Способ контроля эмали для покрытия, регулирующего электрическое поле

 

Использование: в машиностроении для увеличения надежности работы эмали в покрытии, регулирующем электрическое поле на поверхности проходного изолятора путем увеличения электрической и тепловой стабильности эмали. Сущность изобретения: определяют экспериментально наибольшую допустимую напряженность электрического поля в образце контролируемой партии эмали E_д, затем определяют экспериментально параметры G₀ и A зависимости проводимости эмали от напряженности, представляемой в виде экспоненты G=G₀exp (АЕ), после чего определяют максимальную напряженность в покрытии E_м при заданных значениях приложенного к изолятору максимального напряжения, толщины, диэлектрической проницаемости изолятора и длины покрытия путем расчета распределения напряжения в емкости-омической модели изолятора с покрытием, в котором представляющий покрытие омический элемент имеет зависимость проводимости от напряженности в виде экспоненты с параметрами G₀ и A, и делают заключение о годности эмали, если E_м меньше E_д. 1 табл.

Изобретение относится к области регулирования электрического поля в изоляторах, в частности к способу контроля полупроводящего покрытия в виде эмали, электрические характеристики которой определяются наполнителем - карбидом кремния, предназначенного для подавления разрядов на поверхности изоляции в краевой зоне секций обмоток электрических машин высокого напряжения, а также в других конструкциях типа проходного изолятора.

Известны составы и способы изготовления эмали, покрытия из которой обладают необходимыми свойствами регулирования электрического поля на поверхности стержня (секции) электрической машины [1] . Эти составы содержат наполнитель - мелкодисперсный карборунд, обладающий нелинейной зависимостью тока проводимости от напряженности электрического поля, в качестве элемента, регулирующего поле, и пленкообразующие компоненты - глифталевую и нитроцеллюлозную основу эмали.

Контроль свойств этих составов осуществляется путем измерения вольт-амперной характеристики (ВАХ) образцов покрытий и определения по этим данным коэффициента нелинейности ВАХ β = , где i₁, i₂ - токи, измеренные при напряжениях U₁ и U₂ соответственно. При этом математическая модель ВАХ предполагалась в виде степенной функции i= AUβ[2] .

Как показал опыт, изготовление эмали с применением указанного метода контроля во многих случаях не обеспечивало получение необходимых электрических характеристик покрытия, так как при испытаниях высоким напряжением возникали разрядные процессы, требовалось многократное исправление покрытий. Это было связано с тем, что применение степенной модели ВАХ, определяющее использование в качестве контролируемого показателя величины β, не соответствует истинной характеристике эмали.

Лучшие результаты были получены при использовании для контроля эмали величин проводимости (или тока) при определенных значениях напряженности [3] , предельные минимальные значения которых были определены на основании опыта изготовления и применения большого числа партий эмали, а также при введении кондиционирования образца в электрическом поле перед измерением ВАХ.

Однако при таком способе контроля эмаль, успешно используемая для одних условий, например для обмотки электрических машин с номинальным напряжением 6 . . . 10 кВ, имеющей толщину изоляции 2. . . 3 мм и испытательное напряжение 22. . . 35 кВ, оказывалась непригодной для более жестких условий, например класса напряжения 15,75 кВ с толщиной изоляции 3,8 мм и испытательным напряжением 51 кВ.

Исследования показали, что отказы покрытия, изготовленного с применением метода контроля электрических характеристик эмали по способу-прототипу [3] , вызваны электрической или тепловой нестабильностью эмали, что проявляется в резком снижении проводимости покрытия или образовании локальных каналов-прогаров при повышенных напряженностях. Применяемый способ контроля [3] не обеспечивает проверку эмали в реальном рабочем режиме, возникающем при проведении стандартных одноминутных испытаний изоляции переменным напряжением промышленной частоты.

Целью является повышение надежности работы эмали в покрытии, регулирующем электрическое поле на поверхности проходного изолятора, путем увеличения электрической и тепловой стабильности эмали.

