Раздел 3. Воздействие влажности на изоляцию электрических машин

РАБОТА № 3.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УВЛАЖНЕННОЙ ИЗОЛЯЦИИ СТАТОРНЫХ ОБМОТОК

Цель работы: изучение влияния влажности на электрические характеристики изоляции обмоток электрических машин и выбор метода контроля общего (сквозного) и локального увлажнения изоляции.

3.1. Основные теоретические положения

Увлажнение изоляции происходит обычно во время транспортировки, монтажа и остановок электрических машин. Особый случай увлажнения изоляции возможен в машинах с непосредственным водяным охлаждением меди обмотки при местных нарушениях герметичности полых проводников. Увлажнение изоляции может привести к возрастанию проводимости отдельных участков изоляции и снижению пробивных напряжений.

При длительной выдержке изоляции во влажной среде возможны процессы проникновения влаги в толщу изоляции по капиллярам и микротрещинам и адсорбции ее на поверхности, приводящие к увеличению проводимости между токопроводящими элементами (сквозное увлажнение). Сквозному увлажнению, как правило, предшествует увлажнение нескольких слоев изоляции (локальное увлажнение). Своевременное выявление таких случаев необходимо для машин с внутренним водяным охлаждением, где появление влаги из-за возникновения дефекта в полом проводнике может постепенно привести к образованию сквозных каналов высокой проводимости.

Для контроля состояния изоляции в эксплуатационных условиях используют электрические методы, основанные на явлениях проводимости и поляризации. Проводимость изоляции электрических машин носит, как правило, примесный характер, т.е. обусловлена движением свободных зарядов, образующихся при диссоциации примесей, чему способствует влага, полярность молекул которой очень высока (e = 81).

В неоднородной изоляции (стеклослюдосодержащей, пленкослюдосодержащей) наблюдается миграционная поляризация – накопление на границах раздела диэлектриков (слюда, связующее, стеклоткань) зарядов, называемых зарядами абсорбции. Неоднородность изоляции может увеличиться при изменении свойств отдельных ее слоев, в частности, при создании увлажненных локальных участков.

Для пояснения явления образования абсорбционного заряда рассмотрим модель двухслойной изоляции (рис. 3.1 - а) и ее схему замещения (рис. 3.1 - б).

На этих рисунках обозначены: d₁, e₁, ρ_v1, и d₂, e₂, ρ_v2 - толщина, диэлектрическая проницаемость и удельное объемное сопротивление слоев изоляции; U – приложенное напряжение.

                            (3.1)

а)                                                     б)

Рис. 3.1. Модель двухслойной изоляции

Для определенности примем, что верхний электрод, примыкающий к первому слою, имеет положительный заряд и e₂ / ρ_v1 > e₁ / ρ_v2.

Тогда, согласно схеме рис. 3.1 - а, заряд абсорбции – это разность зарядов емкостей С₁ и С₂, т.е. для установившегося режима

     (3.2)

где q_1∞, q_2∞, и U_1∞, U_2∞ — заряды и напряжения на емкостях С₁ и С₂.

Таким образом, условием образования абсорбционного заряда является существование неравенства R₁ С₁ ≠ R₂ С₂.

При включении неоднородной (в указанном смысле) изоляции на постоянное напряжение возникает переходной процесс. Для схемы замещения, представленной на рис.3.1 - б, ток во внешней цепи будет определяться выражением (3.3).

                                            (3.3)

где  - установившийся или сквозной ток (ток проводимости);  - ток абсорбции (экспоненциальная составляющая).

.           (3.4)

Изменение во времени тока в цепи неоднородной изоляции показано на рис. 3.2.

По величине тока и характеру изменения его от времени приложения постоянного напряжения можно судить об увлажнении изоляции. Однако величина тока зависит от размеров изоляции, поэтому лучшим показателем увлажнения является коэффициент абсорбции (К_абс), равный отношению полного тока (I_t®0) к установившемуся (I_{t® ∞}), т.е.

                                 (3.5)

Для определения К_абс обычно производят измерения тока или сопротивления через 15 и 60 с:

                                                    (3.6)

Рис. 3.2. Изменение тока в диэлектрике после включения под постоянное напряжение

При сильном увлажнении, когда влага равномерно распределяется по изоляции или образует сквозные каналы между электродами, К_абс приближается к единице; в сухой изоляции или слабом ее увлажнении К_абс может достигать величины двух – трех и более.

Для оценки неоднородности изоляции, обусловленной локальным увлажнением, могут быть использованы измерения поляризационных характеристик при переменном напряжении.

Используя схему замещения (рис. 3.1 - б), можно показать, что емкость С и tgd двухслойного диэлектрика зависят от частоты w. Зависимость С = f (w), представленная на рис. 3.3, выражается формулой

                                (3.7)

где С_г — геометрическая емкость изоляции (не учитывает процессы, связанные с неоднородностью изоляции), τ – постоянная времени установления поляризации.

