при какой температуре происходит тепловое старение изоляции

Тепловое старение ВнИ

Для твердых диэлектриков наиболее характерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения. со временем это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою.

В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.

В комбинированной внутренней изоляции, содержащей жидкие и твердые материалы, тепловое старение влечет за собой как снижение механической прочности соответствующих элементов, так и ухудшение электрических характеристик всей изоляции.

Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса

(7.5.)

Срок службы изоляции при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. При разных температурах и отношения сроков службы изоляции

(7.6.)

Значение DТ для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах от 8 до 12°С и в среднем составляет 10°С.

Источник

Содержание материала

§ 2. Тепловые воздействия на изоляцию и классы нагревостойкости
Математическое описание старения.
Классы нагревостойкости
Тепловое старение изоляции является следствием постепенного химического изменения входящих в ее состав органических веществ, например, пленок, волокон, связующих.
Скорость протекания химических процессов определяется кинетикой реакций, для теплового старения — термической и термоокислительной деструкцией молекул, из которых состоит полимер (реакцией деструкции называют реакцию, протекающую с разрывом химической связи в главной цепи макромолекулы). Если обозначить Л0 — начальное число молекул вещества в единице объема, a At— число молекул через промежуток времени t, то скорость химических реакций в большинстве случаев может быть выражена формулой
(1)
где Kt — средняя вероятность распада одной молекулы в единицу времени, определяющая скорость химических реакций.
Зависимость Kt от температуры подчиняется закону Аррениуса
(2)
где В — постоянная, зависящая от структуры веществ, вступающих в реакцию; W — энергия активации, k — постоянная Больцмана.
Подставляя (2) в (1) и интегрируя, получаем
) (3)
где Т = 273+0; 0—испытательная температура.
Для удобства обозначим 1п(—1/5 In At/AQ) — G, где G — постоянная, зависящая от исходных свойств материала А0 и задаваемого условиями испытаний предельного уровня деградации At. На основании зависимости In t = G 4- W/kT определяется время выхода из строя электроизоляционного материала или системы изоляции. Обычно представляет интерес оценка изменения срока службы изоляции t при изменении температуры в сравнительно узком диапазоне (порядка десятков градусов). В этом случае достаточную для такой оценки точность дает более удобное для расчетов выражение (так называемое правило Монтзингера)
(4) где А и А0 — постоянные.
Как следует из этого выражения, при изменении температуры изоляции на Л0 срок службы ее меняется вдвое. Величина Л0 зависит от состава изоляции, качества ее изготовления, степени предшествующего старения и других факторов. Экспериментально установлено, что постоянная Д0 лежит в пределах от 8 до 20° С. Для расчетов часто используют значение Л0=1О°С. Системы изоляции, у которых при одинаковых сроках службы значения рабочих температур отличаются не более, чем на 5° С, объединяют в один класс. В существующей классификации изоляции по нагревостойкости согласно [14] нормируются предельные температуры, установленные из условий работы изоляционных материалов в воздушной среде.
Необходимо подчеркнуть, что в табл. 1 приведены предельные температуры для систем изоляции, а не отдельных ее компонентов и материалов, которые сами по себе могут иметь очень сильно различающиеся температурные индексы.
Таблица 1

Максимально допустимая температура при длительной эксплуатации, °С

Например, микалентная компаундированная изоляция на- гревостойкостью класса А содержит щепаную слюду, тепловая деградация которой происходит при температуре выше 500° С, и связующее битум, размягчающееся при

Для электрических машин, не имеющих системы водяного охдаждения обмотки, главной причиной выхода из строя изоляции являются тепловые воздействия. Поэтому повышение класса нагревостойкости изоляции, например за счет внедрения полимерных материалов на основе ароматического полиамида (фенилона), полиамида, полиамидимида и др. (нагревостойкость их 220° С и выше), позволяет повысить эксплуатационную надежность, мощность машины.
Для крупных электрических машин применяется изоляция классов В и F, т. е. с предельно допускаемыми темпера-
турами 130 и 155° С. Поэтому в эксплуатации предельные температуры активных и конструктивных частей генератора, соприкасающихся с изоляцией, не должны превышать этих значений (ГОСТ 533—76). Температура обмотки в эксплуатации контролируется с помощью датчиков температуры, термометров сопротивления, установленных на активную сталь генератора и изоляцию в предполагаемых наиболее нагретых точках. У генераторов с водяным охлаждением температура практически поддерживается на уровне значительно ниже допустимого по ГОСТу. Определяющей в этом случае является температура воды, выходящей из обмотки, обычно эта температура не должна превышать 85° С.

