автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления пропитанной композиционной изоляции электрических машин

РГ5 ОД

Ш Ш

На правах рукописи УДК 621.313.048:621.315.6! СТУПИНА Виктория Константиновна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОПИТАННОЙ КОМПОЗИЦИОННОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Специальность 05.09.02. - Электротехнические материалы и изделия

Автореферат диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре "Электрическая изоляция, кабели и конденсаторы" Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Сажин Б.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Волокобинский Ю. М. кандидат технических наук Пак В.М.

Ведущая организация: АО "Электросила",

г. Санкт-Петербург.

Защита состоится ".У " <и*ОК<Я- 2000 г. в часов на заседании Диссертационного Совета К 063.38.21 Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета по адресу:

195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, главное здание, ауд.^£

Отзыв на автореферат просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан "_"__2000 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент , У/ Кулаков С .Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы определяется необходимостью повышения надежности изоляции электрических машин, что можно обеспечить, в первую очередь, совершенствованием технологии пропитки. Совершенствуются применяемые пропиточные составы (ПС), способы пропитки, методы контроля процесса пропитки изоляции. Актуальной задачей является также выявление наиболее перспективных направлений интенсификации пропитки.

Несмотря на наличие публикаций, посвященных разработке методов контроля пропитки, говорить о решении проблемы преждевременно. Дорогостоящая вакуум-нагнетательная установка для пропитки изоляции типа '"монолит", снабженная необходимыми датшками контроля режимов пропитки, в том числе стадии пропитки по величине емкости, доступна далеко не всем заводам-изготовителям и ремонтным организациям. А ее применение при мелкосерийном производстве и ремонтных работах экономически нецелесообразно из-за большого расхода компаунда.

Поэтому представляется актуальной задача разработки комплексного метода контроля процесса пропитки - вязкости пропиточного состава и стадии пропитки, а также нового способа пропитки с использованием электрического поля. Комплексный метод контроля позволил бы регулировать режимы пропитки (вязкость компаунда, температуру пропитки Т1ф, время пропитки т), что повысило бы качество пропитываемых изделий, а новый способ пропитки - отказаться от весьма сложного и дорогостоящего технологического процесса - вакуумирования.

В данной работе предлагаются методы контроля вязкости ПС, самого процесса пропитки; приведены исследования возможности интенсификации пропитки методом погружения под воздействием электрического поля промышленной частоты.

Работа выполнялась в соответствии с программами "Университеты России", направление НТП "Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России" (энергосистема России), 1992 - 1996 г.г., раздел 9.

Цель диссертационной работы состояла в изучении кинетики пропитки систем изоляции (СИГ), разработке методик контроля вязкости ПС на стадии пропитки и самого процесса пропитки, исследовании возможности ускорения пропитки при воздействии переменного электрического поля частотой 50 Гц.

Научная новизна результатов, полученных в работе, состоит в следующем:

- впервые предложен метод автоматического контроля вязкости ПС по величине проводимости;

- предложена методика контроля процесса пропитки, основанная на измерении тока полной проводимости на частоте 100 Гц;

- впервые проведены экспериментальные исследования, показавшие возможность использования электрического поля для интенсификации процесса пропитки.

Практическая ценность результатов, полученных в работе:

- предложенный метод контроля вязкости ПС позволяет оценить состояние Г1С на любой стадии пропитки по величине проводимости (активной G или полной на частоте 100 Гц Yjoo);

- предложенная методика контроля процесса пропитки позволяет регулировать режимы пропитки (температуру, время пропитки), определять стадию пропитки и момент ее завершения;

- применение сил электрического поля частотой 50 Гц интенсифицирует процесс пропитки.

На защиту представляются:

- метод автомата чес ко го контроля вязкости ПС по величине проводимости;

- метод контроля самого процесса пропитки, позволяющий повысить качество изготавливаемых изделий и снизить производственный брак;

- метод пропитки в электрическом поле, позволяющий ускорить процесс пропитки, что особенно актуально для СИ с большой толщиной изоляции. Технология пропитки в электрическом поле в сочетании с комплексным методом контроля вязкости и процесса пропитки позволяет заменить дорогостоящую вакуум-нагнетательную технологию пропитки (ВИТО) при мелкосерийном производстве или ремонтных работах.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики и результаты экспериментальных исследований используются в АО "Электросила" г. Санкт-Петербург и ОАО "Завод электроизоляционных материалов Элинар" п.Атепцево Нарофоминского района Московской области, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные результаты, положения и выводы работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Фундаментальные исследования в технических университетах, С.Петербург, 1997.

2. 12th International Conference "Dielectric and insulating systems in electrical engeneering", Bratislava, 1998.

3. Международная научно-техническая конференция "Изоляция-99", С.-Петербург, 1999.

4. 4ft UEES'99 "Unconventional electromechanical and electrical systems", С.-Петербург, 1999.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 78 работ отечественных и зарубежных авторов, пяти приложений, в том числе материалы о внедрении, список условных обозначений и сокращений. Общий объем диссертации 164 страниц, в том числе 102 страниц основного текста, 37 страниц с рисунками и 25 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель работы, сформулирована научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе - литературном обзоре - описаны конструкции и технологии изготовления СИ, рецептура и особенности ПС, способы пропитки СИ, основные разработки в области контроля технологических процессов изготовления СИ, также развернута гипотеза о возможности влияния элекгрического поля на процесс пропитки.

Рассмотрены основные направления совершенствования СИ:

- внедрение в производство новых ПС и выбор технологических режимов работы с ними;

- совершенствование технологии пропитки традиционно используемыми составами;

- создание новых технологий пропитки.

