КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ИЗОЛЯЦИИ КЛАССА НАГРЕВОСТОЙКОСТИ 220°С ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Введение и новизна. В практике электромашиностроения России, а также в других странах СНГ, при изготовлении электрических машин подвижного состава железнодорожного транспорта применяется изоляция класса нагревостойкости F или H [4]. Вместе с тем, большим резервом повышения технических характеристик, в том числе ресурсных, ТЭМ является переход на класс изоляции 200°С и 220°С. Такая конструкция изоляции находит все более широкое применение в ТЭМ иностранных изготовителей, в т.ч. «Alstom transport» (Франция), «General electric» (CША), «Traktionssysteme Austria GmbH» (Австрия) и др. Однако, учитывая «мягкие» климатические условия эксплуатации в Европе, испытания в «жестких» условиях России не проводились.

Чтобы оценить пригодность систем изоляции 200°С (220) в условиях эксплуатации железных дорог РФ, Украины и странах СНГ необходимо провести комплекс исследований в условиях имитирующих реальные климатические факторы (влажность до 100%, повышенную (до +40°С) и пониженную (до -60°С) температуру).

Анализ последних достижений и публикаций. Новые электроизоляционные материалы, а также технологии ее изготовления позволили усовершенствовать системы изоляции ТЭМ, улучшить тем самым их эксплуатационные и энергетические характеристики [3, 5]. Разработки [3, 5, 6, 8] с подробно описанными видами изоляции, технологическими операциями изготовления, результатами испытаний различных образцов, основного технологического оборудования для изготовления изоляции обмоток нашли широкое применение в промышленности стран СНГ, в частности метод вакуум-нагнетательной пропитки изоляции.

Специалистами ИЦ ТЭО были предложены методы испытаний на нагревостойкость с точки зрения приближения режимов испытания ТЭМ к реальным нагрузкам и условиям эксплуатации и обоснован выбор минимального порога сопротивления изоляции 1 МОм при стабилизированной температуре +110 ºС при испытаниях ТЭМ на стойкость к воздействию верхнего значения температуры окружающей среды по методу 201 – 1.2 . Были получены зависимости сопротивления изоляции в условиях повышенной влажности от времени ее воздействия, которые дают возможность прогнозировать сопротивление изоляции после воздействия на нее повышенной влажности в течение заданного времени, а также определить, за какое время сопротивление изоляции достигнет допустимое значение 0,5 МОм [7].

Фирма Traktionssysteme Austria GmbH (далее TSA) проектирует и изготавливает тяговые электродвигатели (далее ТЭД) и генераторы для подвижного состава компании Stadler, которая поставила электрооборудование для межобластного электропоезда, изготавливаемого Кременчукским вагоностроительным заводом (Украина), электропоезда для Московского наземного транспорта и др.

В 2013 – 2015 г.г. TSA проводила сертификационные испытания ТЭД и генератора в испытательном центре тягового электрооборудования ГП «Завод «Електротяжмаш» (ИЦ ТЭО).

Определение цели и задачи исследований. Сравнение конструкции изоляции классов нагревостойкости Н и 220°С в части устойчивости к воздействию климатических факторов, анализ результатов исследований и выработка рекомендации по применимости класса 220°С для железных дорог РФ и стран СНГ.

Основная часть исследований. Исследования проводили на пяти образцах ТЭМ с классом нагревостойкости изоляции Н и трех образцах с классом нагревостойкости 220° в условиях воздействия имитируемых климатических факторов (повышенной и пониженной температуры, повышенной влажности воздуха).

Испытания проводятся в климатических камерах KTBV-8000-IV и KTBV-8000-2, имеющие следующие основные характеристики: полезный объем 8м³_, температура от минус 60±3 ºС до +220±3 ºС, относительная влажность от 0 до 100±3 % при температурах до 70 ºС).

Образец ТЭМ с классом нагревостойкости 220° перед испытаниями в климатермобарокамере KTBV-8000-IV показан на рисунке 1.

