Электротехнические материалы для ремонта электрических машин и трансформаторов

Фридлянд М. Б., Электротехнические материалы для ремонта электрических машин и трансформаторов. Москва, 1971.

Содержатся основные сведения о свойствах электротехнических материалов, применяемых при ремонте электрических машин и трансформаторов. Приводятся основные физико-химические и механические характеристики и указываются области применения электроизоляционных, проводниковых и магнитных материалов, припоев, флюсов и клеев. Даны в кратком виде, сведения об условиях поставки и правилах хранения электротехнических материалов. Брошюра предназначена для занятых ремонтом электрооборудования.

1. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Назначение электроизоляционных материалов в электрических машинах и трансформаторах заключается в создании между частями, имеющими разные электрические потенциалы, такой среды, которая препятствовала бы прохождению тока между этими частями.
Правильные выбор и применение электроизоляционных материалов в значительной степени определяют эксплуатационную надежность отремонтированного оборудования и стоимость ремонта. Поэтому знание основных характеристик этих материалов является совершенно обязательным для лиц, занимающихся ремонтом электрооборудования.
Электроизоляционные материалы — диэлектрики могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Наибольшее применение при ремонте электрических машин имеют твердые диэлектрики. При ремонте трансформаторов, наряду с твердыми диэлектриками, применяется жидкий — трансформаторное масло. Газообразные диэлектрики практически не применяются при ремонте и нами не рассматриваются.
По своему химическому составу электроизоляционные материалы могут быть органического происхождения, содержащие в своих молекулах углерод (древесина, хлопчатобумажные волокна и др.), и неорганического происхождения, в молекулах которых углерод отсутствует (слюда, асбест и др.).
В результате работ советских ученых, в первую очередь члена-корреспондента АН СССР К. А. Андрианова, получены так называемые кремнийорганические материалы, сочетающие в себе положительные свойства как органических, так и неорганических веществ.
По способу получения диэлектрики подразделяются на естественные — природные и искусственные — синтетические.
Синтетические материалы получают все большее применение благодаря тому, что могут быть созданы с заранее заданными характеристиками, намного превышающими характеристики естественных материалов. Свойства диэлектриков зависят от их молекулярного строения. Благодаря достижениям химии и химической промышленности можно создавать синтетические электроизоляционные материалы с оптимальным для своего назначения молекулярным строением.
Различают электрические, механические, физико-химические и тепловые характеристики диэлектриков.
Объемное сопротивление — сопротивление диэлектрика при прохождении через него постоянного тока.
Для плоского диэлектрика оно равно:


где р„—удельное объемное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление куба с ребром 1. см при прохождении постоянного тока через две противоположные грани диэлектрика, ом-см; S — площадь сечения диэлектрика, через которое проходит ток (площадь электродов), см2; е— толщина диэлектрика (расстояние между электродами), см.
Поверхностное сопротивление — сопротивление диэлектрика при прохождении тока по его поверхности. Это сопротивление составляет:
где р., — удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление квадрата (любых размеров) при прохождении постоянного тока от одной его стороны к противоположной, ом; I — длина поверхности диэлектрика (в направлении прохождения тока), см; s — ширина поверхности диэлектрика (в направлении, перпендикулярном прохождению тока), см.
Диэлектрическая проницаемость. Как известно, емкость конденсатора—диэлектрика, заключенного между двумя параллельно расположенными и на- 4
холящимися друг против друга металлическими обкладками (электродами), составляет:


где е — относительная диэлектрическая проницаемость материала, равная отношению емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора таких же геометрических размеров, но диэлектриком которого является воздух (вернее вакуум); 5 — площадь электрода конденсатора, см2; I — толщина диэлектрика, заключенного между электродами, см.
Угол диэлектрических потерь. Потеря мощности в диэлектрике при приложении к нему переменного тока составляет:
где U — приложенное напряжение, в; /„ — активная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, а.
Как известно:
где /р— реактивная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, а; С — емкость конденсатора, см; f— частота тока, гц; ф— угол, на который вектор тока, проходящий через диэлектрик, опережает вектор напряжения, приложенного к этому диэлектрику, град; 6 — угол, дополняющий ф до 90° (угол диэлектрических потерь, град).
Таким образом, величина потери мощности определяется:
В электрических машинах и трансформаторах диэлектриком, в котором происходит потеря мощности, является изоляция обмоток. Чрезмерно большие потери могут привести к перегреву и разрушению изоляции.
Как следует из приведенной формулы, потеря мощности в изоляции, а следовательно, и ее нагрев зависят от tg6. В процессе эксплуатации может произойти повышение tg6 из-за общего старения изоляции — появления в ней воздушных и других включений, вызванных расслоением и растрескиванием изоляции.
Большое практическое значение имеет вопрос зависимости tg6 от величины приложенного напряжения (кривая ионизации). При однородной изоляции, не имеющей расслоений и растрескиваний, tg6 почти не зависит от величины приложенного напряжения; при наличии расслоений и растрескиваний с увеличением приложенного напряжения tg6 резко возрастает из-за ионизации промежутков, заключенных внутри изоляции.
Периодическое измерение tg6 и его сравнивание с результатами предыдущих замеров характеризуют состояние изоляции, степень и интенсивность ее старения.
Электрическая прочность. В электрических машинах и трансформаторах диэлектрики, образующие изоляцию обмоток, должны противостоять действию электрического поля.
Интенсивность (напряженность) поля возрастает с увеличением напряжения, создающего это поле, и, когда напряженность поля достигает критической величины, диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства происходит так называемый пробой диэлектрика.
Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующая ему напряженность поля — электрической прочностью диэлектрика.
Численное значение электрической прочности равно отношению величины пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя:

