VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Наиболее частыми причинами снижения сопротивления изоляции обмоток электрических машин, аппаратов, распределительных и прочих устройств являются загрязнение токопроводящей пылью и увлажнение [1,2,7,9]. Однако, на практике бывает трудно отделить одну причину от другой, что приводит к непроизводительным затратам времени при выборе способов повышения сопротивления изоляции. Для выявления причины снижения сопротивления изоляции (увлажнение или загрязнение) удобно использовать мост постоянного тока или безиндукторный мегаомметр. При этом необходимо измерить сопротивление изоляции при двух направлениях тока в контролируемой цепи путем изменения полярности подключаемого к обмоткам напряжения.

Если низкое сопротивление изоляции вызвано токопроводящей пылью, то при обоих измерениях будут одинаковые показания. При разных результатах наиболее вероятными причинами являются проникновение в обмотку влаги и образование гальванической ЭДС, которая и создает разные показания при измерении.

Увлажненность изоляции обмоток электрических машин можно определить с помощью измерения так называемого коэффициента абсорбции. Физический смысл коэффициента абсорбции поясняется ниже.

Для анализа поведения изоляции под воздействием приложенного напряжения ее представляют некоторой эквивалентной схемой замещения, которая состоит из трех параллельно включенных цепей (рис. 1 ).

Первая цепь состоит их конденсатора, емкость С1 которого определяется геометрическими размерами изоляции и ее расположением относительно земли (корпуса) и называется геометрической емкостью или емкость мгновенной поляризации. Через эту емкость проходит ток Iг.

Вторая цепь состоит из конденсатора С2 включенного последовательно с резистором, имеющим активное сопротивление R2. Величина R2 в основном зависит от строения изоляции, ее однородности и диэлектрических качеств (наличия расслоений, посторонних включений, капилляров и т.п.). Емкость С2называется абсорбционной емкостью или емкостью медленной поляризации. Появление токов абсорбции I_абсобусловлено перераспределением напряжений между разнородными слоями изоляции в процессе ее заряда. В первый момент после приложения напряжения распределение напряжений по слоям изоляции определяется емкостями слоев (напряжения обратно пропорциональны емкостям).

Рис. 1 . Эквивалентная электрическая схема замещения изоляции

В установившемся режиме распределение напряжений по слоям определяется проводимостями слоев (напряжения обратно пропорциональны проводимостям). В промежутке между этими двумя состояниями происходит перераспределение напряжений между слоями, сопровождающееся перераспределением заряда слоев и, следовательно, протекание токов как между слоями изоляции, так и во внешней цепи, т.е. в измерительной цепи мегаомметра. Эти токи и являются токами абсорбции [3,4,5].

Третья цепь состоит из резистора с активным сопротивлением R1 , определяющим сопротивление изоляции и соответственно ток сквозной проводимости I_ск(ток утечки изоляции). Ток сквозной проводимости пропорционален площади изоляции и обратно пропорционален ее толщине. Зависимость токов переходного режима (I_ги I_абс) и сопротивления изоляции от времени приложения напряжения мегаомметра представлена на рис.2.

Время затухания Т емкостного тока лежит в пределах от долей, до нескольких секунд в зависимости от мощности машины. Ток абсорбции, напротив, затухает относительно медленно.

Установлено, что абсорбционный ток не зависит от влажности изоляции, в то время, как ток сквозной проводимости с увеличением влажности возрастает. При этом оба тока в одинаковой степени зависят от размеров, структуры и температуры изоляции. Поэтому отношение этих токов является хорошим показателем влажности изоляции.

Рис. 2 . Зависимость токов переходного режима I , I_ги сопротивления изоляции К_изот времени t приложения напряжения

На практике дважды измеряют сопротивление изоляции: через 15 секунд (когда завершен заряд геометрической емкости) и через 60 секунд (когда завершен заряд абсорбционной емкости) с момента приложения напряжения мегаомметра.

Отношение R60/ R15 называется коэффициентом абсорбции, т.е.

K_A=R₆₀/ R_15. (1)

Синхронные машины, крупные асинхронные двигатели, трансформаторы можно эксплуатировать без сушки если K_A > 1,3 при температуре от +10 до +30°С.

Для изоляции с допустимой увлажненностью характерно значение K_A >2. В случае большого увлажнения изоляции значение коэффициента K_A приближается к единице. Это объясняется тем, что из-за значительного уменьшения постоянной времени t, т.е. через 15 с, достигается значение R(t) близкое к установившемуся. Предельным при температуре 20 °С следует считать значение K_A = 1,3. При K < 1,3 и температуре воздуха 15...30 °С изоляцию необходимо сушить. Влага удаляется благодаря так называемой термической диффузии, вызывающей перемещение влаги в направлении потока тепла. Влага перемещается вследствие перепада в разных слоях изоляции - из слоев с большей влажностью влага переходит в слои с меньшей влажностью. Перепад влажности создается перепадом температур.

Чем больше температурный перепад, тем интенсивнее происходит сушка. Поэтому, нагревая внутренние части обмотки (например, током), можно создать перепад температуры между внутренними и внешними слоями изоляции и тем ускорить сушку. Температурный перепад можно создать также быстрым охлаждением наружных слоев изоляции путем периодического продувания холодного воздуха и последующего повторного нагрева. Подобными приемами можно пользоваться при сушки сильно увлажненных обмоток. Электрооборудование сушат различными методами: внешним нагревом, нагревом током от постороннего источника, током короткого замыкания, вентиляционными потерями, потерями в активной стали и корпусе машины и др., а также комбинациями этих методов. Выбор метода сушки зависит главным образом от имеющихся возможностей и степени увлажненности изоляции.

