автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Обмоточные провода с утонченной изоляцией для погружных электродвигателей

МИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Всесоюзный научно-исследовательский, проекгно-конструкгорсний и технологический институт кабельной промышленности (БНИИШ1)

Кузенев Виктор Юрьевич

ОБМОТОЧНЫЕ ПРОВОДА С УТОНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ПОГРУЗНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.02 - Электроизоляционная и кабельная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

- г -

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструкторском и технологическом институте кабельной промышленности (ВНИИКП)

Научный руководитель - кандидат технических наук Г.Й.Иецанов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Я.З.Иесенжник -кандидат технических наук Г. А.Рызкин

Ведущая организация - АО "Гидротехника"

Защита состоится " 27 " 1991 г. в_час.

на заседании специализированного совета 143 О^о-/_зо

Всесоюзном научно-исследовательском,проектно-конструкторском и технологическом институте кабельной промшллеикости (ПШ2, Москва, шоссе Энтузиастов, 5 -

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан _1991 г.

Ученый секретарь .

специализированного совета ¿/Д/ А.Г.Григорьян

- 3 -

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений развития современного электромашиностроения является создание оборудования, обеспечивавшего, наряду с необходимым техническим уровнем, Еысокие показатели по энерго- и ресурсосберененив. В значительной степени это касается специальных типов электрооборудования, к которым относятся погружные жидкостнозалолиенные электродвигатели, применяемые в настоящее время в различных отраслях промышленности. Создание погружного оборудования с улучшенными техникоэкономическмыи по казаталями предусмотрено Постановлением 01 СССР ¥773 о? 07.08.85 г. Решение указанной задачи непосредственно связано с применением для обмоток погружных электродвигателей проводов с утоненной изоляцией, позволяющих значительно повысить коэффициент заполнения паза и- соответственно удельные параметры электродвигателей, а тайке требует проведения широкого круга исследований, необходимых для обеспечения заданной надежности.

Цель работы - совершенствование существующих и разработ новых конструкций обмоточных проводов для погружных дидкостнозаполнен ньк электродвигателей на основе оптимального построения структуры изо ляции. Для достижения этой цели необходимо решить ряд конкретных зада к числу которых относятся следующие:

1) Оптимизация комбинированной структуры изоляции с точки зрения наилучшего распределения электрического поля;

2) Проведение экспериментальных исследований теплофизических, ке ханичееких и электрических характеристик экструдируемых полиыэрных ка териалов, с целью выбора композиции, обладающих наилучшим комплексом свойств для работы в водных средах;

3) Теоретический анализ физико-химических процессов в изоляции' проводов, находящихся в контакте с жидкими средами, с использованием

^тематического моделирования;

4) Проведение экспериментальных исследований изменения парамет-зв изоляции при эксплуатации в жидких средах с воздействием различие факторов;

5) Создание методики ресурсных испытаний проводов, предназначенных ш эксплуатации в водной среде, позволяюцзй одновременно учитывать зкорящее влияние повышенного напряжения и температуры на процессы гарения;

6) Разработка конструкций обмоточных проводов для заданных усло-1й применения.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты иботы:

1) Оптимизация конструкций изоляции обмоточных проводов с точки зеяия улучшения электрических прочностных параметров;

2) Результаты экспериментальных исследований электроизоляционных иериалов;

3) Результаты теоретических исследований физико-химических прокосов, в изоляции проводов, контактирующее с жидкими средами;

4)- Результаты экспериментальных исследований параметров обмоточ-пс проводов при воздействии различных факторов;

5) Методика определения ресурса обмоточных проводов, эксплуати-гемых в водной среде;

6) Разработанные конструкции новых типов обмоточных проводов.

Методы исследования. При теоретических ясследо-

шиях использовались элементы теории вероятности, математической ;атистики, теории планирования эксперимента, применялось катеыатичес-;е моделирование физико-химических процессов в изоляции проводов. Ме-)дами экспериментального исследования являлись измерения параметров гектроизоляционных материалов и проводов при воздействии различных шторов.

Научная новизна. Предложен новый подход к расчету электрической прочности комбинированной изоляции обмоточных проводов, что позволило определить обоснованные требования к элементам изоляпу с целью создания ее оптимальной структуры.

Выполнен широкий круг исследований полимерных электроизоляционш материалов по комплексу свойств, определяющих работоспособность изoлí ции обмоточных проводов в водной среде. Определены направления подбора материалов для заданных условий применения.