где f/цр — пробивное напряжение, кВ; I — толщина изоляции в месте пробоя, мм.
Помимо электрических, различают следующие физико-химические характеристики диэлектриков.
Кислотное число — определяет количество (мг) едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в жидком диэлектрике и ухудшающих его электроизоляционные свойства.
Вязкость — определяет степень текучести жидкого диэлектрика, от которой зависит проникающая способность лаков при пропитке обмоточных проводов, а также конвекция масла в трансформаторах.
Различаются кинематическая вязкость, измеряемая капиллярными вискозиметрами (U-образными стеклянными трубками), и так называемая условная вязкость, определяемая по скорости истечения жидкости из калиброванного отверстия в специальной воронке (вискозиметр ВЗ-4).
Единицей кинематической вязкости является стокс (ст). Для практических целей пользуются сотой частью стокса — сст. Условная вязкость измеряется градусами Энглера (с£). Зависимость между кинематической и условной вязкостью приведена в табл. 1.
Нагревостойкость — способность материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации электрооборудования.
Под влиянием нагрева происходит тепловое старение электроизоляционных материалов, в результате которого изоляция перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.
Согласно ГОСТ 8865-70 все электроизоляционные материалы по своей нагревостойкости подразделяются на семь классов, указанных в табл. 2.
Обозначение по указанному ГОСТ 8865-70 некоторых классов электроизоляционных материалов по нагревостойкости соответствует следующим старым обозначениям классов:

Температура размягчения, при которой начинается размягчение твердых диэлектриков, имеющих в холодном состоянии аморфное состояние (смол, битумов).
Температура размягчения определяется при выдавливании разогретой изоляции из кольца или трубки с помощью стального шарика или ртути.
Температура каплепадения, при которой из чашки (имеющей на дне отверстие диаметром 3 мм), в которой разогревается испытуемый материал, отделяется и падает первая капля.
Температура вспышки паров, при которой смесь паров электроизоляционной жидкости и воздуха воспламеняется от преподнесенного пламени горелки.

Примечания: 1. Указанные в таблице температуры являются предельно допустимыми для электроизоляционных материалов при их длительном использовании в электрических машинах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.
Температура в наиболее нагретом месте изоляции не должна превышать указанных предельно допустимых величин при работе электрооборудования в нормальном режиме.
С электроизоляционными материалами данного класса допускается совместное применение материалов предшествующих классов при условии, что под действием температуры, допускаемой для материалов более высокого класса, электрические и механические свойства комплексной изоляции ие должны претерпевать изменений, могущих вызвать непригодность изоляции для длительной работы.
Определяется по прибору ПВНО (или ПВНЭ ), представляющему собой закрытый латунный сосуд емкостью 100 мл, в котором испытуемая жидкость подогревается с установленной скоростью увеличения температуры.
Чем ниже температура воспламенения жидкости, тем больше ее испаряемость. В трансформаторах при испарении масла повышается его вязкость, ухудшается состав и образуются вредные для здоровья и взрывоопасные газы. В то же время повышение температуры вспышки не снижает пожарной опасности трансформаторного масла.
Влагостойкость, химстойкость, морозостойкость и тропикостойкость — стабильность электрических и физико-химических характеристик электроизоляционных материалов при воздействии соответственно влаги, кислот или щелочей низкой температуры в пределах от —45° до —60° С, а также тропического климата, характеризуемого высокой и резко изменяющейся в течение суток температурой воздуха, его высокой влажностью и загрязненностью, наличием плесневых грибков, насекомых и грызунов.

Дугостойкость и короностойкость — стойкость электроизоляционных материалов к воздействию озона и азота, выделяющихся при тихом разряде — короне, а также стойкость к действию электрических искр и устойчивой дуги.
Термопластичные и термореактивные свойства. Термопластичными электроизоляционными материалами являются такие, которые, будучи твердыми в исходном, холодном состоянии, размягчаются при нагреве и растворяются в соответствующих растворителях. После охлаждения эти материалы вновь отвердевают.
При повторном нагреве сохраняется их способность к размягчению и растворению в растворителях. Таким образом, нагрев таких материалов не вызывает каких- либо изменений в их молекулярной структуре.
В противоположность этому так называемые термореактивные материалы после тепловой обработки при соответствующем режиме отвердевают (запекаются); при повторном нагреве не размягчаются и не растворяются в растворителях, что свидетельствует о прошедших при нагреве необратимых изменениях в их молекулярном строении.
При конструировании и изготовлении обмоток необходимо учитывать не только электрические и физико-химические характеристики изоляционных материалов, но и их механическую прочность.
Механическими характеристиками изоляционных материалов являются: пределы прочности при растяжении, сжатии, статическом и динамическом изгибе, а также твердость. Расчетные формулы для определения этих величин приведены в табл. 3.