CC BY
38
В заключение в качестве выводов работы по развитию моделей вероятности технических простоев и коэффициентов технической готовности ВЭУ отметим:
математические модели ТП и ТГ современных ВЭУ, адекватные известным для них практическим и прогнозным эксплуатационным данным, удается построить лишь на базе экспоненциальных функций (2) в диапазоне параметров, приведенных в табл. 1;
развитые и представленные в нашей работе модели весьма правдоподобно и с малым коли-
чественным разбросом увязывают известные эксплуатационные данные и обладают при этом достаточной математической гибкостью для дальнейшего уточнения по мере накопления дополнительных данных;
с учетом математической и информационной непротиворечивости и отсутствия более правдоподобных разработанные автором модели могут быть использованы как методическая и практическая основа для определения текущих и прогнозируемых параметров ВЭУ на весь их ресурсный период.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Николаев, В.Г. Национальный кадастр ветроэнергетических ресурсов России и методические основы их определения [TckctJ / В.Г. Николаев, С.В. Ганага, Ю.И. Кудряшов.— «Атмограф», М., 2008.
2. Елистратов, В.В. Использование возобновляемой энергии ¡'[екст|: учебное пособие / В.В. Елистратов. - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010,- 224 с.
3. Ackerman, Т. Wind Power in Power Systems |TeKCTj / T. Ackerman. / Royal Institute of Technology.— Stockholm, Sweeden. 2008.
4. Wind Energy — The Facts. A Guide to the Technology, Economics and Future of Wind Power [TckctJ // European Wind Energy Fssotiation (EWEA). Eart-hscan.— Eondon. 2009
5. Wind Power Technology [Текст] // EWEA. 2004.
6. Gasch, R. Wind Power Plants. Fundumentals, Designe, Construction and Operation [Текст] /
R. Gasch, J. Twele.— Solarpraxis, Berlin - James& James, Eondon. 2002.
7. Manwell, J.F. Wind Energy Explained. Theory, Design and Application |TeKCT| / J.F. Manwell, J.G. McGowan, A.E.Rogers.— University of Massachusetts.— USA.— John Wiley & Sons, Etd.— 2005.
8. Krohn, S. The Economics of Wind Energy |TeKCTj / S. Krohn, P.-E. Morthorst, S. Averbuch //A Report by the European Enrgy Association. EWEA.— 2009.
9. Lemming, J. O&M cost and Economical Lifetime of Wind Turbines [TckctJ / J. Lemming, P.E. Morthorst, L.H. Hansen, [h AP-J // Proc. EWEC, 2006.
10. Harrison, R. Large Wind Turbines. Design and Economics |TeKCT| / R. Harrison, E. Hau, H. Snel.— John Wiley & Sons Ltd. Chichester New York. 2000.
УДК621.315.3
Т.И. Карпушина
СЛЮДОСОДЕРЖАЩАЯ ИЗОЛЯЦИЯ НОВЫХ ТИПОВ ОБМОТОЧНЫХ ПРОВОДОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОВОГО СТАРЕНИЯ
Повысить устойчивость к изменениям режимов и возмущениям в сети за счет внедрения частотно-регулируемого электропривода (ЧРЭ) — одна из основных задач совершенствования электрических машин в России. В составе ЧРЭ требуется применять модернизированные общепромышленные или новые специальные асин-
хронные электродвигатели (АД). Основными факторы, определяющие пагубное воздействие частотно-регулируемого управления на АД, — это пиковое напряжение, приложенное к изоляции первого витка фазы обмотки статора, возникающее при перенапряжениях на концах кабельной линии между автономным инвертором
напряжения и электрической машиной, и частичные разряды (ЧР) в пазовой изоляции обмотки статора [1].
