автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Старение жаростойких систем электрической изоляции индукционных электромагнитных насосов

Р Г Б ОД

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

МУРАВЬЕВА ТАТЬЯНА НИКОЛАЕВНА

УДК 621.315.322:621.65.03

СТАРЕНИЕ ЖАРОСТОЙКИХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ ИНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.09.02 - электроизоляционная

и кабельная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена на кафедре "Электрическая изоляция , кабели ] конденсаторы" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научные руководители: доктор физико-математических нглт., профессор Б . И . Сажин,

кандидат технических Наук, старший научный сотрудник И . В . Еитковский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор 0 . Л . Мезенин

/

кандидат технических наук В . В . Соболев

Ведущая организация : ЕНЙИ ТВЧ им. В. П. Вологдина (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится

Цл^ 1994 г. в -{О час, на заседании специализированного Совета К 063.38.21 Санкт-Петербургского государственного технического университета по адресу: 1Э5?.51. Санкт-Петербург, Политехническая улица, 29.

Отзыв на автореферат просим направить по указанному адресу на им ученого секретаря Совета.

с диссертацией можно ознакомиться в"фундаментальной библиотеке университета.

. ■

Автореферат разослан " " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук, доцент

С. Л. Кулаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Современный этап развития ядерной энергетики и, в частности, атомных электростанций (АЭС) с реакторами на быстрых нейтронах требует безотказности и долговечности широко используемых здесь электромагнитных насосов (ЭМН), в которых наиболее ответственным узлом является обмотка системы возбуждения, в особенности ее витковая изоляция .

Несмотря на кажущееся обилие публикаций и наличие монографий, посвященных различным аспектам создания ЭМН, многие вопросы как изготовления, так и эксплуатации насосов до настоящего времени остаются нерешенными . К таким проблемам в первую очередь можно отнести создание высоконадежной, долговечной жаростойкой изоляции обмоток ЭНН. Это обстоятельство в какой-то мере может быть объяснено широким спектром и сложностью существующих задач.

Так несмотря на то, что Промышленностью освоены некоторые еиды изоляции, способные длительно сохранять работоспособность при повышенных температурах, говорить о решении проблемы преждевременно, в процессе эксплуатации появляются дополнительные факторы, лимитирующие работу оборудования - недостаточная нагревостойкость проводниковых материалов, взаимодействие этих материалов с материалами изоляции при длительном воздействии высоких температур.

Фактически не изучены и не имеют однозначного решения вопросы влияния замены среды, окружающей обмотку, на систему изоляции (СИ).

Противоречивы имеющиеся сведения о ресурсе нагревостойких обмоточных проводов, используемых при создании катушек обмотки возбуждения ЭМН.

Сложен и неоднозначен механизм образования жаростойких композиций, используемых в СИ ЭНН. Очевидно, необходимы дальнейшие исследования в этой области с цель» выяснения возможности повышения надежности СИ за счет оптимизации технологии изготовления и вариации среди эксплуатации ЭМН.

Важнейшим вопросом при создании и эксплуатации ЭМН является вопрос о прогнозировании ресурса работы их обмоток. В связи с этим особую актуальность приобретает задача создания и апробации методики ускоренных испытаний и прогнозирования ресурса обмоток.

В данной работе изучено влияние замены воздуха на вакуум, эзот при температурах 300, 450, 550 и 600°С на работоспособность систем изоляции на основе стекловолокна и органосиликатного связующего, а так

1

же влияние технологии производства, в частности, режимов предвари; ной термообработки в процессе изготовления катушек обмотки возбуждении на состояние системы изоляции ЭМН.

Настоящая диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР, направленных на реализацию Решений Правительства пс строительству Южно-Уральской и второй очереди Белоярской АЗС с реакторами на быстрых нейтронах (Постановления Правительства : II 325 - 91 от 15 . 04 .82 , И 367 от 27 . 10 . 84 . И 717 - 204 от 13 . 06 . 86 ) .

Целью работы явились исследования, направленные на повышение работоспособности и температуры эксплуатации систем изоляции катушек обмотки возбуждения ЭМН путем совершенствования технологии их изготовления и выбора условий эксплуатации, в частности, окружающей среды. Задачами исследования были:

1. Создание ускоренной методики прогнозирования срока службы систем изоляции высокотемпературных обмоток электрических машин и аппаратов на основе корреляции термоциклического и непрерывного старений.