С использованием математической модели установлены основные особенности протекания физико-химических процессов в тонкостенной изоляции обмоточных проводов, находящейся в контакте с жидкими средами.

Разработана методика определения ресурсных параметров обшточшс проводов в водной среде при одновременном ускоряющем воздействии повышенных температур и электрических напряжений.

Достоверность полученных.результат о в подтверадена экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов обосновывается их хорошей воспроизводимостью.

Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссерта ции, получены автором лично иди при его непосредственном участии.

Практическая ценность.

На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство новые типы обмоточных проводов с утоненной изоляцией для Еодозаюлненных электродвигателей, выполнены работы по освоению серийного производства обмоточных проводов с змалево-пленочной изоляцией. Результаты работы являются методологической основой для перспективных прикладных разработок в данной области.

Использование разработанной методики ресурсных испытаний позволяет сократить время экспериментов, повысить информативность резулы тов и упростить процедуру их обработки.

Раалиаация в народном хозяйства. Результаты диссертационной работы внедрены в виде:

- серии обмоточных проводов, серийно выпускаемых по

ГУ 16.1С71-024-88 "Провода обмоточные для погружных водозаполненных электродвигателей " заводом "Молдавкабель";

- усовершенствовании конструкций обмоточных проводов, выпускаемых по ТУ 16-505.733-78 "Провода обмоточные для погружных электродвигателей" (изменение К За.07-89 от 20.02.89) заводом "Молдавкабель";

- усовершенствованной технологии изготовления обмоточных проводов с эмалево-пленочнсй и пленочной изоляцией, выпускаемых по

ГУ 16-705.159-80 "Провода обмоточные теплостойкие с эмалево-пленочной я пленочной пшивишдно-фторошшстовой изоляцией" заводом "Молдавкабель" ;

г отраслевой "Методики испытаний по определению ресурса обмоточ-нах проводов с пластмассовой изоляцией в водной среде" т 16.К00-Ш-91.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Актуальные вопросы повышения качества и надежности кабельных изделий" (Москва, 1989) и на У молодежном симпозиуме с международным участием "СЖЕГ-50" (Варна .Болгария)

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 6 научных печатных трудах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и содержит 132 стр.машинописного текста, 42 рисунка, 12 таблиц и 3 приложения. Список использованной литературы включает 96 'наименований,

СОДЕШАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ОШОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ДНЯ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКГЮДВИГАТЕЛЕЯ

Условия эксплуатации и конструкция погружных электродвигателей требуют применения обмоточных проводов, которые должны обладать вы сокой стойкостью к воздействию механических и электрических нагрузок при непосредственном контакте с жидкой средой, заполняющей полость двигателя, в качестве которой, в зависимости от типа оборудования ис пользуют воду, электроизоляционные масла, а также различные смеси. Из-за тяжелых условий эксплуатации изоляция указанных проводов имеет относительно высокую толщину (0,54-0,6 мм для наиболее распространенных груш), что является одной из главных причин более низких удельных характеристик погружных электродвигателей по сравнению с электро оборудованием общепромышленных серий.

Особенно актуален этот ворос для водозаполненных электродвигате лей, обмотка которых для обеспечения необходимой водостойкости выпол няетея проводами с изоляцией на основе экструдируемых полимеров. Изу чение технического уровня показало, что для обеспечения современных требований к водозаполненным электродвигателям толщина изоляции обмс точных проводов должна быть уменьшена на 15-5-20 % по сравнению с существующими конструкциями, а температура эксплуатации увеличена с 60т80 °С до 90*100 °С, при сохранении необходимой надежности.

Для маслозаполнэнных электродвигателей наибольшее распространен получили обмоточные провода с эмалево-пленочной и пленочной полиимщ: фторопластовой изоляцией, которые при небольшой толщине обеспечивай высокий уровень электрических и механических свойств при температура эксплуатации до 200 °С, однако для данной группы проводов свойстве!-на недостаточно высокая стабильность технических параметров.

