Высоконагревостойкая электрическая изоляция - Применение изоляции высокой нагревостойкости в электротехническом оборудовании

Глава одиннадцатая
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОЙ НАГРЕВОСТОЙКОСТИ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Развитие ядерной, металлургической и других отраслей современной техники потребовало создания электротехнического оборудования, предназначенного для длительной (в течение нескольких тысяч часов) работы при температурах 300-600 °С и выше в воздушной или инертной среде, а также в вакууме [46, 99, 121—123]. Эти температуры определяются высокой температурой окружающей среды и (или) высокими показателями электромагнитных нагрузок, заданных с целью получения минимальной массы и размеров электрооборудования. Так, например, температура обмоток специальных трансформаторов, исследованных рядом фирм США, равнялась 600 °С и складывалась из температуры окружающей среды (500 °С) и превышений температур обмоток (на 100 °С). В другом случае температура корпуса асинхронного электродвигателя мощностью 883 Вт с непосредственным охлаждением поверхности достигала 590 °С при температуре окружающей среды около 90 °С.
Ниже приведены некоторые виды высокотемпературного электротехнического оборудования, длительно работающего при высоких температурах в разных средах, которое не могло быть создано без соответствующих обмоточных проводов и электроизоляционных материалов высокой нагревостойкости.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ И АППАРАТЫ

Для длительной работы при температуре 600 °С в вакууме была разработана и исследована конструкция изоляции низковольтного асинхронного электродвигателя МТ-3000 с полузакрытым пазом трапециевидной формы [85, 96]. Создание изоляции такого электродвигателя потребовало решения ряда принципиально новых задач, связанных с выбором соответствующих обмоточных проводов и электроизоляционных материалов, разработкой конструкции изоляции и технологии изолировки, пропитки и заливки обмотки электродвигателя. На основании предварительных исследований для изоляции электродвигателя МТ-3000 выбраны следующие электроизоляционные материалы и обмоточные провода: провод обмоточный со стеклокерамической изоляцией, провод обмоточный со стекловолокнистой изоляцией, слюдопласт формовочный, стеклослюдинит листовой гибкий ГСКВ, стеклослюдинитовая лента ЛСКВ, слоистый пластик АГН-7, пропиточный состав СПВ-8, заливочный компаунд АФ-5.
Проведенные исследования электроизоляционных материалов и изоляции обмоточных проводов, а также изоляции большого количества макетов электродвигателя в исходном состоянии и в процессе длительного теплового старения при температурах 600—700 °С дали возможность сделать вывод, что все выбранные материалы могут быть использованы для изоляции низковольтного электротехнического оборудования, предназначенного для длительной (до 25 000 ч) работы при температуре 600 °С в глубоком вакууме.
Для изоляции асинхронного электродвигателя мощностью 368 Вт с рабочей температурой 500 °С фирмой Westinghouse (США) [97] были применены обмоточные провода с алюминиевой жилой диаметрами 0,5 и 0,73 мм. Изоляцией провода служила стеклопряжа, пропитанная суспензией фосфатного связующего со слюдой. Для изоляции пазовой и лобовой частей обмотки применяли миканит на алюмофосфатном связующем толщиной 0,25 мм. Лобовые части обмотки изолировали стеклолентой. Обмотанный статор электродвигателя подвергали вакуумной пропитке составом, состоящим из раствора фосфата, волластонита, кианита и кремнезема. После пропитки и запечки лобовые части обмотки погружали в более вязкий состав, после чего производили его запечку при медленном повышении температуры до 300 °С с выдержкой при этой температуре в течение 2 ч. Изготовленные таким образом электродвигатели работали 500 ч при температуре 500 °С. Сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса при температуре 500 °С составляло 50—62 МОм.
Изоляция асинхронного электродвигателя мощностью 735 Вт, предназначенная для работы при 427 °С, была разработана фирмой Louiss Allis (США) [98]. В качестве обмоточных проводов использовали медную жилу, покрытую никелем и изолированную двумя слоями стеклопряжи с кремнийорганическим подклеивающим составом. При температуре 427 °С кремнийорганический полимер деструктировался без науглероживания изоляции. Для пазовой и межфазовой изоляции, а также для пазовых клиньев опробованы асбестовая бумага, слюдобумаги (из мусковита и флогопита) и стекломиканит. Лучшие результаты получены на слюдобумаге из мусковита, пробивное напряжение которой после нагревания при 538 °С — 1000 ч снизилось всего на 25%. При использовании для пазовой изоляции стекломиканита наблюдались изломы на изгибах. В качестве пропиточного и заливочного составов была использована неорганическая композиция, состоящая из фосфатного связующего и оксида алюминия. Лобовые части статорных обмоток после компаундирования покрывали стекловидной эмалью для снижения влагопоглощения. Изоляцию обмотки испытывали напряжением 1500 В после нагревания при 649 °С в течение 500 ч- После нескольких тысяч часов выдержки статоров в интервале температур 427—538 °С сопротивление относительно корпуса и между фазами не падало ниже 106 МОм при 20 °С. Фирмой Louiss Allis было сконструировано несколько электродвигателей мощностью от 735,5 до 11035 Вт, напряжением 440 В и рабочей температурой до 538 °С с применением вышеописанной изоляции.
Электрическая изоляция для малых электродвигателей с рабочей температурой 300- 650 °С (табл. 11.1) разработана фирмой Anaconda Wire and Cable Со (США), ее описание приведено в [99].