Рисунок 1 – Образец ТЭМ с классом нагревостойкости 220° перед испытаниями в климатермобарокамере KTBV-8000-IV

Критерием оценки состояния изоляции принята величина сопротивления изоляции относительно корпуса Rиз, измеренная диагностическим тестером TeraOhm 5kV типа MI 2077 фирмы «METREL» (Словения).

Воздействие повышенной температуры окружающей среды (по методу 201-1 [1]). Образцы подвергали воздействию температуры среды равной (180±3)°С для класса Н и (220±3)°С для класса 220° в испытательной камере, выдерживали их до прогрева по всему объему, затем охлаждали до температуры, соответствующей нормальным климатическим условиям испытаний (далее н.к.у.и.).

На рисунке 2, а и 2, б представлены результаты исследований в виде температурных зависимостей Rиз=f (Т).

 

а) воздействие повышенной температуры ; б) воздействие пониженной температуры Рисунок 2. Зависимость величин сопротивления изоляции ТЭМ от воздействия температуры среды

Все представленные образцы показали высокие значения сопротивлений изоляции (допустимое значение при температуре 110°С не менее 1 МОм). Образцы с классом изоляции 220° (рисунок 2, а) при температуре 220°С имели существенно более высокие значения сопротивления изоляции чем образцы с классом Н при температуре 180°С (от 2 до 40 раз), а также не уступали классу Н по сопротивлению изоляции при температуре 110°С.

Воздействие пониженной температуры окружающей среды (по методу 203-1 [2]). Образцы подвергали воздействию температуры среды равной (минус 50±3)°С в испытательной камере, выдерживали их до охлаждения по всему объему, затем нагревали до температуры (40±3)°С.

Из рисунка 2, б видно что все представленные образцы имели высокие значения сопротивления изоляции на всем диапазоне температур окружающей среды и восстановили их после испытания до высоких значений (допустимое значение после восстановления в н.к.у.и. не менее 20 МОм).

Образцы с классом изоляции 220° показали величины сопротивления изоляции во время действия пониженной температуры минус 50°С более высокие, чем образцы с классом Н, а также не уступали классу Н по сопротивлению изоляции при увеличении температуры среды до 40°С и восстановления в н.к.у.и..

Воздействие повышенной влажности воздуха (по методу 207-1 [1]). Образцы подвергали воздействию шести непрерывно следующих друг за другом циклов (продолжительность цикла 24 часа), каждый из первых пяти циклов состояли из двух этапов: 16 часов при температуре (40±2)°С и относительной влажности (95±3)% и 8 часов при температуре (35±2)°С и относительной влажности (95-100)%. В последнем шестом цикле : 16 часов при температуре (40±2)°С и относительной влажности (95±3)% и 8 часов при температуре (25±2)°С и относительной влажности (95-100)%.

На рисунке 3 представлены результаты измерений сопротивления изоляции образцов в виде временных зависимостей Rиз=f(t), где t — длительность испытания в часах, а Rиз — усредненные значения сопротивлений изоляции образцов в n-м цикле, соответствующие каждому этапу. Rиз=∑Rиз_і/і где i – количество измеренных значений cопротивления изоляции в каждом цикле (на этапах продолжительностью 16 часов і=4, на этапах продолжительностью 8 часов і=2).

Все представленные образцы в течение воздействия повышенной влажности показали высокие значения сопротивлений изоляции.

Из рисунка 3 видно, что образцы с классом изоляции 220° в процессе испытаний по значениям сопротивления изоляции не уступали большинству

Рисунок 3 – Зависимости сопротивления изоляции относительно корпуса от времени воздействия повышенной влажности

образцов с классом Н и эти значения были не ниже допустимых (допустимое значение не ниже 0,5 МОм).

При воздействии повышенной влажности зависимость сопротивления изоляции от времени воздействия влажности на изоляцию имеет экспоненциальный вид [7]

Rиз= R₀·e^γt,                                  (1)

где t –время, часов;

R₀ характеризует начальное сопротивление изоляции до испытаний, МОм;

γ — коэффициент, зависящий от свойств изоляции, характеризует скорость снижения сопротивления изоляции при воздействