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

МИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОШШЕННОСТИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-кснструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИКП)

Кузенев Виктор Юрьевич

ОБМОТОЧНЫЕ ПРОВОДА С УТОНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ПОГРУЗННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.09.02 - Электроизоляционная и кабельная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском, проектно-конструхторском к технологическом институте кабельной промышленности (ВНШКШ

Научный руководитель - кандидат технических наук Г.Юещанов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

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

Ведущая организация - АО "Гидротехника"

Защита состоится " 2? " лгг/лга-^ 199? г. в ^ ~~-¡ac.

на заседании специализированного совета 3>■ 145 OS"Q-f_во

Всесоюзном научно-исследовательском,проектно-конструкторсксм и технологическом институте кабельной промышленности (IIIII2, Иосива, шоссе Энтузиастов, 5 .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_1991 г.

Ученый секретарь .

специализированного совета А.Г.Григорьян

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных направлений развития современного электромашиностроения является создание оборудования, обеспечивающего, наряду с необходимым техническим уровнем, еысокиз показатели по энерго- и ресурсосбережению. В значительной степени это касается специальных типов электрооборудования, к которым относятся погружные жидкостнозаполненные электродвигатели, применяемые в настоящее время в различных отраслях промышленности. Создание погружного оборудования с улучшенными техникоэкономическими показателям!-; предусмотрено Постановлением СМ СССР ¥773 от 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 также требует проведения широкого круга исследований, необходимых для обеспечения заданной надежности.

Цель работы - совершенствование существующих и разработк новых конструкций обмоточных проводов для погружных лшдкостнозаполнен-кцх электродвигателей на основе оптимального построения структуры изоляции. Для достижения этой цели необходимо решить ряд конкретных задач к числу которых относятся следующие:

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

2) Проведение экспериментальных исследований теплофизических, механических и электрических характеристик экструдируеыых полимерных материалов, 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 параметров изоляции при эксплуатации в жидких средах с воздействием различное факторов;

5) Создание методики ресурсных испытаний проводов, предназначенных утя эксплуатации в водной среде, позволяющей одновременно учитывать ¡гскорящее влияние повышенного напряжения и температуры на процессы :тарения;

6) Разработка конструкций обмоточных проводов для заданных условий применения.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:

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

2) Результаты экспериментальных исследований электроизоляционных ¿атериалов;

3) Результаты теоретических исследований физико-химических провесов. в изоляции проводов, контактирующих с жидкими средами;

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

5) Методика определения ресурса обмоточных проводов, эксплуатируемых в водной среде;

6) Разработанные конструкции новых типов обмоточных проводов.

Методы исследования. При теоретических исследованиях использовались элементы теории вероятности, математической :татистики, теории планирования эксперимента, применялось математичес-сое моделирование физико-химических процессов в изоляции проводов. Методами экспериментального исследования являлись измерения параметров электроизоляционных материалов и проводов при воздействии различных факторов.

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

Выполнен широкий круг исследований полимерных электроизоляционны материалов по комплексу свойств, определяющих работоспособность изоля 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 обмоточных проводов в водной среде при одновременном ускоряющем воздействии по-' вишенных температур и электрических напряжений.

Достоверность пол ученных.результат о б подтверждена экспериментально. Достоверность экспериментальных результатов обосновывается их хорошей воспроизводимостью.

Личный вклад. Все результаты, приведенные в диссертации , получены автором лично или при его непосредственном участии.

Практическая ценность.

На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство новые типы обмоточных проводов с утоненной изоляцией для водозаполненных электродвигателей, выполнены работы по освоению серийного производства обмоточных проводов с эмалево-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 результ тов и упростить процедуру их обработки.

Реал-иаация в народном хозяйстве. Результаты диссертационной работы внедрены в виде:

- серии обмоточных проводов, серийно выпускаемых по

ТУ 16.К71-024-88 "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-пленочной и пленочной изоляцией, выпускаемых по

ТУ 15-705.159-80 "Провода обмоточные теплостойкие с эмалево-пленочной и пленочной полиимидно-фторспластовой изоляцией" заводом "Молдавкабель";

- отраслевой "Методики испытаний по определенна ресурса обмоточных проводов с пластмассовой изоляцией в водной среде"

МИ 16.К00-1П-91.