Таблица 11.1. Обмоточные провода, изоляция и характеристики электродвигателей [99]

Электродвигатель А-1 (табл. 11.1) рассчитан так, что имел высокий нагрев уже при холостом ходе, что достигалось уменьшением числа проводов в пазу до одной трети от нормального количества и включением обмотки на полное напряжение. Воздушный зазор у двигателя А-1 значительно больше нормального, и при полном напряжении температура обмотки, измеренная термопарой, достигала 500 °С. Испытания двигателя А-1 на срок службы производили при постоянном повышении напряжения для поддержания температуры 500 °С в течение 300 ч.
Электродвигатель А-2, изготовленный фирмой Thompson—Ramo— Wooldridge (Великобритания), имел двухслойную обмотку. Провод протягивали через пазовую изоляционную гильзу, изготовленную из оксида алюминия, с каждой стороны паз заполняли керамическим компаундом. При этом способе заливки паз не полностью заполнялся компаундом. Двигатель А-2 с полной обмоткой работал много часов при температуре 537 °С, причем сопротивление обмотки и характеристики двигателя изменялись очень незначительно.
Электродвигатель В-1 имел корзиночную однослойную обмотку. Такая обмотка особенно пригодна для высокотемпературных трехфазных двигателей (в пазах не требовалась межфазовая изоляция). Межвитковое напряжение в обмотке сравнительно небольшое. Для корпусной изоляции в двигателе В-1 применяли один слой листового материала Анафлекс, полученного из стеклоткани и связующего Анадур
Все соединения и выводы выполнены обмоточным проводом, указанным в табл. 11.1, с дополнительной изоляцией из фарфоровых бус. Эти выводы присоединяли к коробке зажимов, находящейся вне высокотемпературной зоны. Если коробка зажимов находится внутри этой зоны, ее рекомендуется делать из керамики.
Для решения проблемы создания тихоходного малоинерционного электропривода, работающего при высоких температурах окружающей среды (до 600 °С), разработан электродвигатель с катящимся ротором (ДКР), который позволял получить относительно низкую скорость при больших вращающих моментах, а масса и размеры которого были значительно меньше по сравнению с тихоходными электродвигателями классических типов, выполненных на те же выходную скорость и вращающий момент. Существенной особенностью ДКР являлось отсутствие в его конструкции подшипников. Роль опор ротора играли пары обкатывания, которые не требовали смазки. В отличие от большинства электрических машин ротор ДКР расположен в расточке статора эксцентрически. Работа синхронного ДКР основана на использовании силы одностороннего магнитного притяжения. Передачу вращающего момента осуществляли с помощью муфты несоосного вращения непосредственно с ротора ДКР на вал исполнительного механизма [100].