Возрастающие требования по повышению устойчивости изоляции обмоток электрических машин к импульсным нагрузкам и перенапряжениям в сети привели к необходимости существенно повысить кратковременную электрическую прочность витковой изоляции для обеспечения длительного ресурса, пониженных диэлектрических потерь и устойчивости к ЧР. Появление нового типа проводниковой изоляции на основе комбинированных слюдосодер-жащих пленочных материалов [2—4], а также автоматизация процесса изготовления обмоток статора позволит создать высоковольтные электрические машины с повышенной надежностью. Состав нового типа витковой изоляции статорных обмоток для высоковольтных электрических машин схож с составом корпусной изоляции (наличие диэлектрического барьера из плоских слюдяных частиц, связываемых различными, зависящими от технологических и эксплуатационных условий пропиточными составами и механическими подложками). Новый тип проводниковой и витковой изоляции для высоковольтных электрических машин — это многослойный композиционный материал, состоящий из слюдобумаги, стеклоткани, полиэтиленте-рафталатной (ПЭТ) пленки и связующего на основе синтетических смол.
Цель представляемой работы — изучение основных электрических характеристик изоляции новых типов обмоточных проводов с пленочной изоляцией из слюдосодержащих материалов до и после теплового старения. Исследование имело в три основных этапа: определение кратковременной и длительной электрической прочности, стойкости к частичным разрядам, измерение диэлектрических потерь до и после теплового старения. Данная работа — важная часть комплексного исследования проводов со слюдосодержащей пленочной изоляцией для их внедрения в серийное производство статорных обмоток электрических машин.
При проведении исследования изоляции использовались образцы промышленных партий обмоточных проводов ПМС и ПМС-М (ОАО «Псковкабель»). Конструкция изоляции провода ПМС состоит из ПЭТ-пленки и ленты Элми-кафол 52801 (ОАО ХК «Элинар»), нанесенных
с перекрытием 50 %. В изоляции провода ПМС-М вместо ленты Элмикафол 52801 применяется материал Кондуктофол 0264 («Изовольта», Австрия) с эпоксидным клеевым слоем на поверхности (так называемый, адгезивный слой). Провода ПМС и ПМС-М выпускаются с различной удвоенной толщиной изоляции (например, 0,44, 0,64 и 0,72 мм). Они предназначены для автоматизированного способа производства статорных обмоток. При исследованиях на данном этапе применялись только образцы проводов ПМС/ 0,44 (ПМС) и ПМС-М/0,44 (ПМС-М), отобранные ранее. Для обеспечения равных условий проведения испытаний использовались идентичные образцы проводов длиной 0,25 м, подготовленные по ГОСТ15634.4-70.
Для определения электрических характеристик витковой изоляции после термоциклического старения применялись образцы, изготовленные и состаренные специальным образом. Из прямых отрезков проводов длиной 0,25 м были сформированы вертикальные столбики (имитирующие витки в катушке), состоящие из 6 проводов и покрытые вместе антиадгезионнным покрытием (фторопластовая пленка). Количество проводов в столбике определялось с учетом усадки заготовки при термопрессовании. Сборные стопки исследуемых проводов разных типов помещались в гидравлический пресс и подвергались длительному циклическому температурному воздействию с поддержанием постоянного удельного давления (не более ЗМПа, чтобы не допустить механического повреждения изоляции).
Перед изучением теплового старения изоляции обмоточных проводов было проведено подробное исследование кратковременной и длительной электрической прочности (основные результаты опубликованы [5]), а также измерение характеристик частичных разрядов.
Определение кратковременной электрической прочности производилось путем пробоя изоляции образцов (длиной 0,25 м, после предварительной термоопрессовки в течение 10 минут при 160 °С) испытательным напряжением переменного тока (50 Гц), повышаемым с заданной скоростью 1,0 кВ/с прибором АИД-70М по ГОСТ 15634.4-70. Для обработки результатов использовались статистические методы анализа данных. Пробивная напряженность изоляции (Епр) провода ПМС (при толщине 0,21 мм) составила 50,6+5,0 кВ/мм, у провода ПМС-М — 44,2 ±5,0 кВ/мм.
Исследование длительной электрической прочности проводов марок ПМС и ПМС-М производилось методом линейного повышения испытательной напряженности (с двумя скоростями = 0,052 кВ/мм-с, Ё2 = 0,815 кВ/мм-с).