Процесс и признаки теплового старения

Изоляция катушечных и стержневых обмоток крупных машин.

Неорганические компоненты изоляции — слюда, слюдинит, слюдопласт, стеклоткань, при рабочих температурах генератора практически не претерпевают каких-либо химических изменений, т. е. не старятся.
В термореактивной изоляции (ТРИ), состоящей из слюдинита, стеклоткани и эпоксидной смолы, старится связующее— термореактивная смола, ее деполимеризация приводит к повышению хрупкости — ухудшению механических свойств изоляции в целом.
В микалентной компаундированной изоляции (МКИ), состоящей из листов слюды, бумажной подложки и битумного лака, также старятся органические компоненты — бумажная подложка и битум, при этом подложка становится хрупкой, постепенно происходит ее химическое и механическое разрушение. Битумно-масляный лак, входящий в состав микаленты, и битумный компаунд, которым она пропитывается при компаундировке (пропитке и опрессовке), при старении становятся из вязких также хрупкими, частично улетучиваются, при механических воздействиях крошатся. В результате этого ослабляется связь как между слоями микаленты, так и между листками слюды в слое, изоляция легко расслаивается. При длительном_ нагреве микалентной изоляции параллельно с химическими процессами идет также процесс так называемого «распухания», имеющий в своей основе механические явления. С повышением температуры резко ухудшаются механические свойства лака и компаунда (они размягчаются), вследствие чего листки слюды, согнутые на углах сечения стержня, имеют возможность несколько распрямляться, тем самым увеличивать радиус закругления изоляции на углах стержня. При этом в меньшей степени распрямляются внутренние слои, испытывающие давление внешних слоев, в большей степени — внешние слои, сдерживаемые лишь вязкостью связующего и покровной лентой.

Рис. 5
В результате описанного процесса сечение изолированного стержня принимает бочкообразную форму, между слоями изоляции, по-разному изогнутыми, появляются или увеличиваются воздушные прослойки, появляется или увеличивается зазор между внутренним слоем изоляции и поверхностью проводников стержня.
На рис. 5 представлено схематическое изображение сечения микалентной изоляции до распухания (а) и после распухания (б). Распухание особенно сильно проявляется в местах, где ему ничто не препятствует, — в лобовых частях (включая место выхода из паза); в пазовой части оно ограничено размерами паза. Таким образом, состаренное состояние МКИ характеризуется следующими признаками:

Для обмоток гидрогенераторов с МКИ срок службы составляет около 20 лет, а в отдельных случаях требовалась замена обмотки через 8. 12 лет эксплуатации. При переходе к ТРИ расчетный срок службы обмотки увеличен до 40 лет.

Источник

При какой температуре происходит тепловое старение изоляции

ГОСТ IEC 60811-401-2015

КАБЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ

Методы испытаний неметаллических материалов

Методы теплового старения. Старение в термостате

Electric and optical fibre cables. Test methods for non-metallic materials. Part 401. Miscellaneous tests. Thermal ageing methods. Ageing in an air oven

Дата введения 2017-07-01

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены в ГОСТ 1.0-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2015 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, обновления и отмены»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом «Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности» (ОАО «ВНИИКП») на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Межгосударственным техническим комитетом по стандартизации МТК 46 «Кабельные изделия»

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 27 октября 2015 г. N 81-П)

За принятие проголосовали:

Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97

Сокращенное наименование национального органа по стандартизации

Минэкономики Республики Армения

Госстандарт Республики Беларусь

Госстандарт Республики Казахстан

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 30 сентября 2016 г. N 1270-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IEC 60811-401-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2017 г.