2. Поиск путей и способов повышения срока службы внтковой изоляции, включая изучение влияния замены воздуха на бескислородные среды.

3. Исследования формирования структуры изоляции с органосиликатным связующим, предназначенной для работы в бескислородных средах. Оптимизация технологического процесса отверждения систем изоляции.

Научная новизна результатов, полученных в работе состоит в следующем:

1. Впервые установлено, что для системы витковой изоляции на основе стекловолокна и органосшшкатной композиции в сочетании с токопроводя-цей жилой замена воздушной среды на бескислородную позволяет уменьшить константы скорости снижения электрической прочности и сопротивления системы витковой изоляции на 1-2 порядка.

2. Выявлен механизм изменения свойств исследуемой системы изоляции н • бескислородных средах",. заключающийся в науглероживании композиции.

Впервые установлена возможность оптимизации свойств витковой изоляции ЭМН в бескислородных средах за счет ее предварительного термоотвержде НИЯ. ' •

3. На основе анализа электрических характеристик обоснован двухотадий-ный процесс отверждения системы. Это связано с тем, что на низкотемпературной стадии происходит завершение реакции конденсации гтоли -мерных и силикатных составляющих и термоокисление метальных групп боковых цепей полимера, тогда на второй , высокотемпературной стадии 2

удаляются органичеокие радикалы основной цепи молекулы и разрушение ограниченного числа силоксановых связей приводит к образованию нагре-впстойкой безорганической структуры.

Практическая значимость I. Переход к бескислородным средам позволяет стабилизировать систему изоляции по параметрам пробивное напряжение и сопротивление изоляции. 2 Дгказана целесообразность выбора в качестве рабочей среды - азота. ?. На основе Физической модели кинетики отверждения СИ предложен л>-'ухстадиинн|1 режим термообработки, приводящий практически к полному удалению органической составляющей и позволяющий создать нагревостой--кую композицию.

'1. '.'амена воздушной среды на бескислородную в комплексе с введение 2* стадийного режима термообработки системы витковой изоляции позволяет п?г.ыснть ее срок службы более чем в 10 раз.

5. Разработана ускоренная методика прогнозирования срока службы систем н-пляшш высокотемпературных обмоток электрических машин и аппаратов. Положения выносимые' на защиту

1. Замена воздуха на бескислородные среды открывает возможности повышения ресурса системы витковой изоляции на основе стекловолокна и ор-гчносиликатного связующего.

2. Продукты деструкции органосиликатного связующего интенсифицируют снижение параметров системы витковой изоляции. Установлена возможность стабилизации этих параметров в бескислородных средах за счет предварительной оптимальной термообработки катушки обмотки возбуждения.

3. Замена воздуха на бескислородную эксплуатационную среду в сочетании с двухстаднйной предварительной термообработкой позволяет существенно повысить ресурс системы еитковой изоляции. Время ее эксплуатации при максимально доппустимой воздействующей температуре 600°С увеличивается более .чем в 10 раз.

Личный вклад автора определяется участием в постановке задачи исследования, в усовершенствовании методики оценки нагревостойкости материалов на основе стекловолокна и органосиликатной композиции, в разработке конструкции макетов, в непосредственном получении экспериментальных данных, обобщении результатов испытаний и их анализе. Апробация работы.

Результаты диссертационной работы представлены в докладах VI гсесоюзной конференции по физике диэлектриков (ноябрь 1988 г) . чг/ччем семинаре НИИЗФА им . Д . В . Ефремова (июнь 1°94 г ).

Научно-технический семинар кафедры "электрическая изоляция, кабели и конденсаторы" неоднократно обсуждал работу в процессе ее выполнения.

Публикации.

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 3х печатных работах, указанных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 3* глав , заключения . списка используемой литературы и приложения . Общий объем диссертации составляет 190 страниц , из которых машинописного текста страниц , 63 страницы с рисунками , 43 страниц списка цитируемой литературы, включающего 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

В первой главе приведен обзор работ,посвященных особенностям системы изоляции электромагнитных насосов и отражающих состояние ее исследований. Дана классификация ЭМН , предъявляемые к ним требования . Анализ литературных данных показал , что выход насосов из строя в основном происходит из-за витковых замыканий в катушках обмотки возбуждения, поскольку тепловые нагрузки здесь близки к предельным даже для самых нагревостойких из существующих материалов (табл. 1 ).