Отмечается, что внедрение Г1С для пропитки СИ применительно к различным классам электрических машин связано со следующими проблемами:

- в СИ типа "монолит" с рабочей температурой 130-155°С при использовании ВНТП используются эпоксидные компаунды (ЭПК). Большой производственный опыт применения этих компаундов показал, что существенным их недостатком является ограниченный срок технологического использования. Для устранения этого недостатка осуществляется модификация введением флексибилизаторов, которые позволяют снизить Тпр и тем самым повысить жизнеспособность компаундов.

- для СИ с рабочей температурой 180°С при использовании кремшшорганических (КО) составов возникают проблемы, связанные с выделением низкомолекулярных продуктов. Ставится задача исключения из ПС КО соединений.

Обосновывается необходимость методов контроля качества пропитки. Рассматриваются существующие разработки методов контроля качества пропитки, которые условно можно разделить на три группы:

1) оптические методы, основанные на явлении светопропускашш и предназначенные только для стекловолокнистых листовых материалов;

2) методы контроля качества пропитки по привесу ПС;

3) емкостные методы, основанные на явлении роста емкости в процессе пропитки.

Ставится задача создания новых технологий пропитки с целью ускорения процесса, снижения его трудоемкости, а также снижения Т„Р.

Во второй главе описаны объекты исследований и методика проведения экспериментов.

Объектами данного исследования являлись следующие СИ:

1. Полиимидная лента толщиной 0,04 мм 4 слоя в 1/2 нахлеста + 1 слой ЛЭС 0,1 х 2,0 в 1/2 нахлеста. Толщина изоляции - 0,52 мм. Условное обозначение ПМ.

2. Стеклосшодинитовая лента ЛСКН-160 ТТ толщиной 0.13 мм 4 слоя в 1/2 нахлеста + 1 слой ЛЭС ОД х 2,0 в 1/2 нахлеста. Толщина изоляции - 1,24 мм. Условное обозначение СЛ-1.

3. Стеклослюдинитовая лента ЛСКН - 160 ТТ толщиной 0,18 мм 4 слоя в 1/2 нахлеста + 1 слой ЛЭС 0,1 х 2,0 в 1/2 нахлеста. Толщина изоляции -1,64мм. Условное обозначение СЛ-11

Образцы представляют собой собранные вместе четыре медные тины с непрерывно нанесенной на них СИ.

ПС:

1. ПК-11 - эпоксидный компаунд, модифицированный полиэфиром; в качестве отвердителя используется метилтетрафгалевый ангидрид. Класс нагревостойкости 130-155°С.

2. БИД - 9004, компаунд, представляющий собой композицию ненасыщенного олигоэфиримида с нелетучими целевыми добавками. В состав БИД - 9004 введен огвердитель - 50 % раствор перекиси дикумила в дибутилфталате в количестве 2 %. Изготовитель компаунда - АО " Электросила ". Класс нагревостойкости 180-200°С.

3. Касторовое масло (КМ) - модельная жидкость.

Исследование зависимости кинематической вязкости от температуры проводилось при помощи вискозиметра ВПЖ-2 и ультратсрмостата ЦЩ-2/77, погрешность поддержания температуры которого ±0,5°С. Исследование зависимости активной проводимости от температуры проводилось при помощи автоматического цифрового измерителя Е7-8 и тераомметра Е6-13А, а полной проводимости по схеме, соответствующей положению 2 переключателя на рис.1, из которой полная проводимость определялась как

V - и*^Си

где ии - напряжение на измерительном конденсаторе, со- угловая частота; Си=0,1мкФ-измерительная емкость-эталон, Ц—ЗОВ - напряжение на генераторе.

Измерительная ячейка для изучения диэлектрических свойств ПС представляет собой металлический сосуд с цилиндрическими электродами.

Диэлектрическая проницаемость ПС на частоте 1000 Гц определялась как е=Ск/С„, где Ск — емкость конденсатора с ПС, СЕ - емкость конденсатора с воздушным наполнением. Емкость и tg 8 измерялись при помощи цифрового измерителя Е7-8 с фиксированной частотой 1000 Гц.

Пропитка производилась методом погружения с предварительной сушкой образцов (в течение двух часов при температуре 120°С) и нагревом до температуры пропитки.

гт тт

Объект

исследо-

вания

1

и„

вн

Рис.1. Экспериментальная установка: Т- термостат; Г- генератор; Е7-8 - цифровой автоматический измеритель С, в, ^ 5, Я; Е6-1 ЗА - тераомметр.

Изучение процесса пропитки основывалось на измерении тока полной проводимости, проходящего через диэлектрик и анализа его зависимости от времени (рис. 1 - положение 2).

Измеряемый показатель и„ зависит от явлений, происходящих в изоляции в процессе пропитки, а они существенно отражаются на величине диэлектрических потерь:

С„

Методика пропитки и контроля при воздействии электрического поля заключалась в следующем: сначала измеряли ии не пропитанной изоляции, нагретой до температуры пропитки, - в положения переключателя 2 (рис.1); затем образцы погружали в ПС и в начальный момент времени фиксировали ии. После чего переключатель (рис.1), переводили в положение 1, на стержень при этом подводили высоковольтный провод, а электрод по поверхности изоляции заземляли. Создаваемое электрическое поле поддерживали постоянно в процессе пропитки с короткими интервалами для проведения измерений. В каждом эксперименте участвовало не менее трех одинаковых образцов.

Третья глава посвящена разработке методик контроля вязкости ПС и контроля процесса пропитки.

Первоначально исследовались свойства реальных ПС - компаундов, используемых для пропитки систем изоляции обмоток электрических машин, и модельной жидкости - касторового масла.

Выбор модельной жидкости основывался на следующих требованиях:

s доступность;

• экологическая безопасность;

• значения вязкости и диэлектрической проницаемости, сравнимые с вязкостью и Д1«лсетрическои проницаемостью компаундов;

• достаточный срок технологического использования, то есть стабильность вязкости в течение длительного времени.