Международный стандарт lEC 60811-401:2012 разработан Техническим комитетом TC 20 «Электрические кабели» Международной электротехнической комиссии (IEC).

Международный стандарт lEC 60811-401:2012 отменяет и заменяет подразделы 8.1 и 8.4 lEC 60811-1-2:1985.

Официальные экземпляры международного стандарта, на основе которого подготовлен настоящий межгосударственный стандарт, и международных стандартов, на которые даны ссылки, имеются в Федеральном информационном фонде технических регламентов и стандартов.

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

6 ВЗАМЕН ГОСТ IEC 60811-1-2-2011 в части подразделов 8.1 «Старение в термостате» и 8.4 «Методы измерения объема воздуха, проходящего через термостат»

7 Некоторые элементы настоящего стандарта могут быть объектом патентного права. IEC не несет ответственность за установление подлинности каких-либо или всех таких патентных прав

ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 7, 2019 год

Поправка внесена изготовителем базы данных

Введение

В стандартах серии IEC 60811 приведены методы испытаний неметаллических материалов кабелей всех типов. На данные методы испытаний ссылаются стандарты, устанавливающие требования к конструкции и материалам кабелей.

1 Неметаллические материалы обычно используют в кабелях для изоляции, оболочки, подложки, заполнения или лент.

2 Данные методы испытаний считаются основными, они разработаны и используются в течение многих лет в основном для материалов кабелей, предназначенных для передачи электроэнергии. Также они приняты и широко используются для других кабелей, в частности для волоконно-оптических кабелей, кабелей связи, управления, судовых кабелей и кабелей для береговых установок.

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает требования к методу испытаний материалов изоляции и оболочек кабелей из сшитых и термопластичных полимерных композиций на тепловое старение в термостате.

2 Нормативные ссылки

Для применения настоящего стандарта необходимы следующие ссылочные документы*. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного документа, для недатированных ссылок применяют последнее издание ссылочного документа (включая все его изменения):

IEC 60228 Conductors of insulated cables (Токопроводящие жилы изолированных кабелей)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по IEC 60811-100.

4 Метод испытаний

4.1 Общие положения

Настоящий стандарт следует применять вместе с IEC 60811-100.

Испытания проводят при комнатной температуре, если не указано иное.

Старение в термостате может быть предусмотрено в стандартах или технических условиях на кабели конкретных типов:

a) для образцов материалов изоляции и оболочки по 4.2.3.2;

b) для образцов изолированной жилы (токопроводящая жила и изоляция) по 4.2.3.2 и 4.2.3.3, при необходимости;

c) для образцов кабеля по 4.2.3.4;

d) для испытания по определению потери массы в соответствии с IEC 60811-409.

Испытание на старение по перечислениям a) и b) и испытание по определению потери массы по перечислению d) могут быть объединены и проведены на одних и тех же образцах при одинаковых значениях времени и температуры старения.

В общем случае механические характеристики измеряют после старения, но в некоторых случаях, если жила и сепаратор, при их наличии, не могут быть удалены без повреждения изоляции, испытание на изгиб проводят на круглой жиле сечением до 16 мм включительно.

Испытание на старение, проводимое после испытания на изгиб, считают критерием приемки или отбраковки кабелей в спорных случаях.

4.2 Влияние старения на механические характеристики

Старение проводят в термостате с естественной или принудительной циркуляцией воздуха. Воздух должен поступать в термостат таким образом, чтобы он проходил над поверхностью образцов и выходил в верхней части термостата.

При заданной температуре старения в термостате должно произойти не менее 8 и не более 20 полных смен объема воздуха за час. Два метода измерения скорости потока воздуха в термостате приведены в приложении А.

Если в стандартах или технических условиях на кабели конкретных типов не указано иное, то при испытании резиновых компаундов допускается использовать вентилятор внутри термостата. Для остальных компаундов вентилятор внутри термостата использовать не следует, а в спорных случаях резиновые компаунды следует испытывать в термостате без вентилятора.

4.2.2 Отбор и подготовка образцов

Образцы кабеля или оболочки, снятой с кабеля, или образцы изолированной жилы, разрезанные на части требуемой длины, отбирают от участков кабеля, расположенных в непосредственной близости участков, от которых отбирались образцы для испытания на растяжение до старения по IEC 60811-501.