Проанализированы условия, в которых находятся катушки обмотки возбуждения при эксплуатации . Дана характеристика материалов, применяемых для битковой и корпусной изоляции катушек, приведены их недостатки и достоинства. Сформулированы проблемы , возникающие при создании обмоточных проводов , предназначенных для длительной работы при температурах 300 - 700° С . , Обоснован вывод о том, что основным типом изоляции, способной работать при этих температурах является стеилсволокнистая изоляция, пропитанная органосиликатным (ОС)составом, а наиболее перспективным обмоточным проводом - провод марки ПОЖ-^ОО . Рассмотрены физико-химические процессы и структурные превращения в композициях, образующихся при изготовлении изоляции обмоточных проводов стекловолокно - ОС-пропитываюший состав (полимерная основа.мелко диспергированнные силикаты, оксиды металлов).Показано , что особенности структуры и свойств органосиликатных материалов обеспечивают созданным нэ их основе системам изоляции комплекс заданных парметров в широком .г.пппазоне температур . Приведены электрофизические характеристики спорны изоляции ЭМН и особенности ее старения. Проанализирована 1

Таблица 1.

Система изоляции катушки обмотки возбуждения ЭМИ

-1----1-———i--1

Изоляция I Чем обеспечивается |Раб. темп.| СрокI

I I С I ч I

I Обмоточный провод ГЮЖ-700 | 350 |25000 |

I (провод обмоточный жаростойкий):| | |

I Сплав 204 II!

I Гальванический слой Fe и ¡U I 400 |20000 |

I Кварцевая нить I г - i I I

Ein ковал | Стеклонить I 500 * | 1000 |

I Органосиликатный пропитывающий I I I I I

I состав ОС-82-05 • I 600 | 200 |

I Кремнийорганический лак К0-916 I I I I I

I I 700 | 50 |

I I L - J I I

I ИФГ-КАХФ: I Iдли-

Корпусная I флогопит I |тельно

I кремнийорганический лак | до 700 |допус-

I алюмохромфосфат I |тимая

I I 0C-82-05: I |длп-I Прогштыва- I полиметилфенилсилоксан I до 700 |тельнз I ющий I мелко диспергированная слюда | |допус-I состав I оксиды металлов ) |тимая i________i___i__i______i

» Кратковременно допустимая рабочая температура

возможность замены воздушной среды эксплуатации на бескислородные с и'М1ью повышения надежности и долговечности электромагнитах насосов . Но итогам проведенного обзора литературы уточнены сформулированные во введении задачи диссертационной работы .

Вторая глава посвящена вопросам методического обеспечения работы. В связи с тем . что методы исследований электроизоляционных материалов п пр щч' се воздействия температур до 700° С и различных газовых срод '•¡.'"¡от существенные особенности, большое внимание было уделено тооряти-

ческим основан прогноза ресурса с целью уточнения и дополнения разработанной ранее методики . Показана необходимость функциональных испытаний для полноценного анализа нагревостойкости исследуемой системы витковой изоляции и выбора новых оптимальных условий эксплуатации ЭМН.

Обоснованы испытательные температуры ; 300, 450 , 550 и 600°С ; газовые среды : вакуум , инертная среда (азот , гелий ), воздух; комплекс контролируемых параметров : электрическая прочность, сопротивление изоляции , сопротивление токопроводящей жилы. Решены вопросы обеспечения выбранных испытательных сред и совершенствования термостатического устройства для возможности точного автоматического регулирования испытательных температур. *

Приведено описание объектов исследовани: отрезков обмоточного провода П0Ж-700, макетов типа "проводник-изоляция" и натуральных катушек обмотки возбуждения. Разработка и применение макетов контейнерного типа позволили осуществить переход к условиям испытаний, максимально приближенным к реальным с учетом особенностей конструктивного и технологического исполнения катушек и их размещения в ЭММ .

