§ 10.1. НАГРЕВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Уравнение нагревания. Нагрузочная способность электрических машин в большинстве случаев определяется условиями нагревания, так как повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных и кратковременных нагрузках. С увеличением нагрузки возрастают потери энергии в машине, повышается количество выделившейся теплоты и при чрезмерной нагрузке температура отдельных ее частей может превысить допустимые пределы.

Процессы нагревания и охлаждения во всех типах электрических машин происходят по общим законам, так как любую электрическую машину можно в первом приближении рассмат­ривать как некоторое идеальное однородное твердое тело. В действительности электрическая машина не является таким телом, а представляет собой совокупность ряда частей (обмоток, элементов магнитопровода, конструктивных деталей), которые имеют различные теплопроводность, теплоемкость и условия охлаждения, вследствие чего температура их также различна. Тем не менее, несмотря на сложный характер распределения тепловых полей в электрической машине и недостаточную точность тепловых расчетов, основанных на ука­занном предположении, оно позволяет установить некоторые общие закономерности изменения температуры машины в процессах нагревания и охлаждения.

Потери энергии, возникающие в электрической машине, выделяются в виде теплоты, повышающей температуру обмотки и магнитопровода. За промежуток времени dt в электрической машине выделяется тепловая энергия dQ = ΔPdt, которая частично расходуется на повышение температуры машины на величину dθ, а частично отводится в окружающее пространство. В любой момент времени в машине имеется баланс тепловой энергии, выражаемый дифференциальным уравнением

где cm dθ — часть тепловой энергии, которая накапливается в машине и вызывает повышение ее температуры; kтоSохлθdt — часть тепловой энергии, рассеивающейся в окружающее пространство; с — удельная теплоемкость машины (количество теплоты, вызывающее повышение температуры 1 кг массы машины на 1°С); т —масса машины; kто — коэффициент теплоотдачи с поверхности (количество теплоты, рассеиваемое с 1 м2 поверхности охлаждения машины в течение 1 с при разности между ее температурой и температурой окружающей среды в 1°С), который определяется интенсивностью охлаждения электрической машины; Sохл — поверхность охлаждения машины; θ — превышение температуры машины над температурой окружающей среды.

По мере увеличения температуры электрической машины и величины θ возрастает количество теплоты, рассеиваемое в окружающую среду, и уменьшается часть теплоты, вызывающей повышение температуры машины. При некотором превышении температуры θ∞ наступает установившийся тепловой процесс, при котором вся выделяемая в машине теплота отдается окружающей среде. В этом случае величина cm dθ = 0 и уравнение теплового баланса принимает вид

Величину θ∞ называют установившимся превышением температуры:

Уравнение теплового баланса с учетом (10.3) можно представить следующим образом:

Решая дифференциальное уравнение (10.4) при условии, что в начальный момент (при t = 0) электрическая машина уже имеет некоторое превышение температуры θ0 над окружающей средой, получаем

где Т — постоянная времени нагревания (она имеет размерность времени). При этом

Кривые нагревания и охлаждения. Из (10.5) следует, что величина θ в процессе нагревания и охлаждения электрической, машины изменяется по экспоненциальному закону. При нагревании превышение температуры в возрастает (рис. 10.1, а, кривая 1), асимптотически приближаясь к установившемуся значению θ∞1, соответствующему определенным величинам ΔP1, Sохл1 и kто1. Это может происходить при возрастании потерь мощности (т. е. нагрузки) машины или уменьшении интенсивности ее охлаждения.

Рис. 10.1. Кривые нагревания 1 и охлаждения 2 электрической машины

При охлаждении превышение температуры θ уменьшается (кривая 2) до установившегося значения θ∞2, соответствующего другим значениям ΔP2 и kто2. Это может происходить при уменьшении потерь ΔP или увеличении интенсивности охлаждения. В начальной точке 0 (при t = 0) производная dθ/dt = (θ∞ — θ0)/Т. Следовательно, постоянную времени Т можно представить в виде отрезка АВ, отсекаемого касательной (проведенной к кривой нагревания при t = 0) на прямой, параллельной оси абсцисс и соответствующей установившемуся превышению температуры θ∞ . Формулу (10.6) с учетом 9.3 можно представить в виде

Таким образом, физически величину Т можно рассматривать как время, в течение которого превышение температуры θ достигло бы установившегося значения θ∞, если бы скорость возрастания температуры оставалась все время неизменной. Такие условия имели бы место, если бы в процессе нагревания и охлаждения машины не происходило отдачи теплоты окружающей среде. Но так как в действительности часть тепловой энергии рассеивается в окружающее пространство, то за время t = Т превышение температуры достигает лишь значения, соответствующего точке С (рис. 10.1, а).

Кривые 1 и 2 показывают характер изменения превышения температуры θ электрической машины соответственно при увеличении нагрузки, например от Рном до 1,5Рном (когда возрастают ΔP и θ∞), при уменьшении ее от Рном до 0,5Рном (когда уменьшается ΔP и θ∞).