Во избежание пробоя изоляции сушка электрическим током разрешается только для тех машин и трансформаторов, у которых сопротивление изоляции не менее 0,1 Мом. Особенно опасна сушка постоянным током при низком сопротивлении изоляции, так в этом случае происходит электролитическое действие тока. Сильно увлажненные обмотки необходимо сначала сушить внешним нагревом.

В процессе сушки температуру обмоток измеряют термометрами, установленными в нескольких местах, или методом сопротивления. Наивысшая температура во время сушки в наиболее горячем месте обмотки или стали не должна превышать : по термометру - 70 °С, по методу сопротивления – 90 °С , термодетектору - 80 °С. Температура выходящего воздуха из машины не должны быть выше 65 °С.

Нагревать обмотку и сталь нужно постепенно: при быстром нагреве, температура внутренних частей машины может достигнуть опасного значения, в то время как нагрев наружных частей будет еще незначительным. Разница в постоянных времени нагрева и в коэффициентах линейного расширения обмотки и активной стали, а также и конструктивных частей машины, может при быстром нагреве послужить причиной повреждений (разрывов) изоляции и механических повреждений станин и роторов.

Резкое повышение температуры сушки вызывает местное пересушивание изоляции и ускоренное ее старение. Пересушенные участки поверхности изоляции обладают большим омическим сопротивлением, что приводит к возникновению на них высоких напряженностей и местных разрядов. В местах разрядов происходит разложение полимеров с выделением углерода. При отложении углерода на поверхности образуются проводящие дорожки (треки), способствующие дальнейшему разложению полимера, так как протекание тока по такой дорожке вызывает сильный нагрев окружающего материала. С течением времени проводящие участки смыкаются, и наступает поверхностный пробой изоляции. В ходе сушки рекомендуется вычерчивать кривые зависимости сопротивления изоляции R_из и температуры Т (°С) обмоток от времени t (рис.3), которые дают представление эффективности сушки. В первый период сушки (участок а) сопротивление изоляции обмоток снижается, что объясняется ходом влаги в парообразное состояние; при этом величину R_из измеряют через 20 - 30 минут. Затем при установившейся температуре наблюдается повышение R_из(область б), что связано с испарением влаги из толщи изоляционного материала; в этот период сопротивление R_изизмеряют каждый час. После достижения максимального значения R_из сушку продолжают еще 2-3 часа (область с), но не больше, поскольку далее сопротивление изоляции будет уменьшаться с увеличением температуры обмоток машины.

Рис.3. Зависимость сопротивления изоляции R_из (2) и температуры обмоток Т (1) от длительности нагрева

Запрещается форсировать сушку за счет более быстрого повышения температуры в начале сушки и за счет превышения максимально допустимых температур.

Положение максимума и минимума кривой зависит от многих факторов (степени увлажненности, пористости, чистоты поверхности, наличие загрязнений в объеме материала и пр.), поэтому оно индивидуально для разных материалов и разных образцов одного и того же материала.

Измерения сопротивления без предварительной подготовки образцов диэлектриков могут привести к целому ряду недоразумений и принятию неправильных решений. Следует отметить, что поверхностная электропроводность в основном обусловлена загрязнением или присутствием влаги на поверхности диэлектрика.

Литература

1. Беззубцева М.М., Карпов В.Н., Волков В.С. Энергетическая безопасность АПК - учебное пособие, 2012. – СПб.: СПбГАУ, 242 с.

2. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В. Энергоэффективные электротехнологии в агроинженерном сервисе и природопользовании - учебное пособие , 2012. – СПб.: СПбГАУ. – 260 с.

3. Беззубцева М.М., Волков В.С. Практикум по технологическим расчетам процессов переработки сельскохозяйственного сырья, 2014. – СПб.: СПбГАУ. – 94 с.

4. Беззубцева М.М., Гулин С.В., Пиркин А.Г. Энергетический менеджмент и энергосервис в аграрном секторе экономики - учебное пособие , 2014. - СПб.: СПбГАУ. – 186 с.

5. Беззубцева М.М., Мазин Д.А., Тюпин С.В. Энергетика технологических процессов: лабораторный практикум, 2009. – СПб.: СПбГАУ. – 122 с.

6. Беззубцева М.М., Волков В.С., Фокин С.А. Электротехнология. Практикум по электротехнологическим процессам, 2010. - СПб.: СПбГАУ. – 148 с.

7. Беззубцева М.М., Волков В.С., Котов А.В., Обухов К.Н. Инновационные электротехнологии в АПК: учебное пособие, 2015. – СПб.: СПбГАУ. – 148 с.

8. Беззубцева М.М. Методика организации научно-исследовательской работы магистрантов: учебно-методическое пособие, 2015. – СПб.: СПбГАУ, 67 с.

9. Беззубцева М.М., Волков В.С. Научно-исследовательская работа магистрантов. Патентно-информационные исследования, 2015. – СПб.: СПбГАУ, 151 с.

Код для цитирования: Скопировать