Проанализированы предпосылки для создания ускоренной методики прогнозирования срока службы систем изоляции обмогок возбуждения, поскольку проведение полномасштабных ресурсных испытаний не всегда возможна или целесообразно. Экспресс-методика базируется на корреляции непрерывного и циклического термовоздействий. Равноценное методическое обеспечение эксперимента в обоих случаях позволяет провести сравнение состояния системы витковой изоляции катушки и разработать основы интенсификации испытаний. Периодичность контроля в случае непрерывно!'*: термостарения составила : 100, 250 . 500 , 1000 , 2000 , ... часов. Общая длительность ресурсных испытаний - 7000 часов. При термоциклическом старении отбор для контроля характеристик производился следую □им образом : при температурах 300 , 450°С - после 5 , 10 , 15 , 20, 30 ,5') , 75 ,100 , 125 и 150 циклов ; при температурах 550 и GOOIJc -после 1 . 3 . 5 , 10 , 20 , 30 , 50 , 75 , 100 . 125 И 150 циклов. Диаграмма термоциклического нагружения представлена на рис. 1 .

Приведена методика определения оптимальных технологических пара метров термообработки исследуемых катушек в процессе изготовления : изменение диэлектрических характеристик в динамическом режиме подъем? температуры и в изотермических режимах позволяют осуществлять контрол! за ходом отверждения связующего и формированием системы изоляции Обоснованы параметры (полная проводимость и тангенс угла диэлектричес

Рис . 1 .Диаграмма термоциклического нагружения образцов, г.их потерю , наиболее наиболее чувствительные к динамике процесса отверждения и ог'о завершению .

Отражены методы, предусмотренные ГОСТ-ами для испытании твердых чпектрпизиляииотшх материалов и обмоточных проводов, которыми руководствовались при определенипи диэлектрических характеристик исследуемой системы изоляции и сопротивления токопроводящей жилы .

Достоверность результатов подтверждается большим статистическим материалом , хорпшеи воспроизводимостью экспериментальных данных, ис-ПО.Н1 .зеванием современных измерительных приборов.

Р третьей_главе содержатся основные результаты экспериментальных

исследований и их обсуждение.

Ганеп было установлено, что при эксплуатации высокотемпературной "Омптки на воздухе ухудшение электрических свойств системы изоляции обмоточного провода во многом связано с окислительными процессами в токопроводящей жиле, в настоящей работе приведены результаты исследовании возможности повышения стабильности системы жаростойкой витковой шгвмюиишггем. замеин воздушной среды эксплуатации на бескислородную.

Экспериментальные зависимости Unp и Киз для отрезков обмоточного провода or времени термовоздействия лучше всего описываются соотношениями.

и-'л„ев . (1)

'-<VRe" , (Z)

гп" л ■ и"Х''Д!гея величина оцениваемого параметра, а В ■ конслапта скорости его падения. Анализ экспериментальных данных показывает, что при воздействии температуры 300°С на воздухе изменение пробивного напрятепия за время 7000 часов не превысило 20%, а сопротивление изоляции уменьшилось на ? порядка и составило 3*10'0 Ом.

При температурах старения 450.550 и 600°С уже после 1000, ;;по и

7

100 часов соответственно наблюдаются отказы, что связано с нарушением целостности изоляции. Растрескивание и отслоение изоляции, наблюдаемое визуально, происходит вследствие интенсивных процессов окисления то-копроводящей килы.

При температурах'550 и 600°С резкое падение свойств происходит в течение первых сотен часов. При 450°С аналогичные изменения происходят за 1000 часов, что определяется ростом проводимости из-за структурных превращений в органосиликатном связующем, связанных с отрывом органических радикалов и образованием пространственно-сшитой структуры и протекающих по схемам:

sSl-OH^HO-Sis ->=Sl-0-Si=+H20;

sSi-CH3+CH3-Sls -> 3S1-0-Si=+3HS0+2C02;

»S1-CH3I

} -> CH4.C6H6,H20.HC00H......CO, C02; и др.

sSi-CH,I 1

При тэрмостарениии системы витковой изоляции на отрезках обмоточного провода ПОЖ-700 в вакууме и азоте наблюдаются следующие закономерности. При температуре старения ЗС0°С ореда слабо влияет на электрические свойства изоляции . падение электрических свойств за 7000 часов не'превышает 10%. При более высоких температурах протекают процессы термической деструкции кремнийорганических полимеров, входящих г. состав связующего. Уже при Т=450°С за т=7000 часов зарегистрирован отказ изоляции. Наиболее глубокие превращения происходят при температурах 550° и 600°С за первые сотни часов термовоздействия. Полученные зависимости ипр и R„3 от времени, так же как и при термостарении на г.;<>?духе, лучше всего описываются соотношениями 1 и 2.

