Диагностирование корпусной и межфазной изоляции обмоток электрических машин

Диагностирование корпусной и межфазной изоляции обмоток электрических машин

За последние десятилетия в нашей стране и за рубежом были разработаны и внедрены в практику электромашиностроения много новых и эффективных электроизоляционных материалов, что позволило отказаться от выпуска электрических машин с классом нагревостойкости А. Для изоляции обмоток от корпуса в электрических машинах в настоящее время применяют стеклоткань ЛСБ и ЛСП, пленкоэлектрокартон (электрокартон марки ЭТВ толщиной 0,2 мм с полиэтилентерефталатной пленкой толщиной 0,05 мм), электрокартон ЭВ, гибкий слюдинит Г₂СП, гибкий стекломиканит Г2ФГП и другие материалы. Для межфазной изоляции и изоляции лобовых частей применяют пленкоэлектрокартон, стеклолакоткань ЛСБ и ЛСП, лакослюдопласт ГИТ-ТЛСБ и ГИТ-ТЛСП, микаленту ПФС-ТТ.

Конструкцию корпусной и междуфазной изоляции обмоток статоров электрических машин со всыпными обмотками иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5. Конструкция изоляции обмоток статоров электродвигателей мощностью до 7 кВт (а) и от 10 да 100 кВт (б)

Основные технические характеристики материалов, применяемых для изоляции обмоток электрических машин относительно корпуса и между фазами, приведены в табл. 10.

Технические характеристики основных материалов корпусной и межфазной изоляции обмоток электрических машин напряжением до 660 В

Материал	Марка	Толщина, мм	Удельное объемное сопротивление. Ом ⋅ см	Электрическая прочность, кВ
Стеклолакоткань	ЛСБ 120/130	0,12—0,24	1014	4,7—9
	ЛСП 130/155	0,08—0,17	1012	3,0—8
	ЛСП-К	0,08—0,17	_	3,6—9
Пленкоэлектрокартон	—	0,17	1013	7
	—	0,27—0,32	1013	7
Электрокартон	ЭВТ	0,2	—	13*
	ЭВ	0,2	—	11 *
	ЭВ	0,2	—	10*
Слюдинит гибкий	Г2СП	0,20—0,50	1013	26
Стеклотекстолит	СТ	1,5—30	1010	10*
Текстолит	Б	0,5—50	108	3—6*
Микалента	ЛФС-ТТ	0,10—0,21	—	15 *
Лакостеклослюдопласт	ГИТ-ТЛСБ	0,43—0,45	1010—1012	22—42
* Электрическая прочность в кВ/мм.

Для определения параметров диагностирования пазовой и межфазной изоляции электрических машин были проведены исследования по сравнению двух методов: метода оценки технического состояния на основании данных измерения частоты, среднего и амплитудного значений напряжения частичных разрядов и метода оценки по токам утечки. При исследовании к изоляции из пленкоэлектрокартона и электрокартона прикладывалось напряжение постоянного тока, которое изменялось в пределах от 0 до 3000 В. Зависимости параметров частичных разрядов и токов утечки от напряжения определялись для изоляции, не имеющей дефектов, и изоляции с дефектами (механические повреждения в виде прокола с диаметром 0,5 мм, пробоя высоким напряжением и др.).

Для определения электрической прочности образцы изоляции испытывались высоким напряжением. Опыты показали, что частота, среднее и амплитудное значения напряжения частичных разрядов у неповрежденной изоляции из пленкоэлектрокартона при увеличении напряжения от 500 до 3000 В изменяются в очень малых пределах. При наличии повреждений значения перечисленных выше параметров при увеличении напряжения до диапазона 1500—1800 В изменяются очень медленно, а при дальнейшем увеличении напряжения резко возрастают. Аналогичная картина наблюдается и при определении параметров частичных разрядов в изоляции из электрокартона.