Величина ∆С, входящая в (3.7), зависит от степени неоднородности изоляции. Поэтому изменения в изоляции, связанные с локальным увлажнением, приводят к увеличению начального значения С_w, что иллюстрируется приведенными на рис. 3.4 данными (отношение емкости увлажненного образца - С_вл к емкости сухого - С_сух отражает степень локального увлажнения - φ). Поэтому в качестве показателя локального увлажнения слюдяной изоляции электрических машин принят коэффициент неоднородности К_неодн., определяемый как отношение емкостей, измеренных на частотах 50 Гц и 100 кГц,

                                              (3.8)

Рис.3.3. Зависимость емкости диэлектрика от частоты

Таким образом, для оценки степени увлажнения изоляции могут быть использованы следующие характеристики:

– сопротивление изоляции; коэффициент абсорбции;

– коэффициент неоднородности;

– диэлектрические потери.

Последний показатель отражает, как изменяются проводимость и поляризационные процессы при переменном напряжении. Формула для расчета диэлектрических потерь, полученная из эквивалентной схемы изоляции с параллельным соединением образующих элементов R, С, справедлива только при наличии сквозного увлажнения, т.е. в случае преобладания потерь проводимости.

                                                   (3.9)

Рис. 3.4. Влияние степени увлажнения на емкость изоляции

3.2. Описание образцов:

Образцы для исследования представляют собой макеты стеклослюдобумажной изоляции, изготовленной из “сухих” (непропитанных) лент типа Элмикапор. Макеты изоляции пропитаны эпоксидным компаундом ПК-11 на промышленной установке предприятия “Электросила” вакуум-нагнетательным способом.

Толщина изоляции макетов составляет 5 - 6 мм, что на реальных обмотках соответствует номинальному напряжению 18 – 24 кВ. Ряд макетов имеют дефекты в виде непропитанных слоев, прилегающих к токоведущей части.

Измерения производят в исходном состоянии и после увлажнения. Условия и время увлажнения указываются преподавателем.

3.3. Порядок выполнения работы:

1. Определение сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции изоляции.

а) Произвести измерения сопротивления изоляции (R) образцов с помощью тераомметра Е6-32 через 15, 60с после включения напряжения.

б) Рассчитать К_абс.

в) Результаты записать в табл.1 (табл. 3.1).

г) Построить зависимости R от времени измерения (t).

Таблица 3.1.

Тип изоляции	Состояние образцов	R, Ом, через				Кабс
		15 с	60 с
	исходное
	после увлажнения

2. Определение зависимости С и tgd от частоты.

а) Произвести измерение емкости С и tgd на частотах 100, 10³, 10⁴, 10⁵ Гц (LCR Meter АРРА703).

б) Результаты записать в табл.2 (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Тип изоляции	Состояние образцов	f, Гц
				10^3		10^4			10^5
		С, пФ	tgd	С, пФ	tgd			С, пФ		tgd
	исходное
	после увлажнения

в) Оценить  и составить сводную табл. 3.3.

г) Сравнить образцы, имеющие разное качество пропитки.

Таблица 3.3.

Тип изоляции	Состояние образцов	Кабс	Rиз , Ом	Кнеодн			tgd при частоте			tgd расч.
					100 Гц	1 кГц		10 кГц	100 кГц
	исходное
	после увлажнения

3.4.Содержание отчета:

Отчет по выполненной работе должен включать следующие данные:

1. Цель исследований.

2. Описание исследуемых образцов.

3. Таблицы экспериментальных и расчетных данных.

4. Графики зависимостей.

5. Выводы по результатам работы.

Литература:

1. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах. Возникновение и методы выявления дефектов. – М.: Энергоиздат, 1981. – с. 255

2. Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев А.А., Тареев Б.М. Теория диэлектриков. – М.: Энергия, 1965, - с. 344.

3. Бережанский В.Б. Исследование, обоснование и разработка метода контроля увлажнения изоляции стержней обмоток статоров генераторов с водяным охлаждением. Автореферат, 1975.

4. Нормы испытания электрооборудования. Под ред. С.Г. Королева. – М.: Атомиздат, 1978. – с.302.

5. Ваксер Н.М. Изоляция электрических машин. Учебное пособие. – Л., изд. ЛПИ, 1985. – 83 с.

6. Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Старовойтенков В.В. Изоляция электрических машин. Лабораторный практикум. – СПб.: изд. СПбГТУ, 1994. –72с.

Контрольные вопросы:

1. Как влияет состав изоляции на ее увлажнение?

2. Какие характеристики изоляции наиболее чувствительны к увлажнению?

3. Что такое коэффициент абсорбции? Какова допустимая норма К_абс для изоляции электрических машин?

4. Какова физическая сущность коэффициента неоднородности?

5. В каких случаях значения tgd расчетного и измеренного близки?

6. С помощью каких характеристик оценивается сквозное, локальное увлажнение?

Дата добавления: 2023-10-06