Апробация работы» Результаты работы докладывались на Воесоюзном научно-техническом семинаре "Актуальные вопросы повышения качества и надежности кабельных изделий" (Москва, 1989) и на У молодежном симпозиуме с международным участием "СИЕПТ-90" (Варна.Болгария)

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в б 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,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК В ОБЛАСТИ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Условия эксплуатации и конструкция погружных электродвигателей требуют применения обмоточных проводов, которые должны обладать высокой стойкостью к воздействию механических и электрических нагрузок при непосредственном контакте с жидкой средой, заполняющей полость двигателя, в качестве которой, в зависимости от типа оборудования используют воду, электроизоляционные масла, а также различные смеси. Из-за тяжелых условий эксплуатации изоляция указанных проводов имеет относительно высокую толщину (0,5+0,6 мм для наиболее распространенных групп), что является одной из главных причин более низких удельных характеристик погружных электродвигателей по сравнении с электрооборудованием общепромышленных серий.

Особенно актуален этот ворос для водозаполненных электродвигателей, обмотка которых для обеспечения необходимой водостойкости выполняется проводами с изоляцией на основе экструдируемых полимеров. Изучение технического уровня показало, что для обеспечения современных требований к водозаполненным электродвигателям толщина изоляции обмоточных проводов должна быть уменьшена на 15+20 % по сравнению с существующими конструкциями, а температура эксплуатации увеличена с 60+80 °С до 90+100 °С, при сохранении необходимой надежности.

Для маслозаполненных электродвигателей наибольшее распространен] получили обмоточные провода с эмалево-пленочной и пленочной полииывд фторопластовой изоляцией, которые при небольшой толщине обеспечивают 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 больнее количество работ, освещающих различные аспекта 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 испытыЕа-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 осноеных ускоряющих факторов снижает достоверность и информативность результатов и увеличивает длительность испытаний. Кроме того недостаточно обоснован выбор длины испытуемых образцов, что требует проведения до-

л мнительных пересчетов ресурсных параметров проводов.

Решению перечисленных задач и посвящена данная работа.

Глава 2. ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ПО ОТНОШЕНИЕ' К РАСПРЕДЕЛЕНИЮ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

При конструировании обмоточных проводов с оптимальной структуро многослойной изоляции большую роль играет обеспечение высокой электрической прочности, которая характеризует не только качество применя кых материалов, ко и наилучшее распределение электрического поля в изоляции, что важно как в процессе эксплуатации проводов, так и при различных испытаниях в составе электродвигателей.

Расчеты распределения напряженности электрического поля в изоля цн;'. обмоточных проводов различных типов для водозаполненных электродвигателей, проведенные по уравнению для системы цилиндрических элен родов:

где: Ц. - приложенное напряжение;

Г - текучий радиус;

£/„,2^ - наружный и внутренний радиусы / -го слоя изоляции; - диэлектрическая проницаемость I -го слоя; показали, что наиболее оптимальной является конструкция, содержащая эмалированную токопроводящую жилу, поверх которой расположен слой пластмассы с более низким значением, чем у эмали, диэлектрической проницаемости, например полиэтилена. В этом случае напряженность п< ля в наибольшей степени снижается у жилы, где всегда имеются выступ; ¡.-аусекцы и другие дефекты, приводящие к локальному увеличению напряженности относительно средней величины. С целью подтверждения расчетных данных были проведены экспериментальные исследования, в ходе

зторых на образцах обмоточных проводов, включающих провода с о-лале-э-пластмассовой и Однородной пластмассовой изоляцией ка оснсве по.г:-силена высокой плотности, провода с двухслойной пластмассовой изолл-1ей типа ПВДП и с эмалево-поливинилхлоридной изоляцией типа ПЭЕЕП, тределялись электрическая прочность и стойкость к электрическому с-:--гнию при повышенных напряжениях. По результатам исследования было у.-шсвлено, что эмалевс-пластмассовая изоляция с оптимальным распрелг-знием электрического поля, обладает более высокими электрическими па-аметрами по сравнению с другими конструкциями, в том числе т::па ЗБШ, где диэлектрическая проницаемость слоя пластмассы выше, чем у чат. В итоге оптимизация позволяет уменьшить толщину изсляшокногс зкрытия проводов на 10+20 % без ухудсения основных характеристик.