Это достигается тем, что при способе контроля эмали для покрытия, регулирующего электрическое поле на поверхности проходного изолятора, содержащей наполнитель - микропорошок карбида кремния и пленкообразующие компоненты, при котором измеряют электрические параметры образцов покрытия из контролируемой партии эмали и по ним устанавливают соответствие эмали предъявляемым требованиям или необходимость коррекции ее состава, на одном из образцов определяют один из указанных электрических параметров - предельно допустимую напряженность в покрытии Е_д, на другом, идентичном указанному, - параметры G_o и А зависимости проводимости эмали от напряженности, представляемой в виде экспоненты G= G_o ехр (АЕ), после чего определяют второй из указанных параметров - максимальную напряженность в покрытии Е_м, для расчета которой используют модель изолятора с покрытием, имеющим зависимость проводимости от напряженности в виде экспоненты с параметрами G_o и А, значение которых определено выше. Соответствие эмали указанным требованиям устанавливают при получении значения для Е_мменьше, чем для Е_д.

Для расчета напряженности используется модель изолятора с покрытием в виде емкостно-омической линии конечной длины, ячейки которой состоят из емкостного элемента - изолятора и омического элемента - покрытия с нелинейной ВАХ, представленной экспоненциальной зависимостью проводимости от напряженности. Одна из методик расчета представлена в "Программе расчета распределения электрического потенциала по поверхности полупроводящего покрытия изоляции стержней обмоток якорей машин переменного тока методом конечных элементов", БС. 00 562, НИИ ЛПЭО "Электросила".

Сущность способа состоит в использовании полученной экспериментально вольт-амперной характеристики эмали для расчетного определения рабочей напряженности в покрытии и сопоставлении ее с предельно допустимой напряженностью, также устанавливаемой экспериментально.

П р и м е р. Процедура контроля партии эмали ПЛК-259Ч по ОБС. 504.090 ТУ. Состав эмали партии N 825 выпуска 1991 г; мас. ч. : Основа - лак 2240 6 и лак НЦ-62 7,5; наполнитель - карборунд черный КЧ-20 20 и растворитель - этилцеллозольв.

Назначение эмали - лобовое покрытие изоляции стержней гидрогенератора на номинальное напряжение 15,75 кВ (испытательное 50,2 кВ) с толщиной изоляции 3,8 мм.

Изготавливают два образца покрытия из подлежащей контролю эмали в виде покрытых этой эмалью с одной стороны пластин из стеклотекстолита размером 100х50х1 мм.

На одном из образцов определяют предельно допустимую напряженность Е_д (кВ/см) путем приложения к промежутку длиной 5. . . 15 мм медленно нарастающего напряжения (постоянного или временного тока) до разрушения покрытия в промежутке. Испытания проводят в нескольких точках образца и результаты обрабатывают статистически.

Значение Е_мин= Е_ср - 3 σ (Е)/, где n - число измерений, σ (Е) - среднеквадратичное отклонение от Е_ср, принимается за максимально допустимую напряженность в эмали Е_д, в нашем примере Е_д= 9,77 кВм/см.

Пробивные напряжения (амплитудные значения) (U_пр) образца покрытия из эмали партии N 825 (кВм) при σ (Е)= 0,649 кВм следующие: 10,55, 10,35, 10,35, 10,00, 11,85, 10,35.

Второй образец используют для измерения вольт-амперной характеристики (ВАХ) эмали, которая представляется зависимостью проводимости G от напряженности Е экспоненциального вида G= G_o ехр АЕ, (1) где G_o, А - параметры, определяемые из ВАХ.

Измерения ВАХ производятся на нескольких участках образца при напряжении постоянного тока с предварительным кондиционированием измеряемого участка напряженностью, равной 0,9 Е_д, в течение 1 мин, результаты обрабатываются статистически.