Исследование зависимостей токов утечки от приложенного к изоляции напряжения проводилось для тех же материалов и видов их повреждений, что и для параметров частичных разрядов. Исследования показали, что зависимости токов утечки от напряжения для изоляции электрических машин по характеру отличаются от зависимостей параметров частичных разрядов. При наличии механических или электрических повреждений токи утечки изоляции из электрокартона увеличиваются при повышении напряжения на всем диапазоне его регулирования.

Рис. 6. Зависимость токов утечки через место дефекта от напряжения в изоляции из электрокартона толщиной 0,5 мм:
1 — изоляционный материал: 2 — провод: 3 — металлическая пластина; L — расстояние между дефектом в электрокартоне и в изоляции провода ПЭТВ

На рис. 6 показаны кривые зависимостей токов утечки образцов изоляции из электрокартона, имеющих дефект в виде прокола диаметром 2,5 мм. При опытах одним электродом служила металлическая пластина, а вторым — провод ПЭТВ со снятой эмалевой изоляцией на длине 5 мм. Из кривых видно, что токи утечки через место дефекта изоляции увеличиваются при повышении напряжения, приложенного к изоляции. Значение токов утечки зависит от расстояния между местами дефектов в электрокартоне и в изоляции провода.

Проведенные опыты показали, что на токи утечки значительное влияние оказывает степень увлажненности изоляции. При увеличении увлажненности изоляции токи утечки через место дефекта резко возрастают. В связи с тем, что пленкоэлектрокартон представляет собой двухслойную изоляцию (электрокартон марки ЭВТ толщиной 0,2 мм и полиэтилентерефталатная пленка толщиной 0,05 мм), один слой которой из электрокартона может увлажняться, а второй из пленки практически неувлажняемый, зависимости токов утечки пленко-электрокартона от напряжения имеют свои особенности.

Рис. 7. Зависимость токов утечки пленкоэлектрокартона толщиной 0,27 мм от напряжения:
1 — сухого без повреждений; 2 — увлажненного без повреждений; 3 — сухого с повреждением — пробой высоким напряжением; 4 — увлажненного с повреждением — пробой высоким напряжением; 5 — увлажненного с повреждением — прокол.

На рис. 7 показаны зависимости токов утечки пленкоэлект-рокартона толщиной 0,27 мм от напряжения при отсутствии дефектов и при их наличии (проколы и пробои высоким напряжением). Из кривых видно, что токи утечки сухого и увлажненного пленкоэлектрокартона, не имеющего дефектов, составляют небольшое значение и практически не зависят от степени увлажнения пленкоэлектрокартона, потому что в последнем случае роль барьера для прохождения токов утечки играет полиэтилеитерефталатная пленка толщиной 0,05 мм. У сухого пленкоэлектрокартона, имеющего дефекты в виде электрического пробоя, токи утечки при повышении напряжения до 1500 В вначале составляют небольшое значение, а затем резко увеличиваются. Токи утечки увлажненного пленкоэлектрокартона резко увеличиваются при повышении напряжения и при напряжении 600 В составляют более 300 мкА. При увлажнении и проколе токи утечки при напряжении до 1000 В остаются на уровне 50 мкА, а затем при увеличении напряжения резко увеличиваются.

Ниже приведен анализ полученных результатов при сравнении методов определения технического состояния пазовой и межфазной изоляции электрических машин путем измерения частоты, среднего и амплитудного значений напряжения частичных разрядов в изоляции и метода измерения токов утечки. Частота, средние и амплитудные значения напряжения частичных разрядов даже при достаточно больших дефектах в изоляции имеют в диапазоне напряжений от 0 до 1800 В зону «нечувствительности», в которой значения параметров частичных разрядов при повышении напряжения почти не изменяются. Во время измерения токов утечки при повышении приложенного к изоляции напряжения для изоляционных материалов, применяемых в электрических машинах, такая зона, как правило, отсутствует.

Следует отметить, что параметры частичных разрядов измеряют сложной аппаратурой со сравнительно большими габаритами, что создает неудобства в эксплуатации. Приборы для измерения токов утечки просты по устройству, имеют небольшие габариты и невысокую стоимость. Таким образом, для диагностирования пазовой и межфазовой изоляции электрических машин наиболее целесообразно применять метод, основанный на измерении зависимостей токов утечки от приложенного напряжения.