Анализ литературных данных показал, что ряд вопросов, связанных с конструированием тонкослойной изоляции обмоточных проводов, обеспечивающей высокий уровень характеристик при эксплуатации в жидких средах, изучен не полностью. В литературе отсутствуют сведения о научно-обоснованных методах выбора оптимальной структуры многослойной комбинированной изоляции обмоточных проводов по отношению к распределению напряженности электрического поля. Информации о полимерных материалах, используемых для изоляции обмоточных проводов, работающих в водной среде, не достаточно для выбора конкретных композиций, обладающих наилучшим комплексом свойств в данной сфере применения. В области исследования взаимодействия полимерной электрической изоляции с жидкими средами при воздействии различных факторов выполнено большое количество работ, освещающих различные аспекты проблемы, однако недостаточно' изучены вопросы, касающиеся особенностей, характерных для тонкослойной изоляции обмоточных проводов, а также не рассмотрен комплексный подход к изучению физико-химических процессов, протекающих в изоляции в процессе эксплуатации в жидкой среде.

Для исследования ресурсных параметров обмоточных проводов используются методики, основанные на ускоряющем воздействии одного из эксплуатационных факторов. При испытаниях обмоточных проводов для маслозаполненных электродвигателей в качестве ускоряющего фактора используется повышенная температура, а водостойкие провода испытыва-ются при ускоряющем воздействии повышенного напряжения, однако анализ литературы показывает, что при эксплуатации проводов в воде на старение изоляции в сравнимой степени влияют как напряжение, так и температура, в связи с чем использование только одного из основных ускоряющих факторов снижает достоверность и информативность результатов и увеличивает длительность испытаний. Кроме того недостаточно обоснован выбор длины испытуемых образцов, что требует проведения до-

полкитедькых пересчетов ресурсных параметров проводов.

Резенизо перечисленных задач к посвящена данная работа.

Глава 2. ОШШИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ИЗОЛЯЦИИ ОШОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ПО СТНОШЗНИи К РАСПРЕДЕЛЕН}!) НАПРЯНЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

При конструировании обмоточных проводов с оптимальной структуре 1С-1 эг о ел о йной изоляции большую роль играет обеспечение высокой электрической прочности, которая характеризует не только качество приыеня кьк материалов, ко и наилучшее распределение электрического поля в ¡■.зеляции, что вазно как в процессе эксплуатации проводов, так и при различных испытаниях в составе электродвигателей.

Расчеты распределения напряженности электрического поля в изол/ ции обмоточных проводов различных типов для водозаполненных электродвигателей, проведенные по уравнению для системы цилиндрических элев родов:

I е„ Ц П (1)

где: и - приложенное напряжение;

I - текучий радиус;

- наружный и внутренний радиусы ¿' -го слоя изоляции;

- диэлектрическая проницаемость £ -го слоя; показали, что наиболее оптимальной является конструкция, содержащая эмалированную токопроводящую жилу, поверх которой расположен слой пластмассы о более низким значением, чем у эмали, диэлектрической проницаемости, например полиэтилена. В этом случае напряженность пс ля в наибольпей степени снижается у яйлы, где всегда имеются выступь заусенца и другие дефекты, приводящие к локально^ увеличению напряженности относительно средней величины. С целью подтверждения расчетных данных были проведены экспериментальные исследования, з ходе

(торьк на образцах обмоточных проводов, вклотавдя провоза с омалз-(-пластмассовой и Однородной пластмассовой изоляцией на основе псл::-■илена высокой плотности, провода с двухслойной пластмассовой изоля-1ей типа ПЗДП и с эмалево-иоливинилхлоридноЯ изоляцией типа ПЭ8ВП, :ределялись электрическая прочность и стойкость к электрическому ст:-.-¡нию при повшенных напряжениях. По результатам исследований было у-.-1новлено, что эмалево-пластмассовал изоляция с оптимальным распределяем электрического поля, обладает более высокими электрическими па-агетрами по сравнения с другими конструкциями, в том числе типа |БШ, где диэлектрическая проницаемость слоя пластмассы выше, чем у 1али. В итоге оптимизация позволяет уменьшить тслцину изоляционного гарытия проводов на 104-20 % без ухудшения основных характеристик.