Следует особо отметить, что в случае испытательных температур 55'.i'1 и соо° с можно выделить два характерных участка деградации свойств I участок, для т<500 часов и II участок , для т>500 часов, каждый из к торцх описывается выбранным эмпирическим соотношением со своими коэффициентами.

Время до отказа определяется уровнем воздействия температуры, с ростом-которой интенсифицируются процессы деструкции органосиликатного срязуюадего, отрыва органических радикалов ПМФС. и приводящие к росту

проводимости изоляции. При температурах 550 и 600°С этот процесс завершается за первые 500 часов, после чего изменения электрических параметров резке замедляются; при температуре 450° он растянут во времени и U и RH3 уменьшаются равномерно.

Состояние изоляции после термостарения в бескислородных средах отличается от состояния изоляции, состаренной на воздухе. При визуальном осмотре образцов было установлено изменение цвета изоляции, которое усиливается с ростом температуры и времени старения. После испытаний при 300°С она имела зеленый цвет, при -150 и 550°С - темно-зеленый, а при СОО°С - черный. Это свидетельствует об осаждении в толще изоляции углерода, образующегося в процессе термостарения. В случае воздушной среды он окисляется до СО и СОг и улетучивается.

Несмотря на то, что электрические свойства изоляции надают ниже 50% в вакууме за 250 часов, а в азоте за 500 часов термостарения при температурах 550-600°С изоляция не разрушается по причине окисления ТПЖ при всех испытательных температурах на протяжении всей длительности их воздействия. В табл.2 представлены значения энергий активации процесса термостарения исследуемых образцов в различных средах.

Таблица 2

Значения энергии активации процесса термсстарения обмоточного провода ГЮ.Ч-700 в различных средах

1

Среда I Изменение 1 характеристик ! 1 1 Энергия 1 активации! ЭВ I

1 1 Т>550°С 1 1 . 1 I Т<550° С I 1 I

Воздух 1 1 ипр 1 1 1 1.72 1 1 1 1 0.33 | 1 1

1 1 R«3 1 1 2.05 1 1 1 1 0. 43 I 1 |

Бакуум, 1 Упр 1 1 1 0.69 1 1 1 1 0,69 | 1 I

азот 1 1 Киз 1 1 0.64 1 1 1 0.64 I

j_I

Таким образом, сравнение результатов испытаний отрезков обмоточного провода в различных газовых средах показывает, что замена воздушной среды на бескислородную позволяет сохранять целостность изоляции при температурах 300-600°С, что открывает возможность существенного

9

увеличения времени безотказной работы системы .Однако для этого необ ходимо полное удаление летучих продуктов деструкции НМФС. Что может быть достигнуто проведением специальной термообработки изделия.

Для изучения процессов в органосиликатном связующем, опредоляющи; состояние витковой изоляции катушки в первые часы воздействия температуры и для разработки методики ускоренного прогнозирования срока службы высокотемпературных обмоток были проведены термоциклические испита ния на отрезках обмоточного провода П0Ж-70Г) В различных газовых среда;

В случае старения на воздухе, при температуре й(Ю°С за все врем> термовоздействия пробивное напряжение и сопротивление изоляции не претерпевают существенных изменений. При 450"С о увеличением количеств; циклов пробивное напряжение обмоточного провода не уменьшается, а. напротив, возрастает к 150 циклам на 20%, а сопротивление изоляцш падает на 1.5 порядка. При указанной температуре имеет место деструкция полиметилфенилсилоксапа п связующем , в результате которой ПМ'К теряет органические радикалы, находящиеся в боковой цепи полимера, место которых занимает кислород, образующий новые силоксаповие связи. Процессами науглероживания и определяется рост проводимости рассматрн ваемой композиции и, как следствие процессов, связанных по структурны ми превращениями , происходит перераспределение электрического поля 1 неоднородной структуре, приводящее к увеличению пробивного напряжения.

