Изоляция вращающихся электрических машин

Стоимость изоляции в электрических машинах составляет 50-80% стоимости всех других ее материалов. Поэтому к изоляции вращающихся машин предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы. Активные материалы, т.е. медь обмотки и сталь статора или якоря работают в электрических машинах при больших удельных нагрузках (плотностях токов и индукциях). Соответственно потери мощности в единице объема этих материалов получаются высокими и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие перепады температур активных частей над температурой охлаждающей среды. Поскольку тепло от меди отводится через изоляцию, то она должна обладать высокой теплопроводностью и выдерживать высокую температуру. В связи со сказанным во вращающихся машинах используют изоляцию классов B (130⁰С), F (155⁰С), и H (180⁰С),.

В электрических машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильных на лобовых частях обмотки. Кроме того, она периодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов при пусках и торможениях машин, а также при набросе и сбросе нагрузки. Неравномерный нагрев отдельных частей обмотки в переходных режимах также приводит к деформации изоляции. Наиболее опасные механические напряжения возникают на участках выхода обмотки из пазов. Основное требование к изоляции электрических машин - в пределах требуемого ресурса противостоять указанному выше комплексу эксплуатационных воздействий.

Рис.1.15.. Разрез пазовой части обмотки вращающейся машины: 1 – элементарный проводник; 2 – изоляция проводника; 3 - витковая изоляция; 4 – изоляция катушки (корпусная изоляция); 4 – 5 – полупроводящее покрытие; 6 паз; 7 - -прокладки из миканита; 8- клин.

В современных машинах, как правило, используются двухслойные обмотки, когда в одном пазу располагаются катушки двух разных секций (рис.8.15). Изоляция обмоток электрических машин подразделяется на главную (корпусную) и продольную (междувитковую и междукатушечную). Главной называется изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях. К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т.е. междувитковая, а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками. Следует заметить, что продольная изоляция является частью корпусной изоляции. Междувитковой изоляцией обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов.

Главная изоляция в связи с очень жесткими требованиями к электрической и механической прочности и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материалов. В них основным диэлектрическим барьером служит слюдинитовые ленты, изготовленные из слюды двух разновидностей: мусковит и флогопит (табл.1.1).

Таблица 1.1.

Электрические свойства слюды

Виды слюды	,Ом·м		при частоте 50Гц
Мусковит	1012-1016	6-8	0,015
Флогопит	1011-1012	5-7	0,05

Слюда относится к высшему классу нагревостойкости С (допустимая температура более180⁰С). Для изоляции электрических машин слюду используют в виде клееных слюдяных изделий – миканитов, микалент или лент из слюдинитовой бумаги. Миканиты – листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которые наклеиваются с одной стороны или с обеих сторон. Подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе материала.

Вследствие большого содержания слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагревостойкостью и относятся к классу В (130⁰С) даже при употреблении обычных клеящих веществ и органических подложек. При использовании специальных клеящих веществ и неорганических подложек получаются материалы класса F(155⁰С) и H (180⁰С), а нагревостойкие (без содержания органических веществ) миканиты, как и чистая слюда, относятся к классу нагревостойкости С. Для пазовой изоляции применяются гибкие миканиты. Разновидностью гибкого миканита является микалента. В настоящее время из слюдяных отходов изготавливают слюдяные бумаги- слюдиниты и слюдопласты, которые во многих случаях заменяют микаленты.

Микалента или слюдинитовая лента наматывается с перекрытием в несколько слоев на токоведущие части обмотки машины, пропитывается под вакуумом связующим составом и опрессовывается. Технология изготовления выбирается такой, чтобы достигались высокая прочность и монолитность изоляции в целом. Объясняется это тем, что несмотря на высокую короностойкость самой слюды частичные разряды в газовых включениях, воздействуя на связующие материалы, все же ограничивают сроки службы изоляции. Кроме того, газовые прослойки сильно снижают механическую прочность и теплопроводность изоляции.

В качестве пропиточных составов в настоящее время применяется пропиточные компаунды типа КП-99ИД на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Такой состав после полимеризации не размягчается при нагреве, а сама изоляция называется термореактивной (в отличие от компаундированной термопластично й изоляции с маслобитумными связующими). В качестве подложки используют стеклоткань.

Технология изготовления слюдинитовых лент состоит из следующих стадий: пропитка бумаги, удаление летучих продуктов и армирование стеклоподложками, синтетическими бумагами и полимерными пленками. В качестве пропитывающих составов используются эпоксидные лаки.

В настоящее время слюдяные ленты выпускаются двух типов: предварительно пропитанные и непропитанные. Слюдяные ленты, имеющие долю связующего вещества в пределах 35-40%, относят к классу предварительно пропитанных (ЛСМ, ЛСК), а имеющие 5-11% - к классу непропитанных (ЛСКН, ЛСКО).

Из предварительно пропитанных лент изготовляют изоляцию типа Слюдотерм и Монотерм. За рубежом эта технология называется RR (resin rich). После намотки таких лент на токоведущие части осуществляется их опрессовка и отверждение под давлением при температуре 160⁰С. Технология с предварительно пропитанными лентами широко применяется на электромашиностроительных заводах при изготовлении крупных электрических машин, тяговых электродвигателей, а также на предприятиях, занимающихся ремонтом электродвигателей. Одним из преимуществ данной технологии является полная ремонтопригодность электрических машин.