Исследования обмоточных проводов с эмалево-пленочной изоляцией, которых елей пленки расположен поверх эмалированной токоярсводяцеП 1лы, проводились с целью определения условий, при которых данная ксм-:нация материалов способна обеспечить необходимый стабильный уровень :ектрической прочности изоляции при ее заданной толщине. Для этого был сведен теоретический анализ распределения напряженности электричес->го поля в изоляции и условий электрического пробоя при различных четаниях диэлектрических свойств эмалевого и пленочного компснен-1В. Установлено, что при выполнении условия:

(2)

,е: ilnpiti - пробивное напряжение эмалевого покрытая;

- диэлектрическая проницаемость змалевого покрытия;

Z$fi - радиус провода по эмали;

U-np ijji - пробивное напряжение пленочной изоляции;

- диэлектрическая проницаемость пленки;

А пи - минимальная толщина пленочной изоляции;

-Л -

радиус жилы,

елей эмали обеспечивает увеличение пробивного напряжения изоляции провода в целом, которое при этом определяется выражением:

Если условие (2) не выполняется, пробивное напряжение провода, несмотря,'на наличие слоя эмали, остается на уровне пробивного напряжения только пленочного слоя изоляции.

Для определения основных параметров статистического распределения пробивного напряжения проводов по известным распределениям электрической прочности эмалевого и пленочного слоев с учетом полученных выражений С2) и (3) был разработан специальный численный алгоритм, основанный на использовании методов теории вероятности. Расчеты по" данному алгоритцу на ЗКД позволили определить требования к электрической прочности эмалевого покрытия обмоточных проводов марки ЛЭИ-20 в которых поверх слоя лолиамидешидной эмали расположен слой полимид-но-фторопластовой пленки, намотанной с перекрытием 66 %. Для стабильного обеспечения требуемого уровня пробивного напряжения проводов среднее значение пробивного напряжения эмали должно составлять не менее 6,0 кВ при минимальном значении не менее 4,0 кЗ, что существенно уточняет требования существующих стандартов на эмальпровода.

Для обмоточных проводов с двухслойной пленочной изоляцией был проведен пространственный анализ расположения наиболее слабых, с точ ки зрения электрической прочности, мест в изоляции различной структуры и расчет их суммарной площади на единицу длины провода. При этом было установлено, что на суммарную площадь слабых мест, которая определяется выражением:

Цпр проЬада - М-пр эя

(3)

где: к,, кг_- саги обмотки первого и второго слоев пленки;

бп ег - величины технологических зазоров первого и второго слоев пленни; р - пзриметр провода, не оказывает влияние ззшшноо направление обмотки слоев пленки и попытки повышения электричзсной прочности изоляции за счет изменения направления к шагов обмотки не дашт ощутимых результатов. На основании выполненных исследований предложена конструкция провода, а котором слои пленки наложены в одном направлении с одинаковым шагом, а нижняя кромка верхней пленки и верхняя нроына нижней пленки входят в зацепление между собой и фиксируют взаимное расположение пленок и сдвиг кромок относительно друг друга на уровне 10*60 % шага обмотки. Использование предложенной конструкции изоляции в проводах типа 1ШИ-У позволило повысить уровень пробивного напряжения на Юг 15 % и уменьшить его среднеквадратичное отклонение в 2*3 раза.

Проведенные в данном разделе исследования обмоточных прозодоз с различными типами изоляции показали возможность существенного улу-» чтения электрических параметров за счет оптимизации структуры.

Глава 3. Э1рЕИИЕОТАЛШЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЕЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ В ВОДОЙ СРЕДЕ

Исследования полимерных материалов проводились с целью выбора конкретных композиций, обеспечивающих наиболее высокий уровень свойств при работе в вода при воздействии приложенных напряжений и повышенных температур.

Для исследований были отобраны экструдируемые полимерные материалы из тех групп, которые на основании литературных данных по уровню основных характеристик и структуре способны фущционирозать в качестве водостойкой изоляции. Были испытаны различные типы полимерных

материалов, включая поливинилхлоридные пластиката, полиэтилены высокой плотности, морозостойкие композиции на базе полипропилена. '

Комплекс исследований по широкому кругу механических »физических и электрических свойств включая следующие виды испытаний:

- дифференциальную сканирующую калориметрию;

- термомеханический анализ;

- определение механической прочности при различных температурах;

- определение стойкости к растрескиванию;

- диэлектрические испытания;

- испытания макетов проводов с изоляцией из исследуемых материалов при воздайствии воды, повышенных температур и напряжений;

- определение удельных параметров влагопереноса.

Исследования проводились на современном испытательном оборудо--вании, включая испытательный комплекс для термоанализа фирмы "Дюпон11 США, разрывную машину с термокамерой фирмы " ",$РГ, комплект

оборудования для электрических испытаний " Швейцария.

Исследования физико-механических параметров материалов в широком диапазоне испытательных температур позволили установить границы применения различных материалов, получить данные по прочностным параметрам и свойствам, влияющим на эластичность изоляции проводов.

