Содержание
Предыдущий § Следующий
9.4. Старение изоляции и срок службы машин
Срок службы машины — промежуток времени, в течение которого обеспечивается безотказная работа, при соблюдении предписанных условий эксплуатации и профилактических ремонтов. Этот срок зависит от нагрузки отдельных частей машины. Та часть машины, которая испытывает наибольшую удельную нагрузку, выйдет из строя раньше других и, таким образом, ее срок службы определяет срок службы всей машины.
Опыт эксплуатации показал, что обычно электрические машины выходят из строя в первую очередь из-за износа или повреждения изоляции. Обеспечить длительную службу изоляции оказалось труднее всего и поэтому срок службы всех остальных частей машины (коллектора, подшипников и др.) выбирают исходя из срока службы изоляции.
При работе электрической машины происходят необратимые изменения свойств изоляции; этот процесс называется старением изоляции. Сначала изменяются механические свойства изоляции; она становится хрупкой, в ней образуются трещины и поры, вследствие чего снижается электрическая прочность изоляции: может возникнуть поверхностный пробой, особенно при увлажненной изоляции. Снижается с течением времени и пробивная прочность трансформаторного масла.
Главными причинами старения изоляции являются: высокая температура; большие перепады температуры по толщине изоля-и,ш, электрическое поле; повышенная влажность; механические %. илия, возникающие из-за вибрации.
Высокая температура вызывает химические изменения изоляции. При температуре выше 100°С происходит окисление органических изоляционных материалов — бумаги и хлопчатобумажной пряжи и лаков Скорость химических реакций зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее стареет изоляция. Происходят химические изменения и в других видах изоляции (в кремнийоргани-ческих соединениях), но при более высокой температуре.
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, а с другой — температуру стали паза. Обычно отвод теплоты происходит через вентиляционные каналы, проходящие по стали, что создает температурный перепад на 5...15°С по толщине изоляции катушки.
При повышении 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 происходит изменение температуры машины и перепада температур между катушками и сталью. Следовательно, колебания нагрузки приводят к перемещению стержней относительно стенок паза, что может вызывать разрыв изоляции, если она недостаточно эластична.
Попытки изготовления высоковольтных генераторов, где толщина пазовой изоляции была бы особенно велика, а перепад температуры в ней составлял бы примерно ЗО...35°С, были безуспешными, так как изоляция быстро выходила из строя.
Электрическое поле в высоковольтных машинах вызывает местные электрические разряды и ионизацию внутренних и поверхностных воздушных (газовых) включений. Ионизация воздушных включений вызывает: увеличение тепловых потерь в изоляции; механическое расщепление листов слюды; появление озона и оксидов азота, которые в присутствии 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 опасно наличие мест-
ных 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, чем выравнивается потенциал паза и поверхности катушки. В низковольтных машинах старение изоляции под действием 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 обратимо и может быть устранено медленной сушкой. Обычно изоляцию сушат, включая машину на пониженное напряжение в режиме холостого хода или короткого замыкания, т. е. без нагрузки. При проведении ускоренной сушки возможно повреждение изоляции из-за бурного выделения водяного пара из внутренних пор, что вызывает трещины в изоляции и делает ее пористой. Пористость изоляции может быть уменьшена пропиткой обмотки в лаке.
Механические усилия, воздействующие на изоляцию, возникают из-за электродинамических сил между проводниками, внутренних вибраций, центробежных сил вращающихся частей и т. д. Иногда изоляция подвержена сильным механическим воздействиям и ог внешних воздействий (например, в тяговых двигателях, судовых электрических машинах). 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 (например, хлора, аммиака, паров кислот и щелочей), морской воды, низких температур (до —60°С в ряде районов страны), микроорганизмов и даже насекомых (в тропических странах).
Так как главной причиной, вызывающей старение изоляции, является высокая температура, она нормируется стандартами и техническими условиями.
В табл. 9.2 приведены предельно допустимые превышения температуры т для электрических машин общего назначения, установленные ГОСТ 183—74 (при измерении температуры обмоток по методу сопротивления, а температуры коллекторов и контактных колец с помощью термометров и термопар).
Максимально допустимая температура обмотки может быть найдена сложением температуры максимально допустимого превышения т с условной температурой окружающей среды (для табл. 9.2
ПРИНЯТО, ЧТО #окр = 35°С)
Если температура окружающей среды выше расчетной, то превышение температуры обмотки в эксплуатации должно быть снижено, чтобы температура обмотки не превосходила максимальную допустимую.