Если машина включается в работу после сравнительно длительного пребывания в отключенном состоянии (когда она приобретает температуру окружающей среды), то θ0 = 0 (рис. 10.1, б) и уравнение (10.5) упрощается:

Если машина отключается от сети, то ΔР = 0 и происходит ее охлаждение до температуры окружающей среды. При этом θ∞ = 0 (рис. 10.1, в) и

Из рассмотрения кривой 1 нагревания электрических машин следует, что при достаточно большой продолжительности работы, когда t = (3 ÷ 4)Т, величина e-t/T становится весьма малой и превышение температуры достигает приблизительно значения θ∞. В этом случае наступает практически установившийся тепловой режим, называемый продолжительным (или длительным).

Из формулы (10.6) следует, что постоянная времени нагревания Т обратно пропорциональна теплоотдаче kтоSохл, поэтому хорошо вентилируемые машины имеют меньшие постоянные времени. При уменьшении интенсивности вентиляции постоянная времени Т увеличивается. Например, в машинах с самовентиляцией снижение частоты вращения и останов машины приводят к возрастанию Т, поэтому для них постоянная времени при охлаждении Тохл примерно в 2 — 3 раза больше постоянной времени при нагревании Т.

Для электрических машин различных мощностей величина Т = 0,3 ÷ 2 ч, для микромашин Т = 3 ÷ 10 мин.

Допускаемые превышения температуры. В процессе работы электрической машины происходят необратимые изменения изоляции, которые называют старением изоляции. При этом прежде всего изменяются механические свойства изоляции: снижается механическая прочность — она становится хрупкой и образуются трещины. Наличие трещин в изоляции снижает ее электрическую прочность. Вследствие этого может возникнуть пробой изоляции, после чего электрическая машина требует капитального ремонта.

Электрические машины обычно рассчитывают на срок службы 15 — 20 лет без капитального ремонта. Для того чтобы обеспечить заданный срок службы электрической машины, ее нужно правильно спроектировать, хорошо изготовить и при эксплуатации избегать режимов работы, вызывающих преждевременный выход из строя различных частей машины, т. е. необходимо предотвратить преждевременное старение изоляции.

Главными причинами старения изоляции являются: высокая температура; большие перепады температуры между отдельными деталями машины; электрическое поле; повышенная влажность; механические усилия.

Высокая температура вызывает окисление составляющих изоляции. Поэтому для обеспечения заданного срока службы электрических машин температура нагревания отдельных их частей должна быть ограничена. При повышении температуры происходит интенсивный износ изоляции и быстрое ее разрушение. Следовательно, максимальная температура, при которой может работать электрическая машина, определяется нагревостойкостью применяемой в ней изоляции. Чем выше допускаемая предельная температура отдельных частей машины, тем меньше срок ее службы из-за постепенного старения изоляции. Однако чем выше эта температура, тем больше можно нагрузить данную машину.

Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, в зависимости от нагревостойкости подразделяют согласно ГОСТу на семь классов, характеристики которых приведены в табл. 1.2.

Наиболее чувствительны к высоким температурам материалы, выполненные из целлюлозы, бумаги, шелка и т. п., применяемые в изоляции класса А. В изоляции класса В в первую очередь окисляются связующие материалы и пропитывающие лаки. Изоляция классов F и Н, как и изоляция класса В, выполняется на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но имеет связующие с более высокой нагревостойкостью.

Экспериментальные исследования показали, что срок службы изоляции (в годах) может приближенно определяться по формуле

где А и α — коэффициенты, зависящие от класса изоляции; θ — температура, °С.

Для изоляции класса А можно принимать α ≈ 0,088; К = 7,15 • 104. Из формулы (10.10) следует, что с увеличением температуры резко возрастает интенсивность старения изоляции. Так, например, для изоляции класса А при температуре θ = 95°С срок службы изоляции tиз ≈ 16 лет; при θ = 110°С срок службы tиз ≈ 4 года, а при θ = 150° срок службы изоляции сокращается до нескольких дней. При ориентировочных расчетах принимают, что повышение температуры на 8 °С сверх 100 °С снижает срок службы изоляции класса А в два раза («правило восьми градусов»). Зависимость срока службы от температуры для изоляции класса В имеет такой же характер, как и для изоляции класса А, но сдвинута на 20 °С. Следовательно, и для других видов изоляции справедливы общие соображения, сделанные относительно изоляции класса А, в частности справедливо и «правило восьми градусов».

Большие перепады температуры между отдельными частями машины вызывают перепады температуры и по толщине изоляции, что может создать в изоляции недопустимо высокие механические напряжения. Например, изоляция катушки, расположенной в пазах якоря, с одной стороны имеет температуру меди проводников катушки, а с другой — температуру сердечника якоря. Обычно отвод теплоты происходит через вентиляционные каналы, проходящие по стали сердечника, и в результате по толщине изоляции катушки наблюдается температурный перепад 15 — 5°.