При температурах 550 и 600°С это перераспределение вызывает кратковременные рост электрической прочности и снижение сопротивления изоляции.

Сравнение полученных данных с результатами непрерывного старенш показывает, что при термоциклическом воздействии существенно уменьшается время до отказа изоляции. При температурах 550 и 000°С это врем5 сократилось в 4.5 раза. Вместе с тем сохраняется механизм процессе! старения при сокращении времени испытания, о чем синдетельо шует одш и тог же наклон зависимости 1ит-С(1/Т).

При замене коздугсиой среди па вакуум п азот в условиях теркоцик-лов, аналогично, как и при изотермическом старении , существенно уве ли'швается работоспособность изоляции обмоточного провода .

Так, в частности, при 550°С после 150 термоциклов, изменение про Ситного напряжения не превышает 21>% при незначительном изменении сопротивления изоляции.При температуре воздействия 600°С сопротивление изоляции снижается на 4 порядка, а пробивное напряжение почти достигает предельно допустимое значение (зд;,; от Ц,,,х) за 150 циклов. То ееп Ю

'ОФектшишП i'fcvpß изоляции обмоточного проводи при 600°С увеличился в

раз и систогнл г>0 циклон в бескислородных средах вместо ю циклов п воздухе.

Предложенная методика циклического нагружения в случае воздушной реди и воздействующих температур 550 и 600°С позволяет интенсифицировать испытания ь г> рл.ча. Так при непрерывной старении пробивное нап-|яж^иие и смпрптипление изоляции снижается в 2 раза за 500 и 100 часов |ри 55П и (.00°С соответственно, а при циклическом за 50 и 10 циклов 104 и 23 часа). То теть один цикл (2.2 часа при 500°С и 2.3 часа при ио"С) cou'i нетотвует ю часам непрерывного старения при испытаниях в щ-чдушной среде. При замене воздушной среды на бескислородную цикличность нагружения обмоточного провода также приводит к снижению его :рока службы. Вопрос влияния термоциклов на работоспособность системы 'Итковой изоляции в этих средах требует дальнейшего изучения.

Поскольку повышение работоспособности изоляции ЭНН требует ее [ослодинания с учетом конструктивного и технологического исполнения, доводились испытания, объектом которых были катушки обмотки возбуждена. На рис. 2 представлены зависимости сопротивления изоляции катушек )Г Времени ТСрМОВОЗДеЙСТВИЯ.

ад

6

5 Ч

Г и с. ?. Зависимость lg R„3 макетов обмотки возбуждения от времени г'-рмовоздействия в различных газовых средах

Сравнение состояния изоляции в ходе испытаний показывает ; при гермостзрении на воздухе снижение Unp на 50% происходит уже после 4000 псов воздействия температуры 550°С. в то время, как при замене воздуха in вакуум - после 10000 часов; в случае инертной среды U„p за 27000

11

8 IV 1 инертная среда. Т=550°С - вакуум . Т=550°С - вакуум , Т=600°С

N 2 3

V V

•——. \i \ - —--i- 4 • —

О }То /¡Г¿0¿5

часов снизилось на 35%

Обобщение данных, полученных после исследования системы изоляции обмотки возбуждения ЗИН как в макетах, так и на проводе позволило построить кривые "срока службы", представленные на рис.3.

ЙгСТ Ч)

' Более высокие значения времен для

макетов по сравнению с проводом обусловлены различным исходным состоянием изоляции в исследуемых об-8 разцах провода и макетов, а так »е

конструктивными особенностями катушек. Так. в частности, в отличие от образцов провода, катушки перед термостарением проходили специальную термообработку в воздушной среде при температурах до 400°С в течение 20 часов.

Для случае работы катушки в инертной среде получена только одна точка (при Т=550°С) в связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изго-650 600 5И0 150 Т,"С товления макетов, однако изучение

механизма термостарения на обмоточно! Рис.3 Кривые срока службы макетов проводе позволяет подтвердить вывод обмотки возбуждения и обмоточ- о том, что выбор инертной среды в ного провода:1.11 - воздух.2,21 - качестве эксплуатационной может поз-вакуум, 3,31 - инертная среда; водить увеличить время жизни изделия 1.2,3 - провод. I1.2'. З1 -макет не менее, чем в 10 раз.