Долговечность изоляции в различных системах характеризуется зависимостью наработки до отказа (или сроком службы) ? от средней напряженности электрического поля Е. Наиболее распространенная формула, описывающая зависимость наработки до отказа от напряженности электрического поля для различных типов изоляции, включая и слюдосодержащую, — это степенная зависимость
(1)
где т и — постоянные; Е() — произвольно выбранная базисная величина.
С помощью полученных экспериментальных данных произведен расчет показателя степени т уравнения (1) для изоляции обмоточных проводов: для провода ПМС/0,44 т = 10,6+0,3, для ПМС-М/0,44 — т = 15,1+0,3.
Для определения качества изготовления изоляции исследуемых обмоточных проводов использован метод оценки на основе анализа частичных разрядов [6]. С помощью прибора «СКИТ-ЧР» получены амплитудные и амплитудно-фазовые спектры распределений ЧР для
проводов ПМС и ПМС-М и их модификаций, а также изучены зависимости характеристик ЧР от типа применяемого электроизоляционного материала, конструкции изоляции провода и режима термопрессования. Измерения характеристик ЧР включали в себя: измерение среднего тока /ср и максимального заряда ЧР дтах в изоляции образцов в зависимости от времени приложения и величины испытательного напряжения итп [7].
Изучение характеристик ЧР изоляции обмоточных проводов производилось с целью определения различных технологических дефектов изоляции. Поэтому на первом этапе изучалось влияние технологической операции конкатенации витков (т. е. кратковременной термоопрес-совки столбика витков) на электрические свойства витковой изоляции. Были взяты две группы образцов проводов ПМС и ПМС-М: в исходном состоянии (до термоопрессовки) и после термо-опрессовки при 160 "С в течение 10—15 минут. Напряжения начала ЧР (7НЧР одинаковы на исходных образцах — 1,0 кВ, а после термопрессования в течение 1 ч при 160 °С — 1,7 кВ. Результаты сравнительных измерений характеристик ЧР представлены на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что термоопрессовка изоляции обмоточных проводов с применением пленочных слюдосодержащих материалов — важная технологическая операция, позволяющая снизить значения характеристик частичных раз-
а)
<7тач. пКл 35000
30000 25000 20000 15000 10000 5000
б)
/ср, мкА -
35 -
30 -
25 -
Рис.1. Результаты измерения характеристик ЧР максимального кажущегося заряда ¡7тач (а) и среднего тока / (б) — в зависимости от времени воздействия £/М1Л1 (1,5 кВ) на изоляцию обмоточных проводов: 1 — ПМС, 2— ПМС-М, 3 — ПМС до термоопрессовки, 4— ПМС-М до термоопрессовки
а)
<7тач. пКл 10000 8000 6000 4000 2000 0
б)
1
2.
1
1,8
2,0
2,3
2,5
2,8
4р. мкА
9
1,8
2,0
2,3
2,5
и,
Рис. 2. Результаты измерения характеристик ЧР максимального кажущегося заряда ¡7тач и среднего тока /ср — в зависимости от испытательного напряжения иасп обмоточных проводов:
1- ПМС, 2- ПМС-М
рядов. С течением времени воздействия испытательного напряжения значения частичных разрядов снижаются.
На рис. 2, я, б представлены результаты измерения максимального кажущегося заряда дтах и среднего тока 1ср в зависимости от испытательного напряжения £/исп.
Из рис. 2 следует, что провод ПМС-М имеет лучшую изоляцию по сравнению ПМС, поскольку значения характеристик частичных зарядов меньше. Так как за счет адгезивного слоя,
Таблица 1
который расплавляется при термоопрессовке, изоляция плотнее прилегает к медной жиле, ее поверхность имеет меньше дефектов за счет заполнения связующим.
Измерение зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (^8) изоляции от ишп и температуры Т проводилось с помощью прибора «Вектор 2.0 М» по ГОСТ 25242-93. В табл. 1 пред-
8
водов ПМС и ПМС-М при различных испытательных напряжениях и температурах в диапазоне от 20 до 160 "С с шагом 35 "С (разбросы значений
_т
составляли малые величины (0,01—0,04)-10 ).
