Технические науки/ 6.Электротехника и радиоэлектроника

 

Карпінець Богдан Іванович

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Методи оцінки терміну служби ізоляції обмоток електрообладнання

 

            Експлуатаційна надійність електричних машин і силових трансформаторів  визначається надійною роботою їх обмоток, яка в  свою чергу, залежить від стану їхньої ізоляції. В процесі експлуатації електричних машин і силових трансформаторів, а також під час їх зберігання  та транспортування ізоляція обмоток зазнає різних зовнішніх впливів, які призводять з часом до прогресуючого погіршення її властивостей.

         Основною характеристикою ізоляції обмоток є її електрична міцність. Цю найважливішу властивість ізоляція може зберегти в процесі експлуатації тільки при  наявності багатьох інших факторів, зменшення рівня яких призводять до зниження електричної міцності. Ізоляція повинна зберігати високу теплопровідність, в противному випадку виникатиме підвищений місцевий нагрів, який супроводжується прискореним її руйнуванням. Електрична ізоляція повинна володіти достатньою механічною міцністю і еластичністю, які виключали б можливість утворення залишкової деформації, тріщин, розшарування її внаслідок механічних зусиль. Ізоляція повинна зберігати стабільний хімічний склад., тому що зміна його призводить до зниження її електричної міцності. Необхідною умовою збереження електричної міцності є також стійкість структури ізоляції тому, що тільки однорідна і монолітна структура може володіти високою теплопровідністю, достатньою вологостійкістю і властивістю тривало працювати в електричних полях високої напруги.

         Необоротні зміни структури і хімічного складу ізоляції, які відбуваються внаслідок дії перелічених факторів, у сукупності називається її старінням. Процес погіршення властивостей ізоляції в результаті старіння називається зношенням.

Серед різних факторів, які визначають термін служби ізоляції обмоток електричних машин і силових трансформаторів, одним із основних є теплове старіння. Це явище найкраще від інших піддається кількісному обліку, а тому воно порівняно детально досліджене. Отже, основним фактором старіння ізоляції обмоток є температурний фактор, збільшується швидкість старіння ізоляції обмоток при більш високих температурах.

Розрізняють поняття теплостійкості та нагрівостійкості ізоляції обмоток електрообладнання. Теплостійкість – це властивість електроізоляційного матеріалу зберігати свої властивості на визначеному рівні при відносно короткочасному нагріванні. Ізоляційний матеріал не повинен при цьому руйнуватися і розшаровуватися, змінювати свій хімічний склад тощо. Нагрівостійкість характеризує властивість матеріалу без суттєвого погіршення характеристик витримувати дію  допустимої для даного класу ізоляції температури впродовж часу, що відповідає терміну служби даного типу електрообладнання.

Для практичних цілей нагрівостійкість є більш важливою характеристикою ізоляції, яка покладена в основу класифікації електроізоляційних матеріалів.

Так як нагрівостійкість визначається швидкістю старіння ізоляції в умовах підвищених температур, особливого значення набувають методи розрахунку швидкості старіння і на цій основі – терміну служби електричної ізоляції.

Експериментально було встановлено, так зване, правило «восьми градусів» математичний запис якого наступний:

                    ,                                                                (1)

де  - температура нагріву ізоляції, оС; Т – термін служби ізоляції при температурі ,  роки; То – термін служби ізоляції при температурі, оС; = 8оС - підвищення температури, при якому термін служби ізоляції зменшується у два рази.

На основі подальших експериментальних досліджень було встановлено, що величина = 8оС характерна лише для ізоляції класу А, а для ізоляції класу В та класу Н ця величина становить відповідно 10 оС і 12 оС. Отже, чим вищий клас ізоляції, тим поволіше відбувається старіння ізоляційного матеріалу при даній температурі.

Рівняння (1) в логарифмічній формі має наступний вигляд:

,                                              (2)

де  .

         Таким чином, згідно з рівнянням (2) логарифм терміну служби ізоляції має лінійну залежність від температури.

         Якщо в якості базової вибрана така температура оС для якої термін служби приймається нормальним, то цей термін можна поділити на термін служби, що відповідає будь-якій іншій температурі оС. Це безрозмірне відношення, що називається відносним старінням ізоляції, позначимо через ζ. Використовуючи формулу (1), отримаємо:

.                                         (3)

         Прийнято вважати, що ізоляція обмоток електрообладнання з температурою найбільш нагрітої точки, що становить 98 оС, старіє нормально. Термін служби в цьому випадку складає декілька десятків років. Якщо у формулі (3) прийняти, що .=.98 оС, тоді отримаємо формулу для розрахунку відносного зношення електричної ізоляції ζ при температурі:

.                                                  (4)

          Більш строгий підхід до дослідження явища старіння електричної ізоляції, який базується на загальних законах кінетики хімічних реакцій. Я.Вант Гоффом та С. Арреніусом була встановлена залежність швидкості хімічних реакцій від температури:

 ,                                                              (5)

де К –постійна швидкості реакції;  - абсолютна температура; А та В – постійні коефіцієнти.

Експериментально доведено, що процеси окислення, які відбуваються в ізоляції, відносяться до класу мономолекулярних реакцій, для яких постійна К, визначається з рівняння:

,         або         ,                              (6)

де Со – початкова концентрація непрореагованих молекул; С – концентрація молекул в момент часу, що розглядається; t. – час, год.;

         Знаючи термін служби ізоляції Т1 при температурі  можна  визначити термін її служби Т2 при температурі  за  формулою:

                                           ,                                            (7)

де Еа – енергія активації; R = 8,317 Дж/(град·моль) універсальна газова стала.

Вплив електричного поля на термін служби ізоляції досліджений ще не достатньо. Для оцінки цього впливу використовують залежність 

 ,                                                (8)

де Е – напруженість електричного поля, кВ/мм; Ае та т – коефіцієнти які залежать від властивостей ізоляційного матеріалу.

         Сукупний вплив на термін служби електричної ізоляції обмоток температури, вологості та агресивного середовища можна оцінити за формулою:

,                                                  (9)

де т, п – коефіцієнти які залежать від властивостей ізоляційного матеріалу;  С – концентрація агресивного агенту;  - відносна вологість.

Підсумовуючи вище викладене видно, що на термін служби та старіння електричної ізоляції обмоток електрообладнання впливають такі чинники як температура, вологість, а також агресивне середовище. На основі проведених досліджень визначальним чинником є температура.

З метою якісної оцінки експлуатаційної надійності ізоляції обмоток електрообладнання доцільно здійснювати безперервний контроль за температурним режимом ізоляції. За відповідними даними про температурний стан визначають швидкість старіння ізоляції, її зношення, термін служби та прогнозують залишковий ресурс ізоляції обмоток відповідного електрообладнання.

Література

1.   Карпинец Б.И.,  Суд И.И. Комплектные трансформаторные подстанции для нефтедобывающих предприятий Западной Сибири.-М.: ВНИИОЭНГ.- 1986.-52 с.

2.   Мантров М.И. Расчет изоляции электрических машин.-: МЭИ.-1964.-111 с.

3.   Хвальковский А.В. Вопросы надежности изоляции статорных обмоток генераторов.-М.: Энергия.- 1966.- 240 с.

4.   Маламедов И.М. Физические основы надежности.- Л.: Энергия.- 1970.- 152 с.

5.   Киш Л. Нагрев и охлаждение трансформаторов.- М.: Энергия.- 1980.- 208 с.