Электрические испытания материалов проводились'на образцах проводов. Были получены температурные зависимости пробивного напряжения и сопротивления изоляции при выдержке в воде образцов в исходном состоянии и проведены долговременные испытания при приложенных повышенных напряжении и температуре, в ходе которых определялось снижение электрических параметров проводов. На рис,1. доказаны результаты испытаний различных типов поливинилхлоридных пластикатов "I, 2, полиэтиленов высокой плотности, полученных по суспензионному 3 и газофазному 4 методам, блоксопомшера пропилена с этиленом 5. Видно,

35 Ъ 7?С

РисЛ. Зависимость сопротивления изоляции от температуры

что поливинилхлоридные пластиката значительно уступают полиолефино-вым композициям по уровню электрического сопротивления, особенно при повышенных температурах, и не способны обеспечить современных требований к системам изоляции погружных электродвигателей при температурах свыше 60+70 °С.

Полиолефзшовые материалы выбирались по результатам здектричес -кого старения в воде при повышенных значениях температур и напряжений. Наименьшее снижение электрических параметров среди исследованных композиций полиэтилена высокой плотности было отмечено у полиэтилена марки 271, который благодаря газофазному способу получения отличается высокой чистотой. При исследовании различных композиций на основе полипропилена установлено, что механические смеси базовых марок с

различными пластификаторами не обеспечивают необходимого уровня электрических свойств и могут быть рекомендованы для использования в качестве оболочек, обеспечивающих механическую защиту проводов. Для электрической изоляции был выбран блоксополиыер пропилена с этиленом марки 22015, который является однородным по структуре материалом и обладает удовлетворительной стойкостью к электрическому старению в воде.

Проведенные исследования показали, что выбранные материалы могут использоваться для изоляции обмоточных проводов, 'обеспечивающих высокий уровень свойств при температурах эксплуатации 80*100 °С.

Глава 4. ТЕОРЕГШЕСККЕ И ЭКСПЕРИМЕНТЖШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИТО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВДЩШИ СВДАМИ

При конструировании обмоточных проводов для погружных электродвигателей необходимо учитывать, что взаимодействие с жидкими средами оказывает существенное влияние на работоспособность изоляции, что связано с интенсивным протеканием характерных физико-химических процессов, к наиболее важным из которых можно отнести следующие:

- диффузию компонентов среды к растворенных в ней веществ вглубь изоляции;

- вымывание из изоляции низкомолекулярных добавок и продуктов химических реакций;

- различные вида химической деструкции, включая окисление и гидролиз,

Большое количество и сложность взаимосвязей между действующими факторами, вызывают необходимость использования при изучении указанных процессов комбинации теоретических методов математического моделирования и экспериментальных исследований.

Предложенная математическая модель физико-химических процессов в изоляции построена на основе введения потенциала массопереноса и

ряда производных функций (таблица I).

Таблица I

№ Наименование функции Обозначение Единица измерения

I Потенциал массопереноса д

2 Массоемкость С кг/°Ы

3 Удельная массоемкость с

4 Коэффициент массопереноса Л кг/с.м.°М

5 Сопротивление ыассопереносу S с.°Н/кг

По аналогии с моделированием тегоюпереноса, введение указанных функций дало возможность построить схему замещения процессов массопере-носа низкомолекулярных веществ в изоляции проводов (рис.2 ) и составить следувдую расчетную систему дифференциальных уравнений.

С;, & = О

¿V - Su - Bu *Siz

C;¿ -¿P + 2 + ¿Mzái^i 4 P¿; = С

' vLr Si¿+$í¡-i g¿/ + S¿/*/ *

r. cLdírt ,0 6ln - dln-t _f_ 0 &ln -9ÍMC 4 P¿r - D lín C¿T B¿n +Sin-i * Pin

где B0 - потенциал массопереноса L -го вещества в окружающей жидкости, который зависит от концентрации L -го вещества; 9ц , 6¿J , S¿n-потенциалы массопереноса I -го вещества в первом, J- -ом, П-ком слоях изоляции; Ci, , Clf. , C¡n - соответствующие массоемкости; Рц , P¿¿ P¿n - соответствующие источники ыассопотоков; &/ , S¿j , Sin -сопротивления переносу L -го вещества соответствующих слоев изоляции.

ш

± %

9Ч

ъ.