Исследования обмоточных проводов с эмалево-пленочноЯ изоляцией, которых слой пленки расположен поверх эмалированной токспровсдяцел нлы, проводились с целью определения условий, при которых данная ком-инация материалов способна обеспечить необходимый стабильный уровень лектрической прочности изоляции при ее заданной толщине. Для этого был роведзн теоретический анализ распределения напряженности элехтричес-эго поля в изоляции и условий электрического пробоя при различных очетаниях диэлектрических свойств эмалевого и пленочного ксмпснен-ов. Установлено, что при выполнении условия:

(2)

де: Ц-прм - пробивное напряжение эмалевого покрытия;

¿лу - диэлектрическая проницаемость эмалевого покрытия;

- радиус провода по эмали;

Ипр пл - пробивное напряжение пленочной изоляции;

- диэлектрическая проницаемость пленки;

к па - минимальная толщина пленочной изоляции;

радиус жилы,

слой эмали обеспечивает увеличение пробивного напряжения изоляции

провода в целом, которое при этом определяется выражением:

с р гэм

11пР - (3)

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 (2) и (3) был разработан специальный численный алгоритм, основанный на использовании методов теории вероятности. Расчеты по' ;.а;шому алгоритму на ЭВМ позволили определить требования к электрической прочности эмалевого покрытия обмоточных проводов марки ДЭИ-201 в которых поверх слоя полиамидимидной эмали расположен слой полимид-нэ-фторопластовой пленки, намотанной с перекрытием 66 %. Для стабильного обеспечения требуемого уровня пробивного напряжения прово-дое среднее значение пробивного напряжения эмали должно составлять не менее 6,0 кВ при минимальном значении не менее 4,0 кВ, 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:

где: к,, шаги обмотки первого и второго слоев пленки;

& > ег - величины технологических зазоров первого и второго слоев пленки; р - периметр провода, не оказывает влияние взаимное направление обмотки слоев пленки и попытки повышения электрической прочности изоляции за счет изменения направления и шагов обмотки не дают ощутимых результатов. На основании выполненных исследований предложена конструкция провода, в котором слои пленки наложены в одном направлении с одинаковым шагом, а н;жняя кромка верхней пленки и верхняя кромка нижней пленки входят в зацепление между собой и фиксируют взаимное расположение пленок и сдвиг кромок относительно друг друга на уровне 10*60 % сага обмотки. Использование предложенной конструкции изоляции в проводах типа ППИ-У позволило повысить уровень пробивного напряжения на 10+ 15 % и уменьшить его среднеквадратичное отклонение в 2+3 раза.

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

Глава 3. Э1рЕРИМЕНТАШЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛШЕШК МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ 0Ш0Т0ЧНЫХ ПРОВОДОВ, РАБОТАЮЩИХ В ВОДНОЙ СРЦЦЕ

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

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

материалов, включая поливинилхлоридные лластикаты, 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 воздействии воды, повышенных температур и напряжений;

- определение удельных параметров влагопереноса.

Исследования проводились на современном испытательном оборудовании, включая испытательный комплекс для термоанализа фирмы "Дюпон", США, разрывную машину с термокамерой фирмы " ",ФРГ, комплект

оборудования для электрических испытаний " Те Не* ".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 цроводились 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 рисЛ. показаны результаты испытаний различных типов поливинилхлоридных пластикатов I, 2, полиэтиленов высокой плотности, полученных по суспензионному 3 и газофазному 4 методам, блоксополимера пропилена с этиленом 5. Видно,

РисЛ. Зависимость сопротивления изоляции от температуры

что поливинилхлоридные пластикаты 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.