Таблица 9.2
|
Части машины |
Допустимые превышения температуры ттах для классов изоляции |
||||
|
А |
в |
В |
F |
Н |
|
|
Обмотки якоря машин постоянного тока и обмотки переменного тока синхронных и асинхронных машин |
60 |
75 |
80 |
100 |
125 |
|
Многослойные обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока, компенсационные обмотки |
60 |
75 |
80 |
100 |
125 |
|
Однорядные обмотки возбуждения с оголенными поверхностями Коллекторы и контактные кольца |
65 60 |
80 70 |
90 80 |
ПО 90 |
135 100 |
Если температура окружающей среды меньше расчетной, то в эксплуатации допускается соответственно увеличивать ттах, но не более чем на10°С по сравнению со значением, установленным ГОСТом. Такое ограничение обусловлено влиянием перепада температур на старение изоляции, а перепад температур по толщине изоляции пропорционален превышению температуры обмотки.
При работе машины в горных местностях, где из-за понижения атмосферного давления ухудшается теплоотдача, стандарты предусматривают некоторое уменьшение допустимых превышений температуры.
Приведенные в табл. 9.2 значения ттах обычно обеспечивают работу электрических машин в течение длительного времени — примерно 10...20 лет. Однако это только ориентировочные данные, и разброс в сроках службы машин может быть значительным, так как имеются существенные различия в условиях эксплуатации и технологии изготовления машин, где свойства изоляции могут ухудшаться. Это особенно важно для эмалевых проводов, укладываемых в пазы («всыпная» обмотка).
Сложность статистического анализа срока службы изготовленных машин в эксплуатации, обусловленная неопределенностью режимов нагрузки и технологическими разбросами, заставила изучать закономерности старения изоляции в лабораторных условиях. Учеными Монтзингером, Мозесом и Бусингом были проведены опыты для изучения влияния повышенных температур на механические свойства изоляции. Например, лакоткань помещалась на длительное время в горячее трансформаторное масло, а затем измерялась прочность на разрыв. Опыты показали, что в интервале 90... 110°С при увеличении температуры на 8°С прочность на разрыв уменьшалась вдвое. Таким образом, в данном случае старение изоляции оценивалось прочностью на разрыв.
Аналогичные опыты проводились с манильской бумагой, электрокартоном и другими материалами, причем оценка механических свойств производилась не только измерением прочности на разрыв, но и по числу перегибов Эти опыты давали сходные результаты, хотя приращение температуры, при котором старение изоляции изменялось в 2 раза, колебалось в интервале 5... 10°С.
В 1930 г. Монтзингер на основании своих опытов и опытов других авторов предложил простое правило для определения срока службы изоляции класса А (бумага, пряжа, шелк): при вполне определенном неизменном приращении температуры А# срок службы уменьшается в 2 раза.
Это правило выражается формулой
Эта формула также называется правилом восьми градусов. Однако надо иметь в виду, что 8°С — среднее значение, а имеются и другие рекомендации; например, предлагается считать, что ДФ= = 8... 12°С.
Связь между сроком службы изоляции и рабочей температурой имеет логарифмический характер, и если по одной оси откладывать температуру в линейном масштабе, а по другой — срок службы в логарифмическом масштабе, то зависимость представляется прямой (рис. 9.2).
Правило восьми градусов и зависимость рис. 9.2 не гарантируют строго определенного срока работы.
Главное значение этого правила в том, что оно указывает на характер зависимости, т. е. всегда можно утверждать, что повышение температуры на 8°С примерно в 2 раза снизит срок службы машины. Более точное определение срока службы может быть получено только из статистических данных эксплуатации машин конкретного типа.
Правило восьми градусов неразумно распространять в область низких температур. Так, при длительной температуре 90°С и ниже старение изоляции происходит, в основном, не из-за химических превращений, а по другим причинам, рассмотренным выше (механическое разрушение из-за вибраций, взаимного перемещения проводника и паза и т. д.).
Правило восьми градусов позволяет оценить влияние кратковременных перегрузок (например, при аварийных режимах) на срок службы изоляции. Если принять срок службы машины за 100%, то относительный износ в процентах за время работы в течение времени U с температурой -&{
Рис. 9.2. Зависимость срока службы изоляции от температуры
Кратковременные перегрузки могут сильно сократить срок службы машины, так как при больших токах температура растет весьма ощутимо. Так, например, при коротком замыкании трансформатора температура обмотки может достигать ~250сС.
Срок службы изоляции при такой температуре составляет всего ~14 мин и, как показывают расчеты, за время нагревания и остывания при одном коротком замыкании тратится 4,3% ресурса трансформатора.
Исследования старения кремнийорганических смол, произведенные в области температур 200...250°С, подтвердили возможность оценки долговечности изоляции с помощью правила Монтзингера, причем параметр Д# составляет примерно 10°С.
Особенно важно помнить, что выходит из строя изоляция в первую очередь там, где температура максимальна. Это значит, что
при одинаковой средней температуре может быть большое различие в сроке службы изоляции: неудачно сконструированная машина может иметь отдельные плохо охлаждаемые места, где температура значительно выше средней, а старение изоляции на этом участке и определит срок службы всей машины.
 |
|
|
|