Кинематические особенности ДКР по сравнению с обычными электродвигателями позволяли рекомендовать его в качестве  тихоходного привода для работы при высоких температурах окружающей среды. Параметры ДКР: число фаз т = 3, напряжение питания Uф = 127 В, частота сети 50 Гц, выходная частота вращения п = 24 об/мин, номинальный вращающий момент Мн = 7 Н м.
Обмотку ДКР выполняли катушечной из проводов со стекловолокнистой и стеклокерамической изоляцией с диаметром токоведущей жилы 0,5 мм. В качестве изоляции от корпуса использовали стеклослюдинит гибкий ГСКВ толщиной 0,2 мм. При намотке катушек каждый слой обмотки промазывали пропиточным составом СПВ-8. Собранный статор компаундировали алюмофосфатным компаундом АФ-5. Зажимные колодки выполняли из слоистого пластика АГН-7 толщиной 6 мм. Материалом магнитопровода служила электротехническая сталь марки Э-310, а постоянный магнит изготовлен из сплава ЮНДК-24. Для склейки электротехнической стали применяли кремнийорганический лак. Каждую катушку (всего шесть на статор) после окончательного изготовления испытывали в течение 1 мин напряжением 1000 В, частотой 50 Гц при комнатной температуре. Полностью собранный электродвигатель испытывали в течение 1 мин при напряжении 800 В. После этого статор ДКР был помещен в печь, где подвергался циклическому тепловому старению в течение 500 ч при температуре 600 °С в условиях остаточного давления 10_3 Па при одновременном воздействии напряжения 500 В. Статор выдержал восемь циклов испытаний. Полученные данные подтвердили надежность конструкции ДКР, предназначенного для длительной работы при температурах до 600 °С в вакууме.
Особенно тяжелыми условиями работы электротехнического оборудования является металлургическое производство, где периодически или длительно воздействуют высокие температуры (300 °С и выше), а также возможен контакт электрооборудования с горячим металлом или открытым пламенем. Частый выход из строя электрооборудования приводит к простоям основного металлургического оборудования и затратам материальных и трудовых ресурсов на восстановление этого электрооборудования. Применение электроизоляционных материалов высокой нагревостойкости вместо традиционных систем изоляции повышает эксплуатационную надежность оборудования.
Для машин постоянного и переменного тока использованы следующие электроизоляционные материалы: провод ПОЖ (обмоточный провод), стеклослюдинитовая лента ЛСКВ (корпусная изоляция обмоток), гибкий стеклослюдинит ГСКВ или гибкий слюдопласт ГИфКВ (изолировка пазов статоров или роторов машин с всыпной обмоткой), асбогетинакс АГВН (крепление обмотки клиньями в пазах активного железа), кремнийорганический лак или пропиточный состав СПВ-554 (пропитка обмоток). Пропитку осуществляли методом окунания или вакуумнагнетательным методом. Таким способом капитального отремонтировано более 500 электрических машин постоянного и переменного тока различной мощности. Выхода из строя электродвигателей из-за нарушений изоляции в течение длительного времени эксплуатации не наблюдали.
Разработаны, изготовлены и внедрены в черную металлургию новые электромагниты для принудительного торможения и подравнивания проката на холодильниках мелкосортных станов. Использование таких магнитов увеличило коэффициент трения скольжения с 0,3 до 0,5, что обеспечило прием подаваемых на холодильник полос длиной до 120 м вместо подаваемых ранее полос длиной 90-100 м и позволило производить подравнивание пакетов по переднему концу, что снизило выход немерных металлических полос. Для создания электромагнитных тормозных башмаков таких магнитов, работающих длительно при температурах до 600 °С, использованы следующие электроизоляционные материалы: стеклослюдинитовая лента ЛСКВ, пропиточный состав СПВ-8, заливочный компаунд АФ-5, слоистый пластик АГВН и др. Перегревов и пробоев катушек не наблюдали.
Для транспортировки листов углеродистой стали толщиной 3—12 мм, шириной до 1850 мм применяли электромагнитные ролики. Их устанавливали на электромагнитных рольгангах укладчиков в агрегатах поперечной резки стальных листов. При резке горячекатаных листов зачастую на агрегат поступают для разделки рулоны стали, имеющие температуру 300—400 °С. Для устранения выхода из строя электромагнитных роликов из-за нарушения изоляции катушек применены электроизоляционные материалы высокой нагревостойкости [101]. В качестве изоляции от корпуса применена - стеклослюдинитовая лента ЛСКВ, наматываемая в два слоя в полнахлеста с промазкой кремнийорганическим лаком. Катушки пропитывали тем же лаком с последующей запечкой. После пропитки лаком и запечки катушки бандажировали стеклолентой и покрывали нагревостойкой эмалью. Для фиксации катушки в корпусе электромагнита использовали в качестве распорных клиньев нагревостойкий слоистый пластик АГВН толщиной 2-6 мм. Для заполнения зазора между корпусом магнита и катушкой применяли заливочный компаунд АФ-5, который обеспечивал жесткую фиксацию катушки в корпусе магнита и предотвращал перегрев обмотки при повышенной внешней температуре.
Применение этих электроизоляционных материалов в производственных условиях не вызвало каких-либо дополнительных технологических трудностей.
Испытание роликов показало, что требуемые усилия притяжения стальных листов и развиваемое усилие тяги обеспечивались при температурах, превышающих 300—400 °С.
Электромагнитные ролики с высокотемпературной изоляцией успешно эксплуатируют на ряде металлургических комбинатов. Опыт работы электромагнитных роликов на этих комбинатах подтвердил их повышенную надежность: за 6 лет эксплуатации агрегатов поперечной резки (АПР) не зарегистрировано ни одного выхода из строя катушек магнитных роликов, в то время как на АПР с традиционной изоляцией выход из строя катушек роликов составлял 50 % в год.