Из табл. 1 видно, что при напряжениях, меньших напряжения начала ЧР, (при увеличении 8
и ПМС-М увеличивается незначительно, по-8
ми в диэлектрике (на проводимость и поляризацию). Когда 1/исп достигает примерно 1 кВ, в воздушных включениях возникают ионизационные процессы, т. е. появляются ЧР. По мере роста напряжения ЧР возникают в большем ко-
8
растать.
8
изоляции исследуемых проводов оказалось, что 8
гезивным слоем ниже, чему ПМС. Эта тенденция сохраняется во всем диапазоне рабочих температур (до 125 °С). При дальнейшем повышении температуры до 160 "С отмечен значительный
8
у провода ПМС, так и ПМС-М.
Результаты измерения 1£(Н0 2 изоляции проводов ПМС, ПМС-М при различных 1/исп и Т
^исш кВ -10 2 при температуре Т, ° С
20 55 90 125 160
Для провода ПМС
0,5 3,0 4,1 5,0 6,7 9,8
1,0 3,5 6,0 5,6 8,0 13,3
1,5 5,2 7,0 7,9 10,8 15,3
2,0 6,7 9,3 9,9 12,0 17,3
2,5 9,5 10,7 11,1 14,0 17,5
3,0 11,0 11,8 12,2 15,0 18,6
Для провода ПМС-М
0,5 2,4 2,5 3,6 3,9 11,3
1,0 2,9 3,2 5,2 6,3 13,3
1,5 4,3 5,2 7,8 8,7 15,8
2,0 5,5 6,1 8,5 9,3 18,2
2,5 7,0 7,5 9,0 10,4 19,0
3,0 7,9 8,3 9,2 10,6 20,8
Таблица 2
Значения tgS изоляции макетов при Uuca = 0,5 кВ
Тип провода Время старения, ч tgô,T0 2,при температуре Т
20 "С 55 0С 90 "С 125 "С 160 "С
ПМС - 2,96+0,01 4,11+0,01 4,98+0,01 6,72+0,01 9,75+0,02
ПМС 520 1,87+0,02 2,12+0,02 4,73+0,02 6,38+0,03 11,52+0,04
ПМС 780 1,90+0,02 2,36+0,02 5,31+0,03 8,65+0,04 13,48+0,04
ПМС-М - 2,35+0,01 2,51+0,01 3,63+0,01 7,90+0,01 11,33+0,01
ПМС-М 520 1,57+0,02 1,67+0,02 3,81+0,02 7,96+0,03 11,72+0,04
В табл. 2 представлены результаты измерения изоляции проводов ПМС и ПМС-М до и после теплового старения при 160 °С.
Из табл. 2 следует, что значения изоляции у проводов ПМС и ПМС-М при рабочих напряжениях (от десятков до нескольких сотен В на виток) удовлетворяют общепринятым требованиям к системам изоляции статорных обмоток
_т
(так как их значения составляют до 10-10 ) за исключением температуры изоляции 160 "С (граничной для класса нагревостойкости Г).
После теплового старения в течение 520 часов значения изоляции двух типов образцов несущественно увеличились по сравнению с исходными значениями или вовсе не превышали их, однако при максимальной испытательной температуре 160 "С увеличение составило около 18 % для ПМС и 3 % для ПМС-М. При увеличении времени старения изоляции у образцов ПМС наблюдался дальнейший ростг§5 (например, при увеличении продолжительности в 1,5 раза, уве-
личение составило около 38 %); у ПМС-М не было значительного увеличения, однако пробивные напряжения изоляции резко снизились.
На рис. 3, а, б приведены графики зависимостей Е(1/Т) для изоляции обмоточных проводов ПМС и ПМС-М при испытательной напряженности электрического поля 5 кВ/мм ((1исп = 1 кВ) до и после теплового старения в течение 520 часов.