В соответствии с этими требованиями в качестве модельной жидкости выбрано КМ. Гак, параметры КМ из литературных источников: кинематическая вязкость при 50 °С — (130-134) ■10"6 м /с; при 90 °С ~ (20-25) ■10"6 м2/с; огносительная диэлектрическая проницаемость при 20 °С - 4-4,5, что соответствует полученным экспериментальным данным.

В третьей главе показано, что вязкость компаундов нарастает в процессе использования и хранения, что связано с процессом полимеризации. Этот факт значительно ухудшает качество пропитываемой изоляции. На производстве производят регулярное обновление компаунда. Поэтому для настоящих экспериментальных исследований была использована модельная жидкость, позволяющая снизить расход пропиточной жидкости.

На основании изученных свойств ПС (вязкости, проводимости, tg 5, е) предложено использовать величину проводимости для характеристики физического состояния ПС (вязкости). Выбрана частота напряжения для измерения полной проводимости - 100 Гц, при которой наблюдается влияние температуры, определяющей вязкость, на величину измеряемого показателя полной проводимости UH (рис.2).

Установлены параметры зависимости вязкости от полной проводимости, измеренной на частоте 100 Гц, и активной составляющей проводимости. Установлено, что для компаундов IIK-11 и БИД-9004 и КМ правило Вальдена-Писаржевского не выполняется, что связано с увеличением концентрации носителей заряда с повышением температуры вследствие тепловой диссоциации молекул. Зависимость вязкости от проводимости указанных жидкостей описывается соотношением у = А • YB, где А = const, В= const.

Для характеристики состояния ПС предпочтение отдается активной составляющей проводимости, вследствие возможности непрерывного контроля при помощи существующих автоматических приборов.

На основании существующей зависимости между вязкостью и проводимостью (рис.3) возможно создание на производстве блока автоматического контроля вязкости пропиточных составов в процессе пропитки.

Рис.2. Зависимость ии от частоты при различных температурах для компаунда ПК-11(аналогичные данные получены для компаунда БИД-9004).

Рис.3. Зависимость между вязкостью и активной проводимостью для

компаунда ПК-11.

Разработка методики контроля процесса пропитки заключалась выборе частоты приложенного к изоляции напряжения (рис.1), выборе критерия оценки стадии пропитки и отработке методики проведения эксперимента.

Показано, что исследование кинетики прогштки также как и исследование зависимости полной проводимости ПС от температуры целесообразно проводить при частоте испытательного генератора 100 Гц (рис.4).

ии,мВ 90

80

70 ..

60

50

40 ..

30

20

.....ф

•--------------

------^^ ёх\----------""

3- —8

* ч

50 Гц 100 Гц

500 Гц 103 Гц

104 Гц

105 Гц

20

40

60

80

мин

Рис.4. Изменение ии со временем пропитки ПМ СИ в компаунде ПК-11 при различных частотах

Первоначально за критерий пропитки была принята величина Кпр, равная отношению полных проводимостей изоляции в пропитанном ¥11р(1) и сухом состояниях У(0): К1Т1)=УЧ)(1)/У(0).Однако абсолютное значение коэффициента пропитки не может быть принято за достоверный критерий степени пропитки, т.к. зависит от ряда факторов: плотности намотки (рис.5), системы изоляции (рис.6), проводимости пропитывающей жидкости (рис.7), температуры пропитки (рис.8). Таким образом, за критерий пропитки было принято время х, соответствующее стабилизации зависимости Кпр(0. Во всех рисунках, отражающих зависимость Кпр(0, приведены кривые по одному образцу с характерным временем пропитки для каждого режима пропитки. В

каждом эксперименте участвовало не менее трех одинаковых но плотности намотки образцов. Плотность намотки определялась по величине К1ф, так как она отражает набор массы ПС изоляцией. Очевидно, что чем слабее намотка изделия, тем больше массы Г1С наберет образен. Так как У„г0)>У(0) и Упс>Увозд , то Кир= У11р(1)/У(0) тем больше, чем слабее намотка (рис.5). Таким образом, по величине Кпр можно контролировать плотность намотки образцов в процессе эксперимента, а данные, полученные по образцам резко отличающимся по плотности намотки, не подвергать статистической обработке. Для полученных значений I проводилась статистическая обработка.

Кпр

30

25

20 15 10 5 0

0 20 40 60 80 100 МИН

Рис.5. Зависимость коэффициента пропитки от времени пропитки трех образцов СИ СЛ-1, пропитываемых в одинаковых условиях, в компаунде ПК-11при температуре 60 °С (проволочный электрод).

Зависимость Кпр(0 убедительно отражает различие в механизме пропигки различных систем изоляции (рис.6), что подтверждает правильность выбора критерия пропитки:

- для ГТМ-изоляции процесс пропитки происходит преимущественно в продольном направлении - ПС движется вглубь изделия по зазорам между слоями;

- для СЛ-изоляции пропитка происходит как в продольном, так и в поперечном направлении.

Кпр 16

14

12

10 8

6

4

2 0

СЛ-1 1

- #

/ 1

« / /

/

ПМ

агС 1

%

мин

О 20 40 60 80 100 120 140 160

Рис.6. Механизм пропитки при температуре 70 °С двух систем изоляции - СЛ-1 и ПМ в компаунде БИД-9004 (фольговый электрод).

Продольная пропитка обусловлена зазорами между слоями и зависит ш плотности намотки изделия. Продольно-поперечная пропитка кроме плотности намотки зависит еще и от пористости самого диэлектрика.

При продольно-поперечной пропитке движение компаунда в зазора> между лентами и в их толще идет практически одним фронтом. При ВИТГ возможен проскок компаунда: в зазорах между листами его фронт может опережать границу пропитки толщи слюдинитовой ленты.

На величину К1ф оказывает влияние и тип ПС (рис.7) или его проводимость. Рассмотрим как соотносятся максимальные значения К1ф и Уш ПК-11, БИД-9004 и КМ (табл. 1).