С целью установления технологических параметров предварительной термообработки системы витковой изоляции, для завершения процессов в органосиликатном связующем проводилось исследование кинетики его от-

ник-изоляиия". представляющих собой элемент катушки. В ходе исследований контролировались: полная проводимость (О, тангенс угла диэлектрических потерь (Ъе 5). сопротивление изоляции (1?ия) и емкость (С) в динамическом режиме подъема температуры с дальнейшим выходом на изотермический режим. В температурных зависимостях ;! и Ь?, 6 до 200" С наблю-12

ется максимум, обусловленный релаксационными потерями, с увеличением мпературы возрастает роль процессов проводимости.

Исследование режимов отверждения в диапазоне температур от 400 до 0° С с интервалом 25°С показало, что в изотермическом режиме имеется ход на стабильные значения по всем характеристикам за время, не предающее двух часов. Это время определяется величиной воздействующей мпературы. Зависимость времени отверждения от температуры в коорди-тах In т -f(103/т) имеет два участка, соответствующих двум механизм образования силоксановсй структуры. На участке с меньшим наклоном ут процессы, связанные, в основном, с отрывом концевых функцио-льных групп. При более высоких температурах интенсифицируется отрыв гапических радикалов в основной цепи полимера, что приводит к увели-нию наклона зависимости In t =f(103/T).

Анализ кинетики отверждения системы витковой изоляции, технологи-ских особенностей изготовления катушек, промежуточных функциональных питаний на отрезках обмоточного провода, привлечение элементного а лиза изоляционной композиции показали необходимость проведения -стадийной термообработки с образованием на первой, низкотемператур-й, стадии однородной, пространственно-сшитой структуры и на второй, 'спкотемпературнной, - силоксанового нагревостойкого каркаса.

Поскольку термообработка провода может производиться лишь в гото-■м изделии, необходимо учитывать влияние предлагаемого ?*-стадийно-

режима отверждения катушек на состояние корпусной изоляции. Изучен icuecc отверждения системы корпусной изоляции, получена зависимость юмени стабилизации характеристик от уровня воздействия температуры, псозэно. что .предлагаемый оптимальный режим формирования витковой 'о.чяцни не противоречит режиму отверждения корпусной изоляции.

Р качестве возможной предварительной термообработки катушки об-•тки гозбуждрция было предложено следующее соотношение температур и ■ительноотей воздействия: 400"С - 2 часа + 600"С - 6 часов. Отрезки |М"'1очного провода, подвергнутые такому термовоздействию, были дли-!лыю и'-пытаны в соответствии с методикой непрерывного старения в ва-'ум? и азоте при температурах 450, 550 , 600°С. Результаты испытаний н'лзэли, что ипр и R„, за время 2000 часов снижаются не более, чем па для всех температур и сред (рис.4).

С учетом анализа констант скоростей снижения характеристик и по-'чишнх зависимостей U, R-f(t) можно ожидать, что. при п^ех испытатель-IX температурах, включая максимальную, срок службы исследуемой систе-

13

мы изоляции увеличится более, чем в 10 раз.

Анализ возможных эксплуатационных сред показал преимущество азот по сравнению с вакуумом и другими инертными газами. С целью проверк предлагаемого режима предварительной термообработки и выбранной рабо чей среды проводились испытания на макетах типа "проводник-изоляция" по своей конструкции и материалам близких к реальным катушкам. За вр^ мя 2500 часов электрическая прочность систем ритковой и корпусной изо ляции даже при самой высокой воздействующей температуре 600° с не с.ни жается более чем на 25? ( на воздухе ивит уменьшается на 707 за юс часов).

Таким образом, применение 2х-стадийного режима термообработки азота в качестве эксплуатационной среды позволяет повысить ресурс к:< тушки обмотки возбуждения более, чем в 10 раз.