Как можно видеть из рис. 3, я, для всех образцов проводов графики зависимостей = = Л[1/7) в исследованном диапазоне температур (20—160 °С) могут быть представлены в виде двух отрезков прямых линий, характеризующихся разным углом наклона к оси абсцисс. В разных температурных зонах на диэлектрические потери в слюдосодержащей изоляции могут влиять различные физические явления, происходящие за счет изменения температуры, а именно: в низкотемпературной зоне проявляется межслоевая поляризация; в высокотемпературной - диполь-
Рис. 3. Зависимости lg(tgS) F(l/7) при испытательном напряжении 1 кВ для изоляции обмоточных проводов ПМС (/); ПМС-М (2) до старения (а) и после старения (б)
но-релаксационная поляризация, а также ионная проводимость.
8
провода ПМС составили 9,75±0,02, адля ПМС-М — 11,33+0,01. После теплового старения в те-
8
пературе 160 "С составили для провода ПМС -11,52+0,04, ПМС-М - 11,72+0,01.
Как следует из приведенных данных (рис. 3), даже в исходном состоянии отличия между базовым вариантом проводов со слюдосодержагцей изоляцией ПМС (с применением лент Элмика-фол 52801) и ПМС-М (с адгезивным слоем, лента Кондуктофол 0264) проявляются как в низко-, так и в в высокотемпературной зоне. Базовый вариант изоляции провода ПМС, изготовленный из Элмикафол 52801, характеризуется большими 8
не до 100 "С по сравнению с ПМС-М с адгезивным слоем на ленте Кондуктофол 0264. Однако 8
и ПМС-М в высокотемпературном диапазоне. Это, по-видимому, может означать, что более плотное прилегание изоляции на проводе ПМС-М за счет клеевого слоя дает возможность снизить внутрислоевую поляризацию при низких температурах, но не снижает ионную проводимость, которая резко возрастает в высокотемпературном диапазоне.
После старения образцов увеличение скоро-8
в низкотемпературном диапазоне говорит об ухудшении электрических свойств изоляции. У изоляции проводаПМС-М скорость роста значений 8
турном диапазоне, состояние изоляции сильно ухудшилось, несмотря на невысокие значения 8
тельное снижение электрической прочности после 520 ч старения, не позволившее проводить 82
старения в течение 780 часов при тех же испыта-
8
ции провода ПМС (в зависимости от температуры) после старения практически не изменилась
8
8
вого старения следует, что применение адгезивного слоя в изоляции ПМС-М все-таки не позволяет снижать диэлектрические потери в витковой изоляции в процессе длительной экс-
плуатации. А применение провода ПМС (с лентой Элмикафол 52801), наоборот, возможно в ответственных высоковольтных электрических машинах, у которых перегрев обмоток достигает 160 "С (по сравнению с температурами для Б класса нагревостойкости системы изоляции, которые рекомендованы принятыми стандартами в зависимости от номинальных мощности и напряжения электрических машин).
8
изоляции обмоточных проводов ПМС/0,44 и ПМС-М/0,44 в диапазоне частот от 50 до 100 000 Гц до и после теплового старения при 160°С в течение 780 часов (при испытательном напряжении, равном 5 В). Получены логарифмические зави-8
и ПМС-М/0,44 до и после старения во всем температурном диапазоне от 20 до 160 °С. Какиожи-
8
чением частоты уменьшаются. После старения в течение 720 ч при 160 °С диэлектрические потери изоляции провода ПМС-М практически не изменяются, а у провода ПМС уменыпаюся.
Таким образом, результаты проведенного исследования показывают, что, несмотря на полученное по всем характеристикам превосходство изоляции провода ПМС-М с адгезивным слоем, после теплового старения стало понятно: их применение в ответственных машинах, обмотки которых имеют рабочую температуру более 80 °С, не рекомендуется. Для того, чтобы подтвердить полученные результаты в условиях, приближенных к эксплуатационным, необходимо провести дополнительные исследования характеристик частичных разрядов в изоляции, а также сравнительные макетные испытания образцов ПМС и ПМС-М (в катушках).