Образцы в виде двусторонней лопатки или трубки подготавливают по IEC 60811-501.

Образцы могут состоять из образцов изолированной жилы, разрезанных на части требуемой длины. Если после старения жила и сепаратор, если он имеется, могут быть удалены без повреждения изоляции, то подготовку образцов проводят в соответствии с В.2 приложения В. Для круглых токопроводящих жил сечением до 16 мм включительно, имеющих проволоки с металлическим покрытием или без покрытия и с сепаратором по жиле, проводят испытание на изгиб на образцах, подвергнутых старению.

4.2.3 Проведение старения

4.2.3.1 Общие положения

Испытание проводят не ранее, чем через 16 ч после экструзии или сшивания (или вулканизации), если эти процессы имеют место при наложении изоляции или оболочки. Испытание проводят на образцах в виде двусторонней лопатки или трубки, подготовленных по IEC 60811-501, или на изолированных жилах, как указано в настоящем стандарте.

4.2.3.2 Процедура старения образцов, подготовленных по IEC 60811-501, В.1 и В.2.2 приложения В и приложению С настоящего стандарта

Данную процедуру старения применяют:

— для образцов материала изоляции и оболочки в соответствии с IEC 60811-501;

— образцов изолированных жил с исходной жилой (см. В.1 приложения В);

— образцов в виде трубки с жилой уменьшенного диаметра (см. В.2.2 приложения В);

Компаунды, отличающиеся по составу, не следует испытывать одновременно в одном термостате.

Источник

Старение, дефекты и повреждения изоляции обмоток электрических машин и аппаратов

Обмотки являются наиболее важной и сложной по условиям работы частью электрических машин и аппаратов. Выход обмоток из строя в большинстве случаев обусловлен повреждениями изоляции. Определением причин выхода из строя обмоток электрических машин и аппаратов в разных отраслях народного хозяйства занимались многие исследователи На основании сбора и статистической обработки данных об эксплуатации около 5,5 тыс. асинхронных двигателей на промышленных предприятиях установлено, что более 84% всех отказов происходит из-за различных повреждений обмоток. Согласно данным у электродвигателей, работающих в сельском хозяйстве, 80% отказов возникают в результате повреждения изоляции; выход электродвигателей из строя в большинстве случаев возникает в связи с повреждением изоляции.

На обмотки и особенно на их изоляцию в процессе эксплуатации действуют электромагнитные силы, вибрация, температура, окружающая среда и другие факторы. Совместное действие перечисленных выше факторов приводит к необратимым процессам изменения структуры и химического состава изоляции, т. е. к старению изоляции. Кроме того, в изоляции могут иметься дефекты, возникающие как в процессе изготовления материалов, из которых состоит изоляционная конструкция электрической машины или аппарата (например, булавочные отверстия или посторонние включения в слое изоляционного покрытия обмоточных проводов), так и при изготовлении самой изоляционной конструкции. Особенно часто при укладке обмоток повреждается витковая изоляция, что значительно сокращает срок их службы. Использование при укладке обмоток металлического инструмента зачастую приводит к продавливанию и прорезанию изоляционного слоя проводов. Резкие перегибы обмоточного провода при намотке также способствуют образованию в изоляции значительных механических напряжений, в результате чего возникают трещины.

Количество дефектов в витковой изоляции снижается при уменьшении коэффициента заполнения паза. Уменьшение коэффициента заполнения паза на 2,5% и применение «мягкого» инструмента при укладке обмоток позволяет повысить надежность изоляции электродвигателей на 5,5%.

Развитие местных дефектов обычно приводит к повреждениям изоляционных конструкций в 1-й период работы после ввода электрических машин в эксплуатацию. Как правило, такие повреждения возникают в виде пробоя межвитковой изоляции. На надежность работы обмоток также отрицательно влияет растяжение проводов при наматывании катушечных групп на намоточных станках. Это растяжение может достигать 5—7% длины провода.