Токи утечки изоляции обмоток электродвигателей и других электрических машин измеряют с помощью приборов, позволяющих плавно регулировать напряжение постоянного тока в пределах от 200 до 2500 В. Для измерения токов утечки можно применять выпускаемые промышленностью приборы типа ВС-23, ИВН-1 и Б1-3.

Обычно токи утечки изоляции обмоток электрических машин с номинальным напряжением до 660 В составляют микроамперы. В цепь приборов, которые имеют для измерения токов утечки миллиамперметры, необходимо последовательно включать микроамперметры. При отсутствии специальных приборов токи утечки можно измерять с помощью простых схем, одна из которых показана на рис. 8. Схема состоит из автотрансформатора АТр для регулирования напряжения при диагностировании, повышающего трансформатора Тр, двухполупериодного выпрямительного мостика Д, сопротивления защиты схемы от коротких замыканий во время пробоя испытуемой изоляции R, конденсатора С для уменьшения пульсаций напряжения, вольтметров V1 для контроля напряжения с низкой стороны и V2 для контроля приложенного к изоляции напряжения, а также микроамперметра, зашунтированного кнопкой Кн. Микроамперметр расшунтируется только во время отсчета при измерениях токов утечки.

В связи с тем, что значительное увеличение токов утечки может происходить вследствие наличия в изоляции дефектов или увлажнения и загрязнения изоляции, при диагностировании необходимо определять причины увеличения токов утечки. В зависимости от вида дефекта в изоляции, электрическая машина подлежит текущему или капитальному ремонту. При увлажнении изоляцию обмоток сушат, а при загрязнении — очищают.

В трехфазных обмотках электрических машин с шестью выводами состояние пазовой и межфазной изоляции определяют следующим образом. Вначале измеряют ток утечки изоляции одной фазы обмотки при заземленных двух других фазах обмотки, как это показано на рис. 8. При этом ток утечки будет складываться из тока утечки изоляции фазы на заземленный корпус и тока утечки через изоляцию между измеряемой обмоткой и обмотками двух других заземленных фаз:

Рис. 8. Схема для измерения токов утечки

Аналогично измеряют токи утечки изоляции и двух других фаз. Если абсолютное значение токов небольшое и разница между ними незначительная, т. е. состояние изоляции обмоток электрической машины относительно корпуса и между фазами можно считать удовлетворительным. Если токи утечки изоляции обмоток разных фаз достаточно большие, но примерно одинаковы между собой, изоляция обмоток увлажнена или сильно загрязнена.

Рис. 9. Зависимости токов утечки изоляции обмотки электродвигателя А052-6 от напряжения:
1 — фаз C₁, С₂, С₃ относительно корпуса: 2 — фазы С₂ относительно C₁,С₃ и корпуса; 3 — фазы C₁ относительно С₂, С₃ и корпуса; 4 — фазы С₃ относительно C₁, С₂ и корпуса.

На рис. 9 показаны зависимости токов утечки изоляции каждой из фаз электродвигателя А052-6 относительно двух других заземленных фаз и корпуса от приложенного напряжения (кривые 2, 3, 4) и токов утечки всей обмотки (кривая 1). Токи утечки обмоток фаз электродвигателя можно считать примерно одинаковыми, что свидетельствует об отсутствии в изоляции обмоток местных дефектов. Сравнительно большое абсолютное значение токов утечки вызвано увлажнением или загрязнением изоляции.