Полиолефиновые материалы выбирались по результатам элехтричес -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. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНГАЛШЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОЗ В ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВДЦКИМИ СРВДАМИ

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 и растворенных в ней веществ вглубь изоляции;

- вышвание из изоляции низкомолекулярных добавок и продуктов химических реакций;

- различные виды 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 & °а

2 Массоемкость С кг/°М

3 Удельная массоемкость с 1/°Ы

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

5 Сопротивление массопереносу s с.°Ы/кг

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

Г ¿fo' . 9 Wf Jf + ¿

dr

fki-dio +2 Bit-eu + p.f

Su

c¿; ÁM + 2 6¿¡-ó¿¡.t + 2 6¿¡-e¿/<t + p _ c f cLv Sit+$L¡-t Síf + Sij+f 4

r . de in , Г) 6 In - Bin-t , 9 &ín -&СЖ. , P; - o

Cin "7F +2 +Sin-< ~sTn Ln

где 90 - потенциал массопереноса L -го вещества в окружающей жидкости,который зависит от концентрации L -го вещества; 9¿¡, &¿j , 6¿n-потенциалы массопереноса L -го вещества в первом, ^-ом,л -ном слоях изоляции; Ci, , C¿j , C¿n - соответствующие массоемкости; Рц , P¿¿ Pin - соответствующие источники массопотоков; S¿t , S¿j , S¿n ~ сопротивления переносу L -го вещества соответствующих слоев изоляции.

Рис. 2. Схема замещения изоляции При этом массоемкость и сопротивление массопероносу I -го вещества для у -го слоя изоляции определялись:

Сц^сц-^и)«-^) (б)

Ц (7)

где С ¿у , Л ¡у - удельная массоемкость и коэффициент массопровод-ности I -го слоя изоляции по I -му веществу; ^ - плотность материала ! -го слоя; - внутренний диаметр ^ -го слоя; -наружный диаметр ^ -го слоя.

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

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

Расчеты диффузии воды в изоляцию 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 -мостабилизаторов из пластмассовой изоляции показали, что даже 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-лево-пластмассовой 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 гидролптичес -кая стойкость. По этой причине для проводов на рабочую температуру до 100 °С была выбрана эмаль на основе лаков "винифлекс" или "мэ-тальвин", а более нагревостойкая (в обычных условиях) полиэфирная эмаль может быть использована только для проводов на рабочую температуру до 80 °С.

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

Глава 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА ОШОТОЧ-НЫХ ПРОВОДОВ В ВОДОЙ СЩЕ ПРИ ДВУХКРАТНОМ ВАРЬИРОВАНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

В работе выполнен большой объем исследований влияния различных факторов на старение изоляции обмоточных проводов при эксплуатации в водкой 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 требующих трудоемкой обработки и дополнительных пересчетов ресурных параметров на реальные длины обмоток электродвигателей.

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

Т-Ви-техр(-&) са>

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

Для определения параметров В , гп , Еа и последующего расчета ресурса использовалось проведение испытаний проводов при повыиен-ных значениях напряжений и температур, превышающих эксплуатационные по плану двухфакторного эксперимента (табл.3).

Таблица 3

Номер эксперимента Температура Напряжение Ресурс

I и, Г/,

2 Т1 и* и

3 Т2 У, Тг,

4 Т2 ш

В приведенном плане значение ¿/г больше И/ , а Т^ больше Тт. При этом, с использованием математического аппарата регрессивного анализа и теории планирования эксперимента были получены следующие выражения для определения коэффициентов:

С А = -

Ж ш

2Ьг

где:

ч

.¿-Л т, г,

Я

Ун Сгг

4 = ± г'2 Гзг } * 1 Г*/ Т<{ /

(9)

(10) (И)

(12) (13)

¿о = / ¿п (Г,, Г,2 Г.г/ Г*2) (14)

Проверка полученных данных по соответствующим статистическим критериям показала обоснованность применения данного аппарата расчетов и адекватность модели, а также позволила установить границы используемых напряжений и температур. Было определено, что для проводов на рабочее напряжение до 1000 В в качестве величины И*- можно использовать напряжение 3,0 кВ, а 1!( 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.

Даша испытуемых образцов провода выбиралась из условия обеспечения эквивалентности ресурсных параметров с реальными фазными отрезками в электродвигателя«, учитывая, что при испытаниях приложенное напряжение постоянно по всей длине отрезка провода, а в обмотке электродвигателя напряжение снижается от начала фазы до нулевой точки пс линейному закону. С использованием двухпараметрического распределе -ния Вейбулла для времен до пробоя проводов и зависимости ресурса от напряжения было получено следующее выражение для эквивалентной длины испытуемого образца:

е> =

ÍOSM

/ - rrtJ3 (15)

где: ёаби - длина фазной обмотки;