Гис. 4 Влияние двухстаднйной термообработки па стабилизацию сис-- темы витковой изоляции в бескислородных средах: 1 - азот , ? - вакуум;_

I,2 - после термообработки, Тс tap -450, 550, 600- С:

II. S1 - без термообработки, тар-550°С; I".?'' ■ fif-з термообработки. тгт„р'600пС

м

3 А К Л К Ч Е II И Е

Анализ результатов испытания системы виткэвой изоляции на основе еклово.покна и органосиликатной композиции (гюлиметилфенилсилоксан, ликат, окисел) в сочетании с токопроводящей жилой в условиях воз-пг.твия повышенных температур (до 600°С) и различных газовых сред зволяет сделать следующие обобщающие выводы:

Разработаны основы ускоренной методики исследования процессов старения системы изоляции.базирующейся на переходе к термоциклическому нагружению в диапазоне температур от 550 до 600°С, позволяющей сократить время испытаний в 4. 5 раза.

Установлена корреляционная связь сопротивления изоляции, пробивного напряжения с сопротивлением токопроводящей жилы. Снижение электрических параметров изоляции во времени имеет экспоненциальный характер. Сравнение полученных результатов исследований системы изоляции в воздушной среде на отрезках обмоточного провода с имеющимися данными испытаний "проводник-изоляция" показывает сохранение закономерностей деградации изоляции. Это обусловлено определяющим влиянием окисления токопроводящей жилы.

При замене воздушной среды на бескислородную исследуемые зависимос-■|и характеризуются следующим образом: для относительно низких испытательных температур (300 и 450°С) экспоненциальная зависимость электрических характеристик от времени их воздействия сохраняется при некотором увеличении констант скороеш изменения пробивного напряжения (К„) и сопротивления изоляции (KR) 'примерно на 0.5 порядка )|

для высоких испытательных температур (550 и 600°С) эти зависимости характеризуются наличием двух участков: при временах меньше 50" часов значения констант скорости Ки и К„ близки к значениям этих параметров в среде воздуха, при временах больших -снижаются на Г и-2 порядка соответственно. На основании анализа .зависимостей RM3 и ипр от времени воздействия испытательных температур в азоте и вакууме установленное различие в механизм« разрушения системы Изоляции в интервале температур до 150°С и - ниш» обусловлено изменением структуры связующего при темпорату- • pax. более 450° с Резкоё снижение параметров R„, и Unp в первые сотни часов воздействия температур требует оптимизации превращений в связующем, а наличие второго участка открывает розмож-

ность повышения ресурса системы витковой изоляции.

4. Повышение ресурса исследуемой системы Может быть достигнуто прим нением двухстадийной технологии формирования изоляции. Это повыш ние связано с тем. что на первой стадии, до 450°С, происходит з вершение реакции конденсации полимерных, силикатных, оксидных ко панент и стекловолокна, термоокисление Метальных групп, расположе ных преимущественно в боковых цепях полимера. На второй, высокоте пературной стадии, завершается разрушение органического обрамлен полимера! входящего в состав связующего, разрушение некоторого чи ла силоксановых связей с образованием нагревостойкого безорганиче кого каркаса.

5. Предлагаемый двухстадийный режим термообработки системы витков изоляции не противоречит оптимальному режиму формирования корпусы изоляции катушек.Это позволяет предотвратить науглероживание иссл дуемой системы в процессе эксплуатации при повышенных температур и, следовательно, повысить срок службы изоляции.

6. Полученные положительные данные по результатам ресурсных испытан показали, что сочетание замены среды эксплуатации на бескислородн и предварительной двухстадийной термообработки катушки обмотки во буждения позволяет стабилизировать ее характеристики при термово действии до 600°С (максимальной эксплуатационной температуры) время более 2000 часов, что приводит к повышению работоспособное по крайней мере в 10 раз.

Публикации по теме диссертации

1. 0 влиянии среды на процессы старения обмоток электромагнитах нас сов / Л . К . Бородулина , Н . М . Ваксер , И . В . Витковский ,

Т . Н . Муравьева , Н . И . Ревина. о . И . Семенова // Вопро атомной науки и техники. Сер . Электрофизическая аппаратура .- Л Энергоатомиздат , 1993 г . . Вып . 26 .- с . 23 - 28

2. о влиянии технологии изготовления на характеристики витковой изол ции жаростойких обмоток / Л . К . Бородулина , Н . М . Вэксер ,

И . В . Витковский , М . Ю . Лаврентьева .Т.Н. Муравьева // Электротехника , 1993 г .- N 4 .- с . 64-68

3. Муравьева Т . Н . К оптимизациии технологических режимов изготовл ния жаростойких, обмоток // Электротехника, 1994 г. - И П. - с .37-