Си

Рлс. 2. Схема замещения изоляции При этом массоемкость и сопротивление массопереносу I -го вещества для I -го слоя изоляции определялись:

Я /л* .V?; (б)

Ц --япйгЬ-^

(7)

где С ¿у , А у - удельная массоемкость и коэффициент массопровод-ности I -го слоя изоляции по ^ -цу веществу; ^ - плотность материала I -го слоя; Ду - внутренний диаметр ^ -го слоя; -наружный диаметр ^ -го .слоя.

Система решалась на ЭВМ стандартным методом Рунге-Кутта с пошаговым определением параметров, что позволяло учитывать нелинейный характер уравнения.

С использованием модели были выполнены исследования ряда физико-химических процессов, существенно влияющих на работоспособность 'изоляции обкаточных проводов в процессе эксплуатации: сорбции воды изоляцией; вымывания термостабилизаторов и связанным с этим возможным окислением; гидролитической деструкции эмалевого покрытия.

Расчеты диффузии воды в изоляции проводов различных конструкций показали, что при рассматриваемых толщинах изоляции время сорбции, особенно при температурах 80*100 °С, имеет порядок часов, что существенно ниже реальных сроков эксплуатации проводов.

Теоретические и экспериментальные исследования вымывания тер -мостабшшзаторов из пластмассовой изоляции показали, что дале трудно-вымываемые добавки при рабочих температурах проводов практически полностью исчезают за время порядка 100 часов. Этим объясняется бесполезность улучшения параметров обмоточных проводов для погружных электродвигателей путем введения в изоляцию модифицирующих добавок, и необходимость применения однородных материалов с высокой чистотой и малым количеством термостабилизатора. При этом установлено, что процессы окисления при температурах 80*100 °С в среде воды не играют заметной роли.

При исследованиях гидролиза эмалевых покрытий в проводах с эма-лезо-пластиассовой изоляцией различных конструкций в качестве критерия старения использовалась стойкость к истиранию, которая определялась после снятия слоя пластмассы. Результаты исследований позволили установить, что несмотря на то, что слой пластмассовой изоляции существенно замедляет скорость гидролитической деструкции эмалевого покрытия, главным критерием при выборе эмали является гидролктичес -кая стойкость. По этой причине для проводов на рабочую температуру до 100 °С была выбрана эмаль на основе лаков "винифлекс" или "ке-тальвин", а более нагревостойкая (в обычных условиях) полиэфирная эмаль может быть использована только для проводов на рабочую температуру до 80 °С.

Результата исследований, проведенных с помощью разработанной модели, показали правильность ее основных положений и позволили определить дополнительные требования к конструкции обмоточных проводов и применяемым материалам.

Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ В ВОДОЙ СРЕДЕ ПРИ ДВУХКРАТНОМ ВАРЬИРОВАНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

В работе выполнен большой объем исследований влияния различных факторов на старение изоляции обмоточных проводов при эксплуатации в водной среде и происходящих при этом изменений' электрических и физических параметров. Провода выдерживались в водной среде при различных приложенных напряжениях и температурах и периодически подвергались контрольным испытаниям, включающим: определение электрического сопротивления и пробивного напряжения при нормальных и повышенных значениях температуры; термоанализ материала изоляции; определение наличия водных триингов; радиографические методы анализа изоляции с целью обнаружения дефектов структуры. Результаты исследований не позволили установить какого-либо плавно снижающегося по определенному закону вплоть до критической величины параметра, дающего возможность прогнозирования ресурса, что объясняется сложностью и многообразием процессов, приводящих к разрушению изоляции. Поэтому в качестве основы для методики было использовано ускоряющее воздействие повышенных значений напряжения и температуры на время до пробоя проводов.

В процессе исследований ставилась задача на основе известных литературных данных и результатов проведенных экспериментов разработать удобную прикладную методику, обеспечивающую за счет двухкратного варьирования эксплуатационных параметров при небольшом числе испытаний получение достоверных и информативных результатов, не требую щих трудоемкой обработки и дополнительных пересчетов рзсуркых параметров на реальные длины обмоток электродвигателей.

Было установлено, что ресурс связан с напряжением и температурой испытаний следующим выражением:

Г *Л-1Гтеф (-■&-) (8)

где В , /77 , Ея - коэффициенты, характерные для каждого конкретного типа изоляции; Я - универсальная газогая постоянная.