Результаты измерений и расчета представлены в таблице.

l_n G_o = -26,63, А_ср. = 0,906, коэффициент корреляции r = 0,998-0,999.

При расчете максимальной рабочей напряженности в начале покрытия Е_м= Е (х= 0) входными данными для расчета являются параметры G_o и А, определенные из ВАХ; рабочее или испытательное напряжение изолятора V_i; толщина изолятора d_n; диэлектрическая проницаемость изолятора ε_n; длина покрытия l.

Программа численного расчета составлена применительно к возможности персонального компьютера IBM - РС следующим образом.

Конструкция, состоящая из проходного изолятора и полупроводящего покрытия, представлена в виде RC-линии длиной l, в которой продольный элемент R= 1/G является нелинейным и описывается уравнением (1), поперечный элемент С= ε_n/d_n - удельная емкость изолятора. Уравнение этой линии представляется в виде = , (2) где U - электрический потенциал на поверхности покрытия; t - время; х - координата по длине покрытия.

Граничными условиями для решения этого уравнения являются напряжение в начале линии, равное напряжению на изоляторе U(x= 0) = U_o sin ωt и ток в конце покрытия i(l)= 0.

Для численного решения дифференциального уравнения (2) производится его дискретизация по длине (координате х) методом конечных элементов и интегрирование во времени неявным методом Эйлера, на каждом шаге которого система нелинейных алгебраических уравнений, полученных в результате пространственной дискретизации, решалась методом Ньютона, а линейная система алгебраических уравнений на шаге по Ньютону решалась методом прогонки. Время работы программы в зависимости от варианта расчета и требуемой точности, т. е. размеров пространственного и временного интервала, составляет 5. . 20 мин.

Вычисляемый параметр, в нашем примере величина максимальной напряженности, равная напряженности в начале покрытия, Е_м= 9,42 кВм/см.

Анализ качества эмали. Величины Е_д и Е_м сравниваются между собой. Эмаль признается годной, если Е_м меньше Е_д. В противном случае производится корректировка ее состава.

Предлагаемый способ контроля электрических характеристик эмали повышает эффективность регулирования электрического поля и стабильность его работы, снижает трудоемкость изготовления обмотки. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1354341, кл. Н 02 К 3/40, 20.06.85.

2. А. Ф. Городецкий и А. Ф. Кравченко. Полупроводниковые приборы. М. : Высшая школа, 1967; Г. П. Жабко, Т. А. Лыкова и др. Полупроводящие покрытия для статорных обмоток электрических машин высокого напряжения. Электротехника, N 5, 1986.

3. ОБС. 504.090 ТУ, эмаль ПЛК-259Ч.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭМАЛИ ДЛЯ ПОКРЫТИЯ, РЕГУЛИРУЮЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ на повеpхности пpоходного изолятоpа, содеpжащей наполнитель - микpопоpошок каpбоpунда и пленкообpазующие компоненты, пpи котоpом измеpяют электpические паpаметpы обpазцов покpытия из контpолиpуемой паpтии эмали и по ним устанавливают соответствие эмали пpедъявляемым тpебованиям или необходимость коppекции ее состава, отличающийся тем, что на одном из обpазцов опpеделяют один из указанных электpических паpаметpов - пpедельно допустимую напpяженность в покpытии E_д, на дpугом - идентичном указанному, паpаметpы G₀ и A зависимости пpоводимости эмали от напpяженности, пpедставляемой в виде экспоненты G = G₀ exp (AE), после чего опpеделяют втоpой из указанных паpаметpов - максимальную напpяженность в покpытии E_м, для pасчета котоpой используют модель изолятоpа с покpытием, имеющим зависимость пpоводимости от напpяженности в виде экспоненты с паpаметpами G₀ и A, значение котоpых опpеделено выше, и соответствие эмали указанным тpебованиям устанавливают пpи получении значения для E_м < E_д.

РИСУНКИ

Рисунок 1