Содержание
Предыдущий § Следующий
3.2. Допустимая температура частей электрической машины
Особенностью электрических машин является тесное конструктивное сочетание металлов и изоляции, т. е. материалов, имеющих резко различные тепловые характеристики. В то время как металлы сохраняют свои рабочие свойства при температурах до 400— 500 °С и выше, верхний предел допустимого нагрева изоляционных материалов, применяемых в электромашиностроении, в зависимости от класса их нагре-востойкости составляет 90—180°С (табл. 3.1). В настоящее время в электрических машинах применяются изоляционные материалы классов нагревостойкости Е, В и F (ГОСТ 8865-70). Материалы класса Н используются значительно реже; материалы классов нагревостойкости Y и А в современных электрических машинах практически не применяются. В последние годы разработаны изоляционные материалы с допустимой рабочей температурой 200—240 °С, но они находят применение лишь в машинах специального назначения [4].
Диэлектрические свойства изоляционных материалов с течением времени ухудшаются. При длительной эксплуатации изоляция усыхает, уменьшается ее механическая прочность, снижается пробивное напряжение. Этот процесс называют старением изоляции. Интенсивность старения во многом зависит от температуры. Чем выше рабочая температура изолированного изделия, тем быстрее происходит старение и уменьшается срок службы изоляции. При нормировании допустимого нагрева частей электрической машины исходят из того, чтобы соприкасающаяся с ними или расположенная в непосредственной близости от них изоляция могла выполнять свои функции в течение расчетного срока эксплуатации машины. Поэтому предельно допустимый нагрев частей электрической машины зависит от класса нагревостойкости изоляции.
Нагрев частей электрической машины может быть определен расчетным путем на стадии проектирования или экспериментально во время тепловых испытаний готовых машин. Измерение температуры частей электрической машины в процессе ее
Таблица 3.1. Нагревостойкость электроизоляционных материалов
|
Класс нагревостойкости |
Температура, °С |
Электроизоляционные материалы, соответствующие данному классу нагревостойкости |
|
Y А Е В F Н С |
90 105 120 130 155 180 Более 180 |
Непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Некоторые синтетические органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими или элементоорга-ническими связующими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
эксплуатации является способом контроля нормальной работы машины. Для учета влияния условий, в которых работают машины, ГОСТ устанавливает не абсолютную допустимую температуру ее частей, а превышение их температуры над температурой охлаждающей среды при определенном атмосферном давлении. Температура охлаждающей газообразной среды принимается равной 40 "С, а давление регламентируется местом эксплуатации машины на высоте не более 1000 м над уровнем моря (табл. 3.2). Эти нормы обязательны для машин общего назначения. Для специальных машин они могут быть изменены в зависимости от ряда условий, например сокращенного расчетного срока службы машины, повышенных требований к надежности и т. п., которые оговариваются в ТУ или ГОСТ на машины данного типа.
Предельно допустимая температура частей электрических машин, рассчитанная как сумма допустимого превышения их температуры, взятого по табл. 3.2, и температуры охлаждающей среды (40 °С) оказывается несколько меньше, чем допустимая температура изоляционных материалов данного класса нагревостойкости (см. табл. 3.1). Это устанавливается в связи с тем, что методы расчета, измерения или контроля температуры частей электрической машины позволяют либо зафиксировать температуру их отдельных нескольких точек (методы термометра и температурных индикаторов — термопар, термопреобразователей), либо определить среднюю температуру какой-либо части машины, например среднюю температуру ее обмотки или части обмотки (метод сопротивления).
Предпочтительным методом измерения температур обмоток, указанных в п. 1 табл. 3.2, является метод температурных индикаторов, для всех остальных обмоток — метод сопротивления. Если одновременно с определением температуры обмоток методом сопротивления или с помощью температурных индикаторов производится отсчет по термометру, то превышения температуры наиболее нагретых точек по показаниям термометра не должны быть больше 65 °С для частей машины с изоляцией класса нагревостойкости А, 80 °С — класса Е, 90 °С — класса В, 110°С-класса F и 135 °С - класса Н.
Для обмоток высоковольтных машин с воздушным охлаждением на номинальное напряжение свыше 11000 В, установленных на высоте более 1000 м над уровнем моря, предельно допустимые превышения температуры, указанные в табл. 3.2, снижаются на
каждые полные или неполные 1000 В при измерениях термометром на 1,5 °С, при измерениях температурными индикаторами при номинальных напряжениях в пределах 11000-17000 В - на 1 °С и при напряжении свыше 17000 В — дополнительно на 0,5 °С на каждые полные или неполные 1000 В.
Когда температура газообразной охлаждающей среды отлична от 40 °С, предельно допустимые превышения температур частей электрической машины пересчитываются. При температуре охлаждающей среды выше 40 СС (но не более 60 °С) они должны быть уменьшены на разность между фактической температурой охлаждающей среды и 40 °С. При температуре охлаждающей среды выше 60 °С допустимые превышения температуры устанавливаются по согласованию с предприятием-изготовителем. При температуре газообразной охлаждающей среды ниже 40 °С предельно допустимые превышения температур могут быть увеличены на разность между 40 °С и фактической температурой охлаждающей среды, но не более чем на 10 °С. Этот пересчет может быть произведен для всех электрических машин, кроме турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, для которых допускаемые превышения при температуре газообразной охлаждающей среды меньше 40 °С указаны в стандартах или в технических условиях на эти машины.
Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин, предназначенных для установки на высоте над уровнем моря, превышающей 1000 м (но не более 4000 м), в тех случаях, когда измерения производятся на высоте до 1000 м, уменьшаются по сравнению с указанными в табл. 3.2 на 1 °С на каждые полные или неполные 100 м сверх 1000 м при условии, что температура охлаждающей среды не превышает 40 °С. Если же абсолютное давление в охлаждающей системе машины соответствует высоте над уровнем моря 1000 м и поддерживается постоянным независимо от высоты установки машины, то поправку к допускаемым превышениям температуры, зависящую от высоты установки машины над уровнем моря, не вводят.
Допустимая температура подшипников машины независимо от температуры охлаждающей среды и высоты установки над уровнем моря не должна превышать 80 °С для подшипников скольжения (температура масла при этом не должна быть более 65 °С) и 100 °С для подшипников качения. Более высокая температура допускается только при применении специальных подшипников.
Таблица 3.2. Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин при температуре газообразной охлаждающей
среды 40 °С и высоте над уровнем моря не более 1000 м
I
1
I
Примечания: 1. Для стержневых обмоток ротора асинхронных машин допускается по согласованию с заказчиком иметь превышения температуры по п. 4. 2. Превышения температуры, указанные в п. 9, не должны превосходить допустимых значений для соприкасающихся обмоток.
В первом приближении для оценки нагрева электрическую машину можно представить как однородное тело с источниками тепла (потерями), равномерно распределенными внутри его объема. При неизменных во времени потерях процесс нагревания поверхности машины в этом случае описывается уравнением теплового баланса [18]
£Р dt = Cd (ДЭ) + oeSAS dt,
где Yj1 ~ сумма потерь в объеме машины, Вт; С — теплоемкость машины, С = ст, с— удельная теплоемкость материала машины, Дж/(кг°С); т — масса машины, кг; а— коэффициент теплоотдачи с поверхности, Вт/(м2 • °С), определяющий мощность, рассеиваемую с 1 м2 площади поверхности при превышении температуры поверхности над охлаждающей средой, равной 1°С; S — поверхность охлаждения, м2; ДЭ — превышение температур поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С. Из приведенного уравнения следует, что определенная доля потерь, выделяющихся в машине с момента ее включения, расходуется на нагрев самой машины, а остальные потери рассеиваются с поверхности в охлаждающую среду (соответственно первое и второе слагаемые правой части уравнения). По мере нагрева машины температура ее поверхности повышается, все большая часть тепла передается в окружающую среду и нагрев машины замедляется. При длительной (t = оо) работе с неизменной нагрузкой
Рис. 3.1. Кривые нагрева и охлаждения:
а — процесс нагрева (при t = О ДЭ0 = 0, при t =
= со ДЭда = ДЭуСТ); б — процесс охлаждения (при
г = 0 дао = ДЭо = ДЭуст, при ( = ооДЭ00 = 0)
наступает тепловое равновесие, при котором уже все выделенные внутри машины потери рассеиваются в охлаждающую среду, а нагрев машины прекращается [d(A&) = 0]. Такой режим называют установившимся тепловым режимом. Он характеризуется установившейся температурой машины Д$у(гг = = const.
Общим решением уравнения теплового баланса является
ДЭ = Д30 + (ДЭМ - ДЭ0) (1 - e~tlT),
где Д30 — начальное (при t = 0) превышение температуры поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С; A9W — конечное (при t = оо) превышение температуры поверхности машины над температурой охлаждающей среды, °С; Г — постоянная времени нагрева, с:
T = C/(aS).
В частном случае нагрев машины из практически холодного состояния (при t = 0
да0 = о, при t = оо дэи = дэуст) дз = дЭусЛ1 - е~"Т)-
Охлаждение отключенной от сети машины, достигшей установившейся температуры (при t = 0 Д$о = Д9уст при t = оо ДЗ^ = = 0),
АЭ = А$усте-"т.
Эти выражения графически иллюстрируются кривыми нагрева и охлаждения машины, приведенными на рис. 3.1,а и б, на которых дана также графическая интерпретация постоянной времени нагрева Т.
Точный расчет нагрева электрических машин требует решения трехмерного температурного поля, осложненного неравномерным распределением источников тепла в объеме машины, различными тепловыми характеристиками элементов машины, существенно зависящими от технологии изготовления машины и системы охлаждения [21].
Расчетные методы в большинстве случаев основаны на условном подразделении всего объема машины или его симметричной в тепловом отношении части на ряд зон, обладающих постоянными в пределах каждой зоны тепловыми характеристиками (коэффициентом теплопроводности материала, отсутствием или наличием источников тепла и т. п.). По границам каждой из зон определяются условия теплопередачи, устанавливаются возможные направления тепловых потоков и для каждого из выбранных направлений рассчитываются тепловые сопро-
тивления в пределах зоны и на ее границах. Йри расчете тепловых сопротивлений учи-тывак)т теплопроводность материала в направлении теплового потока, размеры зоны, условия теплопередачи с поверхности, характер и скорость движения соприкасающегося с зоной охлаждающего газа или жидкости, их теплоемкость, состояние охлаждающей поверхности и другие факторы, оказывающие влияние на процессы теплопередачи. Расчеты могут быть проведены либо для всей машины, либо для отдельно взятой ее детали без связи с нагревом остальных частей. Например, определен нагрев коллектора от электрических потерь в скользящем контакте и потерь на трение щеток о коллектор, рассчитаны перепад температуры по толщине изоляции пазовой части обмотки или превышение температуры проводников лобовой части обмотки над температурой охлаждающего воздуха внутри машины и т. п.
При расчете динамики нагрева помимо всех перечисленных выше факторов должна быть также учтена теплоемкость материала каждой из зон, на которые подразделен объем машины [18].
 |
|
|
|