Таблица 1

Тип ПС Кир У,оо, мкСм (Т1ГО = 60 °С)

КМ 2,2 0,183

БИД-9004 14,8 8,27

ПК-11 22,8 8,78

'¿V 16 12 8 4 О

{ \

"Л

-------

- " — ■ 1

ПК-11

БИД-9004

КМ мин

О 20 40 60 80 100 120

Рис.7. Влияние типа пропитывающей жидкости на величину коэффициента пропитки. СИ-СЛ-1, Тпр=60°С. (Данные по компаунду БИД-9004 получены при использовании фольгового электрода).

70°С 30°С

50°С

0 20 40 60 80 100 120 140

мин

Рис.8. Типичные зависимости Кпр (I) при различных температурах для изоляции СЛ-1, пропитываемой в ЛК-11(проволочный электрод).

Из табл.1 видно, что К11р(КМ) < К1ф(БИД-9004) < КГ!],(ПК-11) и У(КМ) < У(БИД-9004) < У(ПК-11)

Кроме того, чем больше проводимость ПС, тем больше значение К1!р. Тогда как значение т зависит только от вязкости ПС. Так, времена пропитки т в КМ при 58°С и в ПК-11 при 60°С, когда вязкость КМ не отличается от вязкости ПК-11, одинаковы и равны 70 мин. (рис.7).

Рост величины Кпр с температурой также обусловлен ростом проводимости с температурой (рис.8). На рис.8 изображены зависимости Кпр=1'0) для изоляции СЛ-1, пропитываемой в ПК-11 при различных температурах. Нетрудно увидеть, что с повышением температуры уменьшается время пропитки г. Уменьшение времени пропитки с ростом температуры объясняется уменьшением вязкости с ростом температуры. Так, уменьшению времени пропитки со 105 мин.(при 70 °С) до 45 мин. (при 50 °С) соответствует уменьшение вязкости с 1,89 10^ м2/с до 0,59 Ю-4 м2/с. Аналогичные результаты получены и при пропитке СЛ-1 СИ в модельной жидкости КМ и в компаунде БИД-9004.

Таким образом, разработаны методики контроля вязкости ПС на стадии пропитки по величине проводимости и самого процесса пропитки по характеристическому времени т, соответствующему стабилизации зависимости К„р=1П). Величина же К,,р отражает плотность намотки изделия.

Отработка методики проведения эксперимента заключалась в анализе пропитанных образцов. Первоначально использовалась следующая электродная система: на слой изоляции наносились фольговые электроды протяженностью 60 мм и прижимались термостойкой лентой для обеспечения наилучшего контакта с поверхностью изоляции.

После окончания пропитки проводился анализ пропитанных образцов, для чего послойно снималась изоляция, и визуально контролировалось качество пропитки.

В ряде случаев, особенно при низкой Тпр, было огмечено наличие непропитанных областей под внешним фольговым электродом. Это объясняется отсутствием предварительной вакуумной сушки образцов, в результате чего в толще изоляции оставалось большое количество воздуха. В процессе пропитки образцы целиком погружались в пропитывающий состав, который проникал в обмотку с обоих торцов. При данной конструкции электрода в толтце изоляции образовывались герметичные воздушные полости, в которые не проникал пропитывающий состав, в связи с чем, большое количество экспериментов прошло неудачно.

Для обеспечения возможности выхода воздуха из обмотки была изменена конструкция внешнего электрода, и во второй серии экспериментов использовался проволочный электрод - на слой изоляции наносили многожильную медную проволоку в виде спирали на длине 60 мм.

В табл.2 представлены результаты экспериментов при различных конфигурациях электродов. Замена фольгового электрода на проволочный позволяет снизить время до насыщения в два раза. Визуальный контроль

пропитанных образцов показал, что при использовании проволочнСГР электрода непропитанные области в толще изоляции отсутствуют.

Таблица 2.

К выбору электродной системы. Среднее время пропитки СЛ СИ в компаунде ПК-11 при различных конфигурациях электродов, мин.

Злегстрод

Фольговый "210 " 150 ~

Прогулочный

"Г 125

75

В четвертой главе приведены расчетные данные и экспериментальные исследования влияния электрического поля на процесс пропитки. ГТрн расчетном моделировании процесса пропитки в электрическом поле было допущено некоторое приближение: производился расчет электростатического поля, а не электромагнитного; кроме того, предполагалось, что пропитка осуществляется продольно, то есть ПС проникает в воздушные зазоры между слоями изоляции вдоль обмотки. Это приближение связано с возможностями использовавшегося программного продукта.

Расчеты показали, что максимальное значение напряженности электрического поля наблюдается в области под верхним электродом, также как и максимальная величина составляющей Гц механической силы действующей на ПС. Причем величина этой силы значительно возрастает при увеличении приложенного напряжения. Отсюда можно сделать следующие выводы:

1) так как наибольшая величина механической силы наблюдается под верхним электродом, то можно ожидать сокращение времени пропитки при более длинном электроде;

2) при продольной пропитке увеличение приложенного напряжения в 3 раза приводит к увеличению действующей механической силы на порядок, а, следовательно, и к увеличению скорости продольной пропитки.

Первая серия экспериментов по влиянию электрического поля была троведена при использовании фольгового электрода.

В табл.3 приведены результата пропитки при различных температурах \ величинах приложенного напряжения СИ СЛ-П в ПК-11 с использованием тух типов электродов и СИ СЛ-1 в КМ (данные в скобках) при «¡пользовании проволочного электрода.

Из табл.3 видно, что приложение электрического поля приводит к ;окращешпо времени пропитки при относительно невысоких температурах 50-60) °С. Так, при использовании спирального электрода при 7пр до 60 °С зремя пропитки сокращается в среднем на 25%, при этом повышение зеличины приложенного напряжения 1/ш с 1 до 3 кВ не влияет скорость тропитки СЛ-П в ПК-11 и СЛ-1 в КМ.