Разница в значениях токов утечки разных фаз в 1,5—2 и более раз указывает на наличие местных дефектов в изоляции фазы с наибольшей величиной тока утечки. Чтобы определить, какая именно изоляция имеет дефект (относительно корпуса или межфазная), вначале измеряют ток утечки изоляции обмотки фазы с дефектом относительно корпуса при незаземленных обмотках других фаз, а потом ток утечки при приложении напряжения между фазой с дефектной изоляцией и соединенными между собой, но незаземленными обмотками других фаз. Большое значение токов утечки в 1-м случае свидетельствует о наличии местных дефектов в изоляции обмотки фазы относительно корпуса, а во 2-м случае — между фазами, т. е. если ток утечки значительно превышается, то это свидетельствует о повреждении изоляции фазы обмотки относительно корпуса или о повреждении межфазной изоляции обмотки.

Таким образом, асимметрия токов утечки фаз обмоток является одним из важных критериев оценки технического состояния изоляции обмоток многофазных электрических машин.

Рис. 10. Зависимость токов утечки от напряжения изоляции обмотки статора электродвигателя А042-4 мощностью 2,8 кВт:
1 — изоляция обмоток всех фаз; 2, 3, 4 — изоляция обмоток второй, третьей и первой фаз.

На рис. 10 показаны кривые токов утечки увлажненной пазовой изоляции обмоток электродвигателя. Из рисунка видно, что суммарный ток утечки изоляции обмоток всех фаз резко увеличивается при повышении напряжения (кривая 1). Токи утечки изоляции обмоток первой (кривая 4) и третьей фазы (кривая 3) при повышении напряжения увеличиваются незначительно, а токи утечки изоляции обмотки второй фазы (кривая 2) резко возрастают при повышении напряжения. Сравнение приведенных кривых указывает на наличие во 2-й фазе дефекта, через который проходит основная часть токов утечки.

Исследования показали, что кроме абсолютного значения токов утечки при определенном напряжении и асимметрии большое значение при диагностировании имеет приращение токов утечки при увеличении напряжения. В зависимости от состояния изоляции, наличия и вида дефекта или повреждения, увеличение токов утечки при повышении напряжения может происходить или пропорционально повышению напряжения во всем диапазоне изменения напряжения (кривая 2) или до определенного значения напряжения токи утечки увеличиваются пропорционально повышению напряжения, а затем резко возрастают при дальнейшем повышении напряжения.

Таким образом, одним из критериев оценки технического состояния изоляции обмоток электрических машин со всыпными обмотками является приращение токов утечки при повышении приложенного к изоляции напряжения. Для асинхронных электродвигателей при диагностировании обычно определяют приращение токов утечки при увеличении напряжения от 1200 до 1800 В.

Проведенные экспериментальные работы свидетельствуют также о том, что при оценке технического состояния обмоток электрических машин большое значение имеет стабильность токов утечки при подъеме испытательного напряжения, т. е. отсутствие при подъеме напряжения бросков и резких колебаний токов утечки. Броски и колебания токов утечки свидетельствуют о кратковременном возникновении в изоляции пробоев или проводящих разрушающихся мостиков, т. е. о наличии в изоляции дефектов. Таким образом, при диагностировании изоляции обмоток электрических машин относительно корпуса и между фазами одним из основных параметров оценки технического состояния является ток утечки.

Техническое состояние изоляции обмоток электрических машин относительно корпуса и между фазами рекомендуется определять с учетом следующих характеристик токов утечки: абсолютного значения; стабильности при повышении напряжения (отсутствия колебаний и бросков); величины приращения при увеличении напряжения; величины асимметрии в фазах.

Результаты проведенных исследований показывают, что при диагностировании короткозамкнутых электродвигателей абсолютное значение токов утечки следует измерять при напряжении 1800 В, при этом необходимо следить за стабильностью токов утечки при повышении напряжения в диапазоне 600— 1800 В и определять приращение токов утечки при повышении напряжения от 1200 до 1800 В. Значение асимметрии рекомендуется вычислять для токов утечки фаз при напряжении 1800 В.

Следует отметить, что токи утечки нашли применение в нашей стране и за рубежом для оценки технического состояния и степени увлажнения изоляции высоковольтных машин. Подробный анализ применимости разных методов определения технического состояния изоляции при эксплуатации высоковольтных электрических машин проведен венгерским ученым Д. Вайда.