уЗ - степенной параметр распределения Вейбулла. Например для фазного отрезка длиной 100 м, что является характерной чвеличиной для погружных электродвигателей эквивалентная длина испыту« мого отрезка для исследуемых типов проводов в среднем составляет 5 п Полученные значения коэффициентов т в выражении (S) 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 блоксополимера. Конкретные параметры для различных типов проводов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Тип провода т Еа, кДж/моль Ресурс » ч

0,66 кВ 0,38 кВ

ПЭВВП с полиэтиле-

новой изоляцией 2,78 -44,5 29273 -

тщц 2,70 -48,1 23421 -

ПЭПТ-В-ЮО 2,96 -29,1 13280 68060

Ресурс для проводов Tima ПЭВБП.ПДЩ определен для 80 °С, для провода типа ЛЗПТ-В-100 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 ПОГРУЖНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ»! И ВНЕДРЕН Е РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОШ

На основании проведенных исследований бьш 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 жилы. При освоении серийного производства указанных проводов был 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 -КПД был увеличен на 1,5т2,5 %, габариты и вес при этом снижены на ЗСт40 %. Кроме того за счет использования результатов работы были улучшены параметры существующих проводов марок ПЗВЕЛ и ПВД1 на ра-бочуэ температуру 80 °С. Применение оптимизированных конструкций и использование полиэтилена марки 271 позволили увеличить рабочее напряжете с 360 до 660 В без увеличения толщины изоляции.

Результаты исследований проводов с эмалево-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 эыалево-пластмассовой изоляции обмоточных проводов для водозаполненных электродвигателей. При этом достигнута возможность снижения толщины изоляции на 15+20 % по сравнений с существующими конструкциями.

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

шй параметров каждого из компонентов конструкции. Определены тре-ювакия к электрическим параметрам эмалевого покрытия, обеспечивание требуемый уровень электрической прочности изоляции провода в це-юм.

3. Предложена усовершенствованная конструкция двухслойной пленсч-юй изоляции, позволяющая повысить уровень и стабильность пробивного гапряжения проводов.

4. Проведены комплексные экспериментальные исследования полимер-;ых материалов для изоляции проводов, работающих в водной среде. Оп-эеделены конкретные типы материалов, обладающие наилучшим уровнем ¡всйств при температурах эксплуатации 80+100 °С.

5. Разработана теоретическая модель для расчета различных физи-со-хкмических процессов, протекающих в изоляции проводов при ее контакте с жидкой средой. С учетом экспериментальных исследований про -шализированы особенности эксплуатации обмоточных проводов с тонко-гтенной изоляцией, определены дополнительные требования к конструкции и материалам.

6. Разработана методика определения ресурса обмоточных проводов з водной среде при одновременном ускоряющем воздействии напряжения и температуры. По сравнению с существующими, предложенная методика позволяет повысить достоверность и информативность результатов и умень-вить время испытаний.

7. На основе проведенных исследований разработаны новые конструкции обмоточных проводов с параметрами на уровне лучших зарубетлых аналогов л усоверсэнствованы существующие.

8. Усовершенствованы технологические процессы производства обмоточных проводов, обеспечивающие стабильный уровень качества продукции.

9. Экономический эффект от внедрения разработанных проводов,по-

лучаемый за счет улучшения удельных параметров электродвигателей составит 6,0 млн.руб в год.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Кузенев B.D..Кольцова З.Н.,Гнедин A.A..Мещанов Г.И. Оптимизация конструкций обмоточных проводов водостойкого исполнения. Электротехника, 1983, »12.с.35+40

2. Кузенев B.D. Расчет технологических режимов вулканизации изоляции силовых кабелей на основе сшитого полиэтилена в газовой среде. Вопросы расчета, конструирования, производства кабельных изделий. Сб.' научных трудов ВНИИНП 11. ,1987. с.41+46

3. Бугрова Л.Д..Гнедин A.A. .Колькова З.Н.,Кузенев B.C. Повышение технического уровня обмоточных проводов для погружного электрооборудования. Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Актуальные вопросы повышения качества и надежности кабельных изделий", Москва, 1989. С.29.

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

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

6. Кузенев B.C..Ыецанов Г.И. Моделирование физико-химических процессов в изоляции обмоточных проводов для жедкостнозалогненных электродвигателей. Сб.научных трудов ВНИШШ (в печати) 1991 г.