Таблица 3.

Среднее время пропитки тср, мин. В электрическом поле при различных _ температурах и приложенном напряжении. _

СИ/ПС Тип 50°С 60°С 70°С

электрода ив„, В ив„, в и„„, В

0 1 3 0 1 3 0 1 3

СЛ-11/ПК-11 фольговый 210 180 210 150 120 150 - - -

проволочный 125 100 105 75 55 60 45 45 45

СЛ-1/КМ проволочный 70 55 50 60 30 30 20 20 20

При повышении температуры пропитки до 70°С влияния электрического поля на скорость пропитки обнаружено не было, что связано с уменьшением вязкости и увеличением проникающей способности пропиточных составов в толщу изоляции и в отсутствии электрического поля. Однако данный режим не может быть признан оптимальным вследствие существенного снижения жизнеспособности компаундов при повышенных температурах.

Так как расчет сил электростатического поля показал, что величина механической силы много больше под поверхностным электродом, чем на краю обмотки, то проведены экспериментальные исследования этого факта. Эксперименты проводились на СИ СЛ-П с пропиткой в касторовом масле при подаче напряжения 1 и 3 кВ и длиной поверхностного электрода 60 и 110 мм. Пропитка производилась при температуре 46°С, при которой вязкость КМ соответствует вязкости ПК-11 при температуре 50 °С.

Результаты исследований сведены в табл.4. Видно, что при использовании более длинного электрода время пропитки для данной СИ сокращается. Для дальнейших исследований выбрана именно эта длина электрода. Увеличивать далее длину электрода нецелесообразно, вследствие особенности конструкции обмоток и возможности перекрытия по поверхности.

Таблица 4.

Среднее время пропитки в электрическом поле и без него для разной длины __электрода.__

—Дщша электрода,

и, кВ —-ащ 60 110

0 150 мин. 150 мин.

1 130 мин. 120 мин.

3 100 мин. 90 мин.

Исследования влияния величины приложенного напряжения на скорость пропитки проводились на следующих СИ: СЛ-1, СЛ-П и ПМ, которые пропитывались в касторовом масле при Т= 46 °С. Наибольшее

яияние приложенного напряжения наблюдается для СИ ПМ и СЛ-Н (табл.5); то возможно связано с механизмом пропитки и структурой материала. В истеме изоляции ПМ пропитка осуществляется преимущественно родольно, то есть между слоями полиимндной ленты. В СИ СЛ-1, как казывалось ранее, 1гроцесс пропитки идет и продольно и поперечно. В СИ 'Л-11 поперечная пропитка затруднена из-за высокой степени подпрессовки ягадинита.

Таблица 5.

___Среднее время пропитки в электрическом поле различных СИ.

U, кВ

сл-и

СЛ-1~ ПМ

о

150 70 ' 130

1

_1_20_ 55 70

90 55~

"30

Таким образом, увеличение приложенного напряжения в три раза ветгчивает скорость пропитки таких СИ, в которых процесс пропитки идет феимущественно продольно, то есть между слоями изоляции.

Исследования влияния толщины изоляции и слюдобумаги на процесс фопитки проводились на макетах СИ СЛ-1 и СЛ-Н. В одном случае толщина ггеклослюдинитовой ленты составляла 0,13 мм, в другом -О,18 мм. Толщина ¡торого типа ленты больше за счет используемой слюдобумаги.

Пропитка образцов производилась при температуре Т=46° в састоровом масле в следующих режимах: U=0 kB, U=I kB, U=3kB.

В табл.6 представлены результата исследований. Видно значительное >азличие в динамике пропитке этих СИ: насыщение изоляции СЛ-1 наступает /же через 70 минут, тогда как для СЛ-Н - через 150 минут. Аналогичные ханные получены при пропитке в электрическом поле.

Таким образом, время пропитки тонкой СЛ-1 - изоляции в 2 раза иеныне времени пропитки толстой СЛ-И - изоляции. Длительное время лропитки СЛ-П связано с большей общей толщиной изоляции и с меньшей [гористостью и пропитываемостью слюдобумаги по сравнению с изоляцией СЛ-1, из-за чего наблюдается различие в механизме пропитки этих СИ: в СЛ-1 гфопитка осуществляется и продольно и поперечно, а в СЛ-Н -[феимущественно продольно.

Таблица 6.

Среднее время пропитки стеклослюдинитовой изоляции различной толщины.

~——СИ СЛ-П СЛ-1

U, кВ —— с1сИ = 1,64 мм de,, = 1,24 мм

0 150 мин 70 мин

1 120 мин 55 мин

3 90 мин 55 mihi

Заключение. В результате проделанной работы предложен комплексный метод контроля технологии пропитки, основанный на явлении проводимости. Метод позволяет регулировать режимы пропитки (вязкость ПС, температуру пропитки, время пропитки), а, следовательно, избежать преждевременного старения (частичной полимеризации) компаунда и повысить качество пропитываемых изделий.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния электрического поля на процесс пропитки. Установлено, что электрическое поле влияет на скорость пропитки, причем это влияние тем больше, чем ниже температура пропитки, что особенно важно для сохранения жизнеспособности компаунда. Кроме того, электрическое поле способствует пропитке трудно пропитываемых толстых слоев изоляции.

Применение технологии пропитки в электрическом поле в сочетании с комплексным методом контроля позволяет заменить дорогостоящую вакуум-нагнетательную технологию пропитки при мелкосерийном производстве или ремонтных работах. Для внедрения новой технологии необходимы дальнейшие исследования влияния электрического поля на процесс пропитки на натурных обмотках, а также исследования свойств отверждешюй изоляции.

Публикации по теме диссертации.

1. Ваксер Н.М., Старовойтенков В.В., Ступина В.К. Исследование свойств нового пропиточного компаунда БИД-9004 // Фундаментальные исследования в технических университетах: Тез. докл. науч.-техн. конф./ СПбГТУ. - СПб., 1997. - с. 42 - 43.