В процессе работы на обмотки электрических машин воздействуют электродинамические и механические усилия, достигающие больших значений при пусках и реверсировании. Так, пусковые токи короткозамкнутых электродвигателей превышают номинальные в 5 — 7 раз, в связи с чем на обмотки действуют значительные электродинамические силы, значения которых пропорциональны квадрату токов. Под действием этих усилий в изоляции возникают трещины, а также механические повреждения.

Особенно опасной для изоляции обмоток электрических машин является вибрация, возникающая в связи с неуравновешенностью вращающихся частей, изгибом вала, при износе подшипников, при обрыве стержней короткозамкнутых обмоток роторов и по другим причинам. Вибрация может также передаваться на электрические машины со стороны механизмов, приводом которых они являются. Вызываемые вибрацией силы действуют на протяжении всего периода работы электрических машин и приводят к потере механической и электрической прочности изоляции обмоточных проводов и компаунда, которым пропитывают обмотку для ее цементации. Все это может также привести к повреждению изоляции. Вибрация может сократить срок службы изоляции в несколько раз.

К износу витковой изоляции может приводить трение между витками и витков о корпусную изоляцию, возникающее в электрических машинах из-за разных коэффициентов теплового расширения меди обмоток и активной стали сердечников. Обычно такое трение происходит при нагревании электрических машин во время пуска и работы, а также при охлаждении после ее выключения из сети.

Определенное влияние на техническое состояние изоляции электрических машин оказывает тепловое и электрическое старение. Важными характеристиками изоляционных конструкций электрических машин и аппаратов являются теплостойкость и нагревостойкость. Теплостойкость характеризует способность изоляционных материалов сохранять свои свойства при кратковременных нагревах, а нагревостойкость — сохранять свойства без существенного ухудшения в течение длительного периода, если температура не превышает допустимых значений, установленных для данного класса изоляции. Нагревостойкость в основном определяется скоростью старения изоляции.

Важнейшим показателем, используемым при эксплуатации, диагностировании и прогнозировании работоспособности изоляции является срок ее службы. Особое внимание со стороны исследователей было уделено установлению зависимости срока службы изоляции от температуры, при которой она работает. В результате было сформулировано «правило восьми градусов». В соответствии с этим правилом, повышение температуры на каждые восемь градусов приводит к сокращению срока службы изоляции вдвое. Аналитически «правило восьми градусов» записывается следующим выражением:

В логарифмической форме уравнение принимает вид

Из уравнения видно, что логарифм срока службы изоляции имеет линейную зависимость от температуры.

Несмотря на то, что выражение установлено на основании большого объема экспериментального материала, его использование при прогнозировании ресурса работы электрооборудования во многих случаях не приводит к получению достаточно достоверных результатов.

Другим путем определения срока службы изоляции с учетом воздействия температуры является использование общих законов кинетики химических реакций, установленных Вант Гоффом и Аррениусом.

Вант Гофф и Аррениус установили следующую зависимость скорости химических реакций от температуры:

Происходящие в изоляции окислительные процессы относятся к мономолекулярным реакциям, для которых постоянную скорости реакции k можно определить из уравнения

Коэффициенты А и В связаны с постоянными, характеризующими химический состав и структуру участвующего в реакции вещества, следующими соотношениями:

где R — универсальная газовая постоянная (8,317 Дж/ (град-моль); Е_а — энергия активации (избыточное количество энергии, которым должна обладать молекула для преодоления энергетического барьера, чтобы быть способной к данному химическому взаимодействию); Z — число столкновений между реагирующими молекулами в единицу времени; Р — фактор вероятности надлежащей ориентации молекул при столкновении.

Величину Р определяют из выражения

где ΔS — энтропия активации (величина, характеризующая долю общего числа столкновений, при которых молекулы ориентированы надлежащим образом).

На основании приведенных выше зависимостей уравнение Вант Гоффа — Аррениуса записывается следующим образом:

В этом выражении постоянная скорости реакции представляет собой величину, определяющую относительное число эффективных столкновений частиц, завершающихся химическим взаимодействием. При использовании уравнения Вант Гоффа — Аррениуса с целью установления времени, в течение которого изоляция достигает своего предельного состояния (срока службы), после соответствующих преобразований и совместного решения уравнений получим выражение для срока службы изоляции

В таблице приведены усредненные значения постоянных Е_а, G и В для изоляционных материалов различных классов нагревостойкости изоляции.