Из непропитанных лент изготовляют изоляцию типа Монолит. На изолируемые части наматывается сухая лента, затем производится вакуумно-нагнетательная пропитка горячим составом обмотки в корпусе статора или отдельно до значения 35-40%, опрессовка и полимеризация (запечка) пропиточного состава. За рубежом технология с вакуумно-нагнетательной пропиткой называется VPI (vacuum pressure impregnation), а технология пропитки изоляции в сборе с сердечником статора или якоря получила название “Global-VPI”).

По сравнению с компаундированной термореактивная изоляция в нагретом состоянии имеет в 1,5-2 раза более высокую электрическую прочность, в 4-5 раз большую прочность на разрыв и в 3-4 раза меньшие диэлектрические потери. Однако она более хрупкая.

При изготовлении изоляции Монолит основное связующее вводится в процессе вакуумно-нагнетательной пропитки Из-за наличия небольшого количества технологического связующего в непропитанной ленте слюдяная бумага легко повреждается при изолировочных работах. Поэтому сохранение целостности слюдяного барьера при изготовлении изоляции является важной составной частью технологии Монолит. В новых лентах Элмикапор АО «Элинар» за счет модификации технологического связующего повышена адгезионная прочность слюдяных бумаг к подложке, что позволяет снизить вероятность повреждения слюдяного барьера в процессе ее переработки. Основные показатели новой ленты находятся на уровне требований лучших зарубежных аналогов. Для ослабления сцепления секций обмотки с сердечником статора и устранения повышенных термомеханических напряжений в изоляции используют антиадгезионный слой. Это позволяет повысить срок службы изоляции

Для устранения частичных разрядов в воздушных слоях между поверхностью изоляции и стенками пазов и особенно скользящих разрядов по поверхности изоляции в местах выхода обмотки из паза, где электрическое поле получается резконеоднородным, применяют полупроводящие покрытия. Для их изготовления используют полупроводящие лаки и проводящую ленту ЭЛКОНД-1 толщиной 0,085мм, предварительно пропитанную проводящим связующим. Удельное поверхностное сопротивление ленты ЭЛКОНД-1 после отверждения составляет 10⁵Ом.

В качестве примера приведем описание конструкции изоляции обмотки якоря тягового электродвигателя типа НБ-418К6 электровоза ВЛ80с.Каждая катушка обмотки состоит из четырех элементарных проводников, расположенных в пазу плашмя и выполненных из провода ПЭТВСДТ. Корпусная изоляция якорных катушек выполнена из 4-х слоев предварительно пропитанной слюдинитовой ленты ЛСЭК толщиной 0,1мм, наложенных с перекрытием в половину ширины ленты, одного слоя фторопластовой ленты толщиной 0,02мм, наложенной с перекрытием в 1/4 ширины ленты и одного слоя стеклоленты толщиной 0,1мм, наложенной встык. Обмотку три раза пропитывают в лаке ФЛ-98, в том числе один раз вакуум нагнетательным способом. В качестве пазового клина 8 (рис.8.15) используют профильный стеклопластик типа СПП-180-У толщиной 5мм. Повышенные физико-механические характеристики стеклопластика достигаются за счет комбинированной ориентации стекловолокон в продольном и поперечном направлениях. Класс нагревостойкости H. Стеклопластик нетоксичен, но при механической обработке выделяется стеклянная пыль и рабочие места должны быть оборудованы воздухоотсосами.

Корпусная изоляция главных плюсов выполняется из пяти слоев микаленты ЛМК-ТТ толщиной 0,13мм и одного слоя стеклоленты ЛЭС толщиной 0,2мм, уложенных с перекрытием в половину ширины лент. На поверхности обмотки, прилегающей к остову, прикреплены предохранительные прокладки из электронита толщиной 1мм. Для повышения монолитности изоляции катушек главных и добавочных полюсов их выпекают после изолирования в специальных приспособлениях, а для повышения влагостойкости покрывают электроизоляционной эмалью ЭП-91 класса нагревостойкости F. В качестве межвитковой изоляции используется асбестовая бумага толщиной 0,3мм, уложенная в два слоя.

В процессе изготовления изоляции машины ее электрическая прочность многократно проверяется повышенным напряжением промышленной частоты в течение 1 минуты. Витковая изоляция электрических машин в условиях эксплуатации испытывается повышенным напряжением возбужденной машины, равным (1,15-1,3) U_ном.

У машин постоянного тока нужно изолировать от корпуса не только витки обмотки, но и коллектор, Кроме того сами коллекторные пластины должны быть изолированы друг от друга. Для этих целей применяют коллекторный миканит в виде штампованных заготовок, которые прокладываются между медными пластинами коллекторов электрических машин. (междупластинная изоляция коллектора). Коллекторный миканит изготовляется из слюды флогопит, как более легко истирающейся. Коллекторный миканит из флогопита истирается щетками машины так же как и коллекторная медь. Это удешевляет эксплуатацию электрической машины, так как не требуется «продораживания» коллектора. Связующим служит глифталь или другие смолы. По сравнении. с остальными типами миканитов он имеет наименьшее содержание связующего (не более4%) и высокую плотность Это обеспечивает прочность коллектора во время работы машины. Для изоляции коллектора от вала электрической машины применяют формовочные миканиты.

В заключении отметим, что в настоящее время предприятия, изготовляющие электроизоляционные материалы, разрабатывают и производят не только отдельные виды изоляционных материалов, но целый комплекс совместимых материалов, которые образуют требуемую систему электрической изоляции.