2. Vakser Nina М., Starovoitenkov Viktor V., Stupina Viktoriya К. Improvement of impregnation technology for class "H" insulation of electrical motors // Dielectric and insulating systems in electrical engineering: 12Л International Conference / Bratislava, 20 - 22 January 1998. - p. 181- 184.

3. Ступина B.K. Совершенствование технолог™ пропитки изоляции обмоток электрических машин // Труды международной научно-технической конференции "Изоляция 99", 15 - 18 июня 1999. - с. 113 - 114.

4. Ваксер Н.М., Старовойтенков В.В., Ступина В.К. Совершенствование технологии пропитки изоляционных систем высоковольтных электрических двигателей //4th UEES'99 "Unconventional electromechanical and electrical systems", volume 3, 21-24 june 1999. - p. 943 - 948.

5. Ваксер H.M., Старовойтенков B.B., Ступина B.K. Совершенствование технологии изготовления пропитанных изоляционных систем // Сборник "Электросила", № 39,2000. - с. 86-91.

6. Ваксер Н.М., Старовойтенков В.В., Ступина В.К. Разработка методов увеличения жизнеспособности компаундов / // Электротехника, № 3, 2000. - с. 30-33.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Конструкция и технология изготовления систем изоляции, технологические требования к ним.

1.2. Рецептура и особенности пропиточных составов.

1.3. Способы пропитки обмоток электрических машин.

1.4. Испытания изоляции обмоток и контроль технологических процессов.

1.4.1. Контроль пропиточных составов.

1.4.2. Испытания изоляции в процессе изготовления.

1.4.3. Контроль процесса пропитки.

1.5. Влияние электрического поля на неоднородную изоляцию и процесс сорбции.

Среди широкого круга проблем научно-производственного характера важнейшей является обеспечение надежности изоляции. Важную роль в повышении надежности и долговечности изоляции электрических машин играет пропитка. Поэтому существенное значение приобретают вопросы качества пропитки изоляции, что в свою очередь, определяется технологией пропитки и контролем технологии.

Несмотря на обилие публикаций, посвященных разработке методов контроля пропитки, говорить о решении проблемы преждевременно. Дорогостоящая вакуум-нагнетательная установка для пропитки изоляции типа "монолит", снабженная необходимыми датчиками контроля режимов пропитки, в том числе стадии пропитки по величине емкости, доступна далеко не всем заводам-изготовителям и ремонтным организациям. К тому же ее применение при мелкосерийном производстве и ремонтных работах экономически нецелесообразно из-за большого расхода компаунда.

Поэтому представляется актуальной задача разработки комплексного метода контроля процесса пропитки - вязкости пропиточного состава и стадии пропитки, а также нового способа пропитки. Комплексный метод контроля позволил бы регулировать режимы пропитки (вязкость компаунда, температуру пропитки, время пропитки), что повысило бы качество пропитываемых изделий, а новый способ пропитки - отказаться от весьма сложного и дорогостоящего технологического процесса - вакуумирования.

В данной работе предлагаются методы контроля вязкости пропиточного состава и самого процесса пропитки, основанные на явлении проводимости; приведены исследования возможности интенсификации пропитки методом погружения под воздействием электрического поля промышленной частоты.

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ IV.

1. Для оценки влияния электрического поля на процесс пропитки произведено моделирование пропитки в продольном направлении в электрическом поле при электростатическом приближении.

2. Установлено, что максимальное значение напряженности электростатического поля - в области под электродом по поверхности изоляции.

3. Наибольшая величина составляющей & механической силы также также наблюдается под верхним электродом, следовательно, при более длинном электроде продольная пропитка по расчетам должно проходить интенсивнее.

4. При продольной пропитке увеличение приложенного напряжения в 3 раза приводит к увеличению составляющей & механической силы на порядок, а, следовательно, и к увеличению скорости продольной пропитки.

5. Исследования, проведенные для стеклослюдинитовой СИ с пропиткой в ПК-11 и КМ показали, что электрическое поле влияет на процесс пропитки. Причем, это влияние тем более выражено, чем ниже температура пропитки.

6. Экспериментальные исследования по выбору длины электрода показали, что чем более протяженнее электрод по поверхности изоляции, тем меньше время продольной пропитки, что подтверждает проведенные расчеты.

7. Исследования по влиянию величины приложенного к изоляции напряжения для различных СИ показали, что увеличение напряжения в 3 раза ведет к увеличению скорости пропитки таких СИ, в которых пропитка идет преимущественно продольно, то есть между слоями изоляции.

129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате проделанной работы предложен комплексный метод контроля технологии пропитки, основанный на явлении проводимости. Метод позволяет регулировать режимы пропитки (вязкость ПС, температуру пропитки, время пропитки), а, следовательно, избежать преждевременного старения (частичной полимеризации) компаунда и повысить качество пропитываемых изделий.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния электрического поля на процесс пропитки. Установлено, что электрическое поле влияет на скорость пропитки, причем это влияние тем больше, чем ниже температура пропитки, что особенно важно для сохранения жизнеспособности компаунда. Кроме того, электрическое поле способствует пропитке трудно пропитываемых толстых слоев изоляции.

Применение технологии пропитки в электрическом поле в сочетании с комплексным методом контроля позволяет заменить дорогостоящую вакуум-нагнетательную технологию пропитки при мелкосерийном производстве или ремонтных работах. Для внедрения новой технологии необходимы дальнейшие исследования влияния электрического поля на процесс пропитки на натурных обмотках, а также исследования свойств отвержденной изоляции.

1. Антонов М.В., Герасимова Л.С. Технология производства электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 512 с.

2. Бернштейн Л.М. Изоляция электрических машин общего назначения. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 376 с.