Дня определения параметров В , /77, Еа и последующего расчета ресурса использовалось проведение испытаний проводов при повышенных значениях напряжений и температур, превышающих эксплуатационные по плану двухфакторного эксперимента (табл.3).

Таблица 3

Номер эксперимента Температура Напряжение Ресурс

I и1 Г/,

2 и2 1,2

3 Т2 Гг/

4 Т2 г/2 Ггг

В приведенном плане значение Иг больше , аТ^ больше Т^ При этом, с использованием математического аппарата регрессивного анализа и теории планирования эксперимента были получены следующие выражения для определения коэффициентов:

ИГ

/7= -¿ь/еп Ел

I!2 VI

2^2

где:

Ъ

■ ■ Я

г»

'2

1к тгг г„

Ч

Г/г Ггг

/ ) ? ¿"с/ '

Се/ сн

(9)

(10)

(11)

(12) {13)

bo = 7¡- & Гг/ П2) (14)

Проверка полученных данных по соответствующим статистическим критериям показала обоснованность применения данного аппарата расчетов и адекватность модели, а также позволила установить граница используемых напряжений и температур. Было определено, что для проводов на рабочее напряжение до 1000 В в качестве величины l/í можно использовать напряжение 3,0 кВ, а V/ выбирать в зависимости от рабочего напряжения. Минимальная температура испытаний должна превышать температуру эксплуатации не менее, чем на 10 °С, а максимальная температура не должна быть выше, чем температура начала плавления материала изоляции.

Длина испытуемых образцов провода выбиралась из условия обеспечения зкЕивалентности ресурсных параметров с реальными фазныыи отрез камл в электродвигателях, учитывая, что при испытаниях- приложенное напряжение постоянно по всей длине отрезка провода, а в обмотке элек тродвигателя напряжение снижается от начала фазы до нулевой точки п линейному закону. С использованием двухпараметрического распределе -ния ВеЯбулла для времен до пробоя проводов и зависимости ресурса от напряжения было получено следующее выражение для эквивалентной длины испытуемого образца:

я - Pc&n

í-rrrj3 (15)

где: ?обы - длина фазной обмотки;

j3 - степенной параметр распределения Вейбулла. Например для фазного отрезка длиной 100 м, что является характерной •величиной для погружных электродвигателей эквивалентная длина испыту мого отрезка для исследуемых типов проводов в среднем составляет 5п Полученные значения коэффициентов т в выражении (8) для прово

дов с эмалево-пластмассовой и пластмассовой изоляцией близки к значениям, полученным в предыдущих работах, а энергия активации процессов старения оказалась большей для полиэтиленовой изоляции по сравнению с изоляцией из блокеополимера. Конкретные параметры для различных типов проводов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Тип провода /77 ¿4 кДк/моль Ресурс , ч

0,66 кЗ 0,33 кВ

ПЭВВП с полиэтиле-

новой изоляцией 2,78 -44,5 29273 -

пвдп 2,70 ' -48,1 23421 -

ПЭПТ-В-ЮО 2,96 -29,1 13280 68060

Ресурс для проводов типа ПЭВВП,ПЗДП определен для 80 С, для провода типа ЛЭПТ-В-ТОО для 100 °С.

Проведенные исследования показали, что при обеспечении равной точности экстраполяции предлагаемая методика позволяет по сравнению с однофакторными экспериментами резко повысить информативность результатов и сократить общее время испытаний на менее, чем на 20*25

Глава 6. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИПОВ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ ПОГРгаКЫХ ЭЛШР0ДВИГАТ2Ш И БНВДГОПЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ На основании проведенных исследований был разработан ряд новых типов обмоточных проводов. Для водозаполненных электродвигателей разработана серия обмоточных проводов с утоненной эмалево-пластмассовой изоляцией и пластмассовой изоляцией на основе блоксополимера на рабочую температуру до 100 °С и напряжение 380 и 660 В с параметрами на уровне лучших зарубежных аналогов. Путем исследований ресурсных

параметров, а также по результатам технологического опробования при намотке статоров электродвигателей, были выбраны оптимальные значения толщины изоляции в зависимости от рабочего напряжения и размера токопроводящей гили. При освоении серийного производства указанных проводов бал решен ряд вопросов по технологии переработки новых полимерных материалов на экструзионных агрегатах: проведен выбор оптимальной конструкции формующего инструмента,температурного режима работы экструдера и параметров процесса охлаждения. Внедрение разработанных проводов в производство погружных электродвигателей позволило разработать новые серии машин с улучшенными удельными параметрами -КЦД был увеличен на 1,54-2,5 %, габариты и вес при этом снижены на 30т40 а* Кроме того за счет использования результатов работы были удучае.чы параметры существующих проводов марок ПЭВШ и ПВДП на рабочую теьшературу 80 °С. Пр:шенение оптимизированных конструкций и использование полиэтилена марки 271 позволили увеличить рабочее напряжение с 380. до 660 В без увеличения толщины изоляции.