Если известен срок службы изоляции Т₁ при температуре θ₁, то срок службы Т₂ при температуре θ₂ можно определить по формуле

Электрическому старению под действием электрических полей подвержена изоляция высоковольтных машин, причем практическое влияние полей обнаруживается в изоляции обмоток электрических машин напряжением 6 кВ и выше. Особую угрозу для проработавших определенное время электрических машин, изоляция которых имеет определенную степень старения, имеют коммутационные перенапряжения, так как электрическая прочность их изоляции понижена. Коммутационные перенапряжения могут превышать амплитудное значение питающего напряжения в 7 раз.

Процесс развития дефектов в межвитковой изоляции всыпных обмоток электрических машин можно представить следующим образом. Если изоляция не имеет технологических дефектов, то под действием температуры, вибрации, увлажнения, внешней среды и других факторов в течение времени происходит постепенное старение изоляции, выражающееся в ее усыхании, испарении летучих компонентов, потере эластичности, возникновении пор и трещинок. В наиболее «слабых» местах изоляции возникают местные дефекты, имеющие низкое значение напряжения пробоя. В моменты перенапряжений (атмосферных или коммутационных) в месте дефекта возникают искровые разряды, которые повторяются при каждом последующем перенапряжении, значение которого превышает напряжение пробоя места дефекта. Вследствие действия разрядов пробивное напряжение постепенно уменьшается до тех пор, когда в месте дефекта начинает возникать дуговой разряд от рабочего напряжения между витками. В этом случае происходит полное межвитковое замыкание и обмотка электродвигателя выходит из строя.

В связи с тем, что пробивное напряжение в месте дефекта после 1-го пробоя достаточно большое, а перенапряжения в витках обмоток достигают значения пробивного напряжения не часто, с момента возникновения дефекта в изоляции до полного виткового замыкания проходит определенное время.

Значительный интерес представляют процессы повреждения изоляции обмоток погружных электродвигателей, еще недостаточно освещенные в технической литературе. У погружных электродвигателей, применяемых для привода электронасосов водоподъемных скважин, обмотки статоров наматывают проводом ПЭВВП, имеющим двухслойную изоляцию. Внешний слой изоляции, толщиной от 0,4 до 0,8 мм в зависимости от размера провода, изготовляют из поливинилхлоридного пластиката ПХ В-489, а внутренний — толщиной 0,05 мм — из эмальлака «винифлекс». Применяя двухслойную изоляцию разработчики старались повысить работоспособность провода, так как обмотки погружных электродвигателей работают в воде.

Результаты анализа повреждений изоляции поступающих в капитальный ремонт погружных электродвигателей показывают, что 72,6% повреждений изоляции относится к пробоям в пазах и в лобовых частях. Следует отметить, что износ радиальных подшипников погружных электродвигателей приводит к задеванию активной стали ротора за статор и, как следствие, к повреждению изоляции в месте задевания. Поэтому можно предполагать, что 24,16% случаев отказов изоляции обмоток вызвано чрезмерным износом подшипников электродвигателей.

В связи с тем, что электрическая прочность является одним из основных показателей работоспособности изоляции обмоток, для выяснения причин и механизма развития дефектов в изоляции была определена электрическая прочность изоляции обмоток 48 погружных электродвигателей, поступивших в капитальный ремонт. Кроме того, были проведены исследования работоспособности изоляции 80 макетов обмоток, намотанных проводом ПЭВВП. Испытания показали, что у всех 48 электродвигателей повреждение изоляции в процессе эксплуатации имело место только у одной из фаз, две другие фазы имели достаточно работоспособную изоляцию, пробивное напряжение которой превышало 2 кВ. Результаты определения электрической прочности изоляции обмоток этих электродвигателей иллюстрирует гистограмма, показанная на рис. 3.