В ходе работы установлено, что новый тип обмоточных проводов с комбинированной пленочной изоляцией на основе слюдосодержащих лент имеет высокую кратковременную и длительную электрическую прочность, низкие диэлектрические потери в изоляции во всем диапазоне рабочих температур и частичных разрядов. Изоляция провода ПМС-М с применением адгезивного слоя (лента Кондуктофол 0264, Изовольта, Австрия) менее стойка к тепловому старению, по сравнению с ПМС с применением российского материала Элмикафол 52801 (ОАО ХК «Элинар»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Парфентьев, Д. В. Основные аспекты внедрения частотно-регулируемого электропривода на насосные станции водоснабжения [TckctJ / Д.В. Парфентьев, Б А. Иванов // Электроцех.— 2008. -№12,- С. 16-24.
2. Schuler, R. Modern turn insulation for stator windings with form-wound coils, in high-voltage rotating mashines [Текст J / R. Schuler. // ASEA Brown Boveri Ltd. CH-5242 Birr/Switzerland. СН2587-4/ 88/0000-769. IEEE. 1988.
3. Neal, J.E. The Development of Micacous Conductor |TeKCTj / J.E. Neal // Turn Insulation for HV Rotating Machines Jones Stroud Insulations.— Eongridge, Preston PR3 3BS, Lancashire.— UK— P. 53-59.
4. Joseph, Afunctional test comparison between mica over bare copper and double polyester glass over
heavy polyester-amide imide insulation for high voltage multi-turn coils |TeKCTj / Joseph A. Williams 111 // IEEE.- 2003,- 0-7803-7935-7/03. P. 595-597.
5. Карпушина, Т. И. Исследование современных типов обмоточных проводов для высоковольтных электрических машин [TckctJ / Т.И. Карпушина / / Научно-технические ведомости СПбЕПУ.— 2010,- № 1(95). С. 131-137.
6. Кучинский, Г.С. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях |TeKCTj / ЕС. Кучинский. — Ленинград: Энергия, 1979 .— 224 с.
7. Андреев, A.M. Оценка технического состояния электрических двигателей и генераторов на основе анализа частичных разрядов [Тексту Учебное пособие. Ч. 1 / A.M. Андреев, А.Ш. Азизов, А.И. Таджибаев, А.Е. Монастырский // Санкт-Петербург, 2007.— 61 с.
УДК 621.31 1
П. Г. Пул и ков
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФФУЗИИ ВОДОРОДА ЧЕРЕЗ ФТОРОПЛАСТОВУЮ ПЛЕНКУ
Электроэнергетическое оборудование средних и высших классов напряжения — один из наиболее дорогостоящих и ответственных видов оборудования, применяемого при производстве, распределении и потреблении электроэнергии. В последние годы появился ряд новых проблем, главная из которых связана с существенным старением парка эксплуатируемого оборудования. Это приводит к определенному изменению целей и задач эксплуатации. Если раньше основными задачами были своевременное и качественное проведение регламентных работ и предотвращение аварийных отказов оборудования, то теперь основной задачей эксплуатации является продление реального ресурса оборудования сверх нормативных значений. Очевидно, что эта задача может быть решена только путем выявления дефектов, зародившихся в оборудовании, на ранних стадиях их развития и своевременного устранения этих дефектов.
К сожалению, реализуемая в настоящее время система планово-периодического контроля не по-
зволяет эффективно выявлять зарождение дефектов, особенно в оборудовании, имеющем значительный (выше нормативного) срок эксплуатации.
Эта проблема, а также ряд других эффективно решаются путем внедрения систем непрерывного контроля состояния оборудования в эксплуатации. Одним из наиболее эффективных методов выявления дефектов в таком оборудовании служит анализ растворенных в масле газов. Измерение концентрации водорода и углеводородных газов (метан, этан, этилен, ацетилен) позволяет обнаруживать дефекты, появляющиеся и развивающиеся в трансформаторах [ 1 ]. Этот метод сейчас эффективно применяется для выявления дефектов в трансформаторном оборудовании, однако основная измерительная методика — газовая хроматография — практически не реализуема в системах непрерывного контроля. Для непрерывного контроля могут использоваться датчики растворенных в масле газов.
При разработке датчиков растворенных в масле газов необходимо решить задачу выделе-