Результаты исследований проводов с эыалево-пленочной и пленочной изоляцией были использованы для совершенствования технологического процесса их производства. Оптимальный выбор элементов конструкций и технологических параметров обмотки, термообработки и контрольных испытаний позволили повысить производительность и стабильность технологического процесса при изготовлении данной группы проводов.

вывода

1. По результатам расчетов и экспериментальных исследований определена оптимальная структура эмалево-пластмасссвой изоляции обмоточных проводов для водозаполненных электродвигателей. При этом достигнута возможность снижения толщины изоляции на 15*20 % по сравнению с существующими конструкциями.

2. Разработан метод расчета электрической прочности эмалево-пле-яочной изоляции проводов с учетом влияния статистических распределе-

5й параметров каждого из компонентов конструкции. Определены тре-звакия к электрическим параметрам эмалевого покрытия, обеспечив&ю-4е требуемый уровень электрической прочности изоляции провода в це-эм.

3. Предложена усовершенствованная конструкция двухслойной пленоч-:й изоляции, позволяющая повысить уровень и стабильность пробивного злряжеяия проводов.

4. Проведены комплексные экспериментальные исследования полимерах материалов для изоляции проводов, работающих в водной среде. Оп-зделены конкретные типы материалов, обладающие наилучшим уровнем зойств при температурах эксплуатации 80+100 °С.

5. Разработана теоретическая модель для расчета различных физи-э-хикических процессов, протекающих в изоляции проводов при ее кон-акте с жидкой средой. С учетом экспериментальных исследований про -визированы особенности эксплуатации обмоточных проводов с тонко-сеннсй изоляцией, определены дополнительные требования к конструк-5И и материалам.

6. Разработана методика определения ресурса обмоточных проводов водной среде при одновременном ускоряющем воздействии напряжения и змпературы. Ло сравнению с существующими, предложенная методика по-золяет повысить достоверность и информативность результатов и умень-1ть время испытаний.

7. На основе проведенных исследований разработаны новые конструкта обмоточных проводов с параметрами на уровне лучших зарубежных *алогов л усовершенствованы существующие.

8. Усовершенствованы технологические процессы производства сбыточных проводов, обеспечивающие стабильный уровень качества лродук-м.

9. Экономический эффект от внедрения разработанных проводов,по-

лучаеыый за счет улучшения удельных параметров электродвигателей составит 6,0 мдн.руб в год.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Цузенеа В.Ю..Кольцова З.Н.,Гнедин A.A..Мещанов Г.И. Оптимизация конструкций обмоточных проводов водостойкого исполнения. Электротехника, 1933, И2.с.35+40

2. Куэенев B.C. Расчет технологических режимов вулканизации изоляции сидоеых кабелей на основе сшитого полиэтилена в газовой среде. Вопросы расчета, конструирования, производства кабельных изделий. Сб.' научных трудов ВНИЙКП И.,1987. с.41*46

3. Бугрова 1.Д. .Гнедин A.A. .Колькова З.Н..Кузенев B.D. Повышение технического уровня обмоточных проводов для погружного электрооборудования. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Актуальные вопросы повышения качества и надежности кабельных изделий", Москва, 1989. C.2S.

4. Электрический провод с пленочной изоляцией. Положительное решение по заявке на изобретение №47 21060/24-07 от 15.12.89.

5. Кузенев B.D. Исследование электротехнических пластмасс для изоляции водостойких обмоточных проводов. Тезисы докладов У молодежного симпозиума с международным участием "Современные проблемы электротехнической промышленности, СИЕГЛ-90".Варна, Болгария, 1990.

6. Кузенев Б.Ю..Ыещанов Г.И. Моделирование физико-химических процессов в изоляции обмоточных проводов для жидкостнозаполненных электродвигателей. Сб.научных трудов ВНИИКЛ (в печати) 1991 г.

¿HUU/CS7 з&л: г. 35- 91%.