Под действием температуры медные стержни катушки удлиняются и перемещаются относительно стенок паза. При этом в изоляции катушки возникают механические напряжения тем большие, чем больше перепад температуры между стержнями и стенками паза. При изменении нагрузки изменяются температура машины и перепад температур между катушками и сталью. Следовательно, колебания нагрузки приводят к перемещению стержней относительно стенок паза, что может вызвать разрыв изоляции, если она недостаточно эластична.

Электрическое поле в высоковольтных машинах вызывает ионизацию внутренних и поверхностных воздушных (газовых) включений. Ионизация воздушных включений вызывает увеличе­ние тепловых потерь в изоляции; механическое расщепление листов слюды; появление озона и окислов азота, которые при наличии влаги образуют азотистую и даже азотную кислоту.

Озон, являясь сильным окислителем, разрушает органические составляющие изоляции — бумагу, шеллак и др. Азотная и азотистая кислоты могут действовать не только на изоляцию, но и на металлы (сталь, медь). Особенно вредна ионизация внутренних включений. Явление наружной ионизации (коронирования) возникает из-за наличия воздушных зазоров между поверхностью изоляции и стенками пазов. Коронирование менее опасно, чем внутренняя ионизация, так как разрушающему действию короны подвергается только поверхность изоляции. Более опасным является наличие местных скользящих разрядов в виде искр, которые могут расщеплять пластинки слюды и другие части изоляции. Для предотвращения поверхностных разрядов наружную покровную изоляцию делают с токопроводящими нитями, вследствие чего выравнивается потенциал паза и поверхности катушки. В низковольтных машинах старения изоляции из-за действия электрического поля не наблюдается.

Повышенная влажность вызывает снижение электрического сопротивления изоляции, что увеличивает токи утечки и потери в изоляции. Однако, как правило, это ухудшение свойств изоляции является обратимым и может быть устранено медленной сушкой. Обычно изоляцию сушат при работе машины в режиме холостого хода или короткого замыкания (при пониженном напряжении). При проведении ускоренной сушки возможно повреждение изоляции из-за бурного выделения . водяного пара из внутренних пор, что вызывает появление в изоляции трещин и делает ее. пористой. Увеличенную пористость изоляции можно уменьшить пропиткой обмотки в лаке.

Механические усилия, воздействующие на изоляцию, возникают из-за электродинамических сил между проводниками, внутренних вибраций, центробежных сил вращающихся частей и т. п. Иногда изоляция испытывает большие механические усилия и от внешних воздействий (тяговые двигатели, судовые электрические машины и т. п.). Многократно прилагаемые к проводникам знакопеременные усилия вызывают трещины в изоляции, что снижает ее электрическую прочность.

Кроме перечисленных основных причин на старение изоляции может влиять много других факторов — наличие химически активных веществ, находящихся в воздухе (хлор, аммиак, пары кислот и щелочей и т. п.), морской воды, низких температур (до —60° С в ряде районов страны), микро­организмов и даже насекомых (в тропических странах). Поскольку главной причиной, вызывающей старение изоляции, является высокая температура, она нормируется стандартами и техническими условиями.

В табл. 10.1 приведены установленные ГОСТом предельно допустимые превышения температуры θmax для некоторых частей электрических машин общепромышленного применения (при измерении температуры обмоток по методу сопротивления, а температуры сердечников, коллекторов и контактных колец — с помощью термометров).

Максимально допустимую температуру обмотки можно найти путем сложения максимально допустимого превышения температуры θmax с условной температурой окружающей среды (для табл. 10.1 принято, что θ0 = 40°С) θmax = θmax + θ0. Если температура окружающей среды превышает расчетную, допустимое превышение температуры обмотки в эксплуатации должно быть снижено, чтобы температура обмотки не превышала θmax. Если температура окружающей среды меньше расчетной, то в эксплуатации допускается соответственно увеличивать максимально допустимое превышение температуры обмотки

Таблица 10.1

Элементы машины	Допустимые превышения температуры для классов изоляции, ˚С
	А	Е	В	F	H
Обмотки якоря, соединенные с коллектором,   и   обмотки   переменного тока машин мощностью до 5000 кВ•А	60	75	80	100	125
Многослойные обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока	60	75	80	100	125
Однорядные обмотки возбуждения с оголенными поверхностями	65	80	90	110	135
Сердечники и другие стальные элементы, соприкасающиеся с изолированными обмотками	60	75	80	100	125
Коллекторы и контактные кольца	60	70	80	90	100

θmax , но не более чем на 10 °С по сравнению с значением, установленным ГОСТом. При работе машины в горных местностях, где из-за понижения барометрического давления ухудшается теплоотдача, стандарты предусматривают некоторое уменьшение допустимых превышений температуры. Приведенные в табл. 10.1 значения θmax обеспечивают работу электрических машин в течение длительного времени. Однако в ряде случаев при выполнении специальных машин сокращают срок службы машины и допускают более высокие значения θmax . При этом представляется возможным увеличить мощность в тех же габаритах или же выполнить машину заданной мощности с меньшими массой и размерами.