. Марьин С.С., Дудкин Леонов А.П. О развитии сквозного дефекта в межвитковой изоляции низковольтных обмоток электрических машин// 7-ая Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» -Томск: ТПУ, 2001. т.2, -с.44-45.

6. Марьин С.С. Леонов А.П., Износ межвитковой изоляции намоточных изделий под действием эксплуатационных факторов.// Материалы междуна родной научно-технической конференции «Электромеханические преобразова тели энергии» -Томск: ТПУ 2001 г., 3-5 сентября, -с.161.

7. Марьин С.С., Похолков Ю.П., Дудкин А.Н., Леонов А.П. Процесс обра зования и рост трещин в системе межвитковой изоляции намоточных изделий в период эксплуатации.// Сб. научных трудов 7 Всероссийской научно технической конференции «Материалы, технологии, конструкции, экономика» -Красноярск, 2001. -с.401-403.

8. Марьин С.С., Леонов А.П., Дудкин А.Н. Влияние технологических и эксплуатационных факторов на надежность межвитковой изоляции намоточ ных изделий.// Сб. научных трудов 7 Всероссийской научно-технической кон ференции «Материалы, технологии, конструкции, экономика» -Красноярск, 2001. -с. 404-405.

9. S.S. Maryin, А.P. Leonov, A.N. Dudkin. Through defect development in in terterm insulation of low voltage windings of electric machines// Modern techniques and technology, 2001, February 26 – March 2, Tomsk, Russia. p. 122-124.

10. S.S. Maryin, А.P. Leonov, Yu.P. Pokholkov, A.N. Dudkin. Estimation of reliability of the system insulation of low-voltage electric machines at a stage of designing, manufacture and while in service.// The 5th Korea-Russia International Symposium on Science and technology (KORUS 2001), Tomsk, Tomsk Polytechnic University, v. 2, p. 282-283.

11. Марьин С.С., Похолков Ю.П., Дудкин А.Н., Влияние структуры пропиточного состава на процесс дефектообразования в изоляции низковольт ных обмоток намоточных изделий // Труды третей международной конферен ции «Электрическая изоляция - 2002» Санкт-Петербург, 2000 г. -с. 284-285.

12. Марьин С.С., Айзадуллин Л.Н., Шуликин С.Н. Причины разруше ния межвитковой изоляции низковольтных намоточных изделий // Сб. научных трудов 8 Всероссийской научно-технической конференции «Материалы, техно логии, конструкции, экономика» -Красноярск, 2002. -с.41-42.

13. Марьин С.С., Леонов А.П., Киселёва А.В. Влияние взаимодействия компонентов межвитковой изоляции на ее надежность//Сборник трудов 9-й всероссийской научно-технической конференции «Материалы, технологии, конструкции, экономика» -Красноярск 2003 г. -с. 504-505.

14. Марьин С.С., Ким В.С., Дудкин А.Н. Исследование внутренних ме ханических напряжений в пропиточных и заливочных лаках. Известия ТПУ. – г.Томск: изд.ТПУ, 2005. - №7 - с. 171-174.

15. Марьин С.С., Леонов А.П., Ким В.С. Влияние взаимодействия ком понентов межвитковой изоляции на ее надежность // Известия высших учебных заведений. Журнал «Электромеханика». – г. Новочеркасск: изд.ЮРГТУ (НПИ), 2006. - №3 – с. 127-128.