Рис. 3. Гистограмма распределения пробивного напряжения изоляции погружных электродвигателей

Исследование работоспособности 80 макетов обмоток в течение 21 тыс. ч работы в условиях, имитирующих условия работы обмоток погружных электродвигателей, позволило установить основную причину пробоя изоляции обмоток — развитие местных дефектов, имеющихся в изоляции. Этот вывод подтверждается тем, что пробивное напряжение изоляции поврежденных макетов (при исключении места повреждения) превышало 5 кВ, а изоляция проводов большинства неповрежденных макетов обмоток после наработки 12 тыс. ч выдерживала без пробоя испытательное напряжение 10 кВ.

Было установлено, что пробой изоляции обмоток статоров, как правило, вызван не общим старением, а развитием местных дефектов в изоляции, которые возникают при изготовлении провода (посторонние включения) и механическими повреждениями при намотке обмоток. Вследствие развития местных дефектов в поливинилхлоридном слое изоляции возникают каналы и трещины, через которые поступает вода ко 2-му слою изоляции из эмальлака. В связи с тем, что эмальлак не приспособлен к работе в воде, через определенное время совместное действие воды, напряжения и температуры разрушает и этот изоляционный слой.

Проведенные исследования позволили выяснить процесс выхода из строя обмоток погружных электродвигателей при пробое изоляции. Вначале через место пробоя или механического повреждения изоляции начинает протекать ток, который постепенно нагревает изоляцию в месте пробоя. Нагретая изоляция разрушается, проходящий через место повреждения ток увеличивается, нагревает изоляцию расположенных рядом с дефектом витков обмотки и в их изоляции также возникают трещины. После определенного периода работы возникает витковое замыкание, ток в поврежденных витках быстро увеличивается, нагревает изоляцию по всей длине короткозамкнутых витков и она выходит из строя, спекаясь и растрескиваясь.

Важным элементом изоляционной конструкции погружных электродвигателей является изоляция мест соединения обмоток статора в звезду и мест соединения выводных проводов с токоподводящими кабелями. Она состоит из нескольких слоев липкой изоляционной ленты типа ПХЛ-20-0,2 и работает в воде. В связи с этим были проведены исследования работоспособности изоляционной ленты ПХЛ-20-0,2 при разных режимах работы погружных электродвигателей. Работоспособность изучалась на 108 местах соединений, изолированных лентой ПХЛ-20-0,2 в соответствии с техническими условиями на проведение изоляционных работ при изготовлении погружных электродвигателей. При исследовании в течение 13,8 тыс. ч работы изоляции мест соединений через каждые 2 тыс. ч измеряли токи утечки изоляции при изменении напряжения постоянного тока в диапазоне от 400 до 1800 В. Полученные результаты показали, что токи утечки через изоляцию мест соединений очень малы и при наработке 13,8 тыс. ч и напряжении 600 В не превышают 0,24 мкА для изоляции из трех слоев ленты ПХЛ-20-0,2 и 0,2 мкА — для изоляции из шести слоев. Абсолютные значения токов утечки изоляции мест соединений составляют не более 1% токов утечки изоляции обмотки статора и при определении технического состояния изоляции погружных электродвигателей могут не учитываться.

В результате был сделан вывод, что изоляция мест соединений обмотки статора, выполненная качественной изоляционной лентой ПХЛ-20-0,2 при соблюдении технологии проведения изоляционных работ, является достаточно надежным элементом изоляционной конструкции погружных электродвигателей и может работать продолжительное время без ухудшения диэлектрических свойств. Следует отметить, что у погружных электродвигателей дефекты изоляции мест соединений, еще встречающиеся в условиях эксплуатации, в преобладающем большинстве случаев возникают вследствие некачественной намотки изоляционной ленты и перегревания изоляции во время прохождения через место соединения больших токов при перегрузке электродвигателей и при коротком замыкании. Так, при повышении температуры изоляции от 15 до 50° С токи утечки увеличиваются в 10—15 раз.

Анализ повреждений электрических машин показывает, что изоляция обмоток является одним из наиболее важных элементов конструкции, ограничивающих работоспособность машин. Техническое состояние изоляции необходимо контролировать в процессе эксплуатации.

Источник

Класс нагревостойкости