3. Achberger S., Plávka J. Nové izolacne materíály pre vyrobu a opravu elektrickych strojov // Zbornik prednások 1 vedeckej odbornej konferencii " Nove smery v diagnostike a opravách elektrickych strojov a zariadeni, Zilina 1996.

4. ГОСТ 17412-72. Изделия электротехнические для районов с холодным климатом. Общие технические условия.

5. ГОСТ 15963-79. Изделия электротехнические для районов с тропическим климатом. Общие технические условия.

6. Ваксер Н.М. Изоляция электрических машин. Л.: ЛПИ, 1985. - 83 с.

7. Изоляция установок высокого напряжения / Г.С. Кучинский, В.Е. Кизеветтер, Ю.С. Пинталь; Под общей редакцией Г.С. Кучинского. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 368 с.

8. ГОСТ 26103-84. Материалы электроизоляционные на основе слюдяных бумаг.

9. ГОСТ 25045-81. Материалы электроизоляционные на основе щипанной слюды.

10. У совершенствованный вариант изоляции монолит-2 / В.В.Финкель, Н.С.Окнин, В.Г.Орлов, Н.В. Куницина // Электротехника. 1990, № 12, с. 15-17.

11. Исследование свойств термореактивной изоляции, пропитанной модифицированным эпоксидным компаундом / А.Г. Гроздов, И.Е. Кардаш, В.Г. Огоньков, В.В. Финкель // Электротехника. 1988, № 11, с. 52-54.

12. Свойства модифицированной изоляции монолит-4 для турбо- и гидрогенераторов / В.Е. Бондаренко, Н.Ф. Курбатова, В.Г. Огоньков и др.// Электротехническое производство. Передовой опыт и научно-технические достижения. 1989, вып. 1, с. 16-18.

13. В. Hafner. Quality-assurance in the VPI-Process for High-Voltage Machines using a new developed Capacitance-Measurement Device./Dielectric and insulating systems in electrical engineering. Disee '98.Bratislava. 1998. c. 1922.

14. Барэмбо К.Н., Бернштейн JI.M. Сушка и пропитка обмоток электрических машин. М.: Энергия, 1967. - 304 с.

15. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова и Б.М. Тареева. М.: Энергоатомиздат, том. 1.1986.-368 с.

16. Elektroisoliermaterialien aus der Sicht. Des Umweltshutzes / Brandenberger Kurt // Elec. Masch. 1990 - 69, № 12. - c. 314-324.

17. Сидоренко K.C. Современные лаки и составы без растворителя // Электротехника, 1997, № 5.

18. G. Binova. SCicasny stav v technologii bezrozpust'adlovych lakov // Dielectric and insulating systems in electrical engineering: 12th International Conference / Bratislava, 20 22 January 1998. - p. 13- 18.

19. Нагревостойкие эпоксидные компаунды / Н.А.Гелешева, Л.Н.Ямщикова, М.А.Голубенко, Л.Ф.Чувилина, М.А.Сипягина // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. 1983. - вып. 5 (154), с. 17-20.

20. Особенности выбора пропитывающих составов для щеток электрических машин / Ю.С.Крылов, Е.М.Чистое, А.И.Бойко, А.М.Середняя, Г.И.Савина // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. 1983. - вып. 11 (16).

21. Rejda L.J. Functional evelution of impregnats. // Proc. 16-th Elec./Electron. Insul. Conf. 3-6 oct. 1983/New York, p.192-196.

22. Никулин H.B. Электроматериаловедение. -M.: Высшая школа, 1984. 175 с.

23. Monitoring the storage stability of large volums of vacuum pressure impregnating resins // Proc. 16-th Elec./Electron. Insul. Conf. 3-6 oct. 1983/ New York, p.141-145.

24. Букин Б.А., Александров Н.Н. Влияние влажности слюдяных бумаг на их пропитываемость // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. 1983. - вып. 11 (160), с. 1-2.

25. Валитов Ш.М., Сорокин Ю.В. Пропитка обмоток электрических машин в составах без растворителей // Электротехническое производство, 1990. -вып. 1 (25).

26. Чехов В.Н., Титов Н.П. Пропитка обмоточных узлов микромашин с применением ультразвука. Л.: ЛДНТП, 1970. - 12 с.

27. Schuler R., Nylund К. Veredur a high temperature insulation system for rotating electrical machines. Fourth BEAMA International Electrical Insulation Conference, 1982

28. Dalai M.V., Agarwal R.P. A new Kapton-Compact Insulating System for class H applications. Fourth BEAMA International Electrical Insulation Conference, 1982.

29. Nina M.Vakser, Victor V.Starovoitenkov. Optimization of the impregnation process of dielectric materials // EKT. 1998, Bratislava, torn 3 - 4, p. 53-55.

30. N.M. Vakser, V.V. Starovoitenkov. Optimization of the impregnation process of dielectric materials // Dielectric and insulating systems in electricaltViengineering: 12 International Conference / Bratislava, 20 22 January 1998. -p. 58-61.

31. Федоров Л.Н. Выбор критериев контроля качества изоляции монолит-2 крупных электрических машин

32. Композиционные материалы для изоляции статорных обмоток высоковольтных электрических машин / Н.М. Ваксер, И.Е. Куимов, В.М. Пак, В.В. Старовойтенков // Труды международной научно-технической конференции "Изоляция 99", 15 18 июня 1999. - с. 117-118.

33. Корсунский Л.М. Методы изучения пропитки пористых материалов // Электротехническая промышленность серия электротехнические материалы. 1975. - вып. 7 (60).

34. Корсунский Л.М., Басин В.Е. Изучение пропитки слюдяных бумаг // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. 1982. - вып. 4 (141).

35. А. с. 1147962 (СССР). Способ контроля качества пропитки обмоток электрических изделий/ К.Г. Пугачев, Г.В. Смирнов, В.В. Носов и В.М. Федоров. Опубл. в Б.И., 1985, № 12.

36. А. с. 972372 (СССР). Способ контроля качества пропитки намоточных электротехнических изделий/ К.Г. Пугачев, Г.В. Смирнов, В.В. Носов и В.М. Федоров. Опубл. в Б.И., 1982, № 41.

37. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. Томск.: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 192 с.

38. А.с. 924632 (СССР). Способ контроля качества изготовления пазовых обмоток/ Г.М. Кассиров, В.В. Носов, К.Г. Пугачев, Г.В. Смирнов. -Опубл. в Б.И., 1982, №16.

39. Неонет В. Прибор КП-4 для контроля качества пропитки и сушки намоточных изделий. Технология электротехнического производства, 1969, № 10, с. 20-21.

40. Кондратьева Н.Т., Ульянов Б.А., Якинец П.П. Оценка возможности использования электрической емкости обмоток статоров асинхронных двигателей низкого напряжения. Электротехническая промышленность. Сер. Электрические машины, 1977, вып. 5 (75), с. 20-21.

41. Дудкин А.Н. Разработка методов оценки технологического процесса пропитки обмоток асинхронных двигателей: Дис. . канд. техн. наук. -Томск, 1980. 163 с.

42. Багалей Ю.В., Оболончик И.Б. Контроль процесса пропитки изоляционных конструкций / Прогрессивные методы обмоточно-изолировочных работ и элементы их механизации. Материалы республиканской межзаводской школы. Киев, 1966, с. 50-64.

43. Багалей Ю.В., Оболончик И.Б. К вопросу определения степени пропитки электроизоляционных конструкций // Электроизоляционные пропиточные составы и их применение. М.: Информстандартэлектро, 1967. - вып. I, с.27-32.

44. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989. - 504 с.

45. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982,- 320 с.

46. Техника высоких напряжений / И.М. Богатенков, Г.М. Иманов, В.Е. Кизеветтер, М.В. Костенко и др.; Под ред. Г.С. Кучинского. СПб.: Изд. ПЭИПК, 1998.-700 с.

47. Остроумов Г.А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. -М.: Наука, 1979. 320 с.

48. Стишков Ю.К., А.А. Остапенко. Электродинамические течения в жидких диэлектриках. Л.: ЛГУ, 1989. - 176 с.

49. Водный триинг в кабельных полиэтиленовых композициях / Н.А. Васильев, В.А. Канискин, Д.И. Кузнецов и др. // Сборник статей НИИ "Севкабель", Л.: Судостроение, 1989.

50. Канискин В.А. Влияние электрического поля на процесс увлажнения электрической изоляции // Электричество. 1991, № Ю, с. 52-57.

51. Matsuba Н., Kawai Е. Water Tree Mechanism in Electrical Insulation // IEEE Trans. Power Apparat. Syst., 1976, vol. PAS-95, No 2, p. 660-670.

52. Тапака, Т.: Charge transfer and tree initiation in polyethylene subjected to ac voltage stress, IEE Trans. On Electr. Insulation, Vol. 27, No 3, June 1992, str. 424-430.

53. Влияние переменного электрического поля на увлажнение полиэтиленовой кабельной изоляции / Ф.А. Белоусов, В.А. Канискин, Б.И. Сажин, В.Н. Созонов // Электричество, 1999, № 9, с. 51-53.

54. Теория диэлектриков / Н.П. Богородицкий, Ю.М. Волокобинский, A.A. Воробьев, Б.М. Тареев. М,- Л.: Энергия, 1965. - 344 с.

55. Остапенко A.A. Электровязкостный эффект в полярных диэлектриках в переменном поле // Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей: Докл. V Международной научной конференции / СПб, 1998. с. 37- 41.

56. Хомутов С. О. Современные перспективные методы и установки восстановления изоляции электрических машин // Труды международной научно-технической конференции "Изоляция 99", 15-18 июня 1999. с. 109-110.

57. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов. Л.: Энергия, 1969. - 296 с.

58. Журавлева Н.М. Стабилизация диэлектрических потерь в процессе термостарения бумажной пропитанной изоляции,- Дисс. на соискание к.т.н.-Л.: ЛПИ, 1989.

59. Молодова Л.А., Кончаловская М.Е. Изменение диэлектрических свойств касторового масла при окислении // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. -1984, № 6, с. 3-5.

60. Молодова Л.А., Андреев А.М. Влияние адсорбентов на диэлектрические свойства касторового масла // Электротехническая промышленность. Сер. Электротехнические материалы. -1984. № 7, с. 4-6.

61. Ренне В.Т. Электрические конденсаторы. -М.: Энергия, 1967.

62. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. М.: Изд. "Мир", 1980. - 616 с.

63. Сканави Г.И. Физика диэлектриков: область слабых полей. М.: изд. физ.-мат. лит., 1958. - 907 с.138

64. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: ЛГУ, 1979. - 240 с.

65. Адамчесвкий И. Электрическая проводимость жижких диэлектриков. Л.: Энергия, 1972. - 296 с.

66. Electrical conduction in synthetic insulating liquid / T.Umemura, K. Akiyama, T. Kawasaki, T. Kasiwazaki // IEEE Trans. Elec. Insulat. 1982. -17, № 6, - p. 533-538.

67. Жакин A. И., Тарапов И. E., Федоненко A. И. Экспериментальное изучение механизма проводимости жидких диэлектриков // электронная обработка материалов. 1983. - № 5, - с. 37-41.

68. Brossen Christian. Electrical condiction in imprégnants for ail-film power capacitors // Appl. Phys. 1991. -70, № 10, pt 1, - p. 5544-5559.

69. Набока Б.Г. Твердая тонкослойная изоляция; контроль технологии изготовления и диагностика качества. Харьков.: Основа, 1996. - 190 с.

70. Воюцкий С.С. Физико-химические основы пропитывания и импрегнирования волокнистых систем водными дисперсиями полимеров. -Л.: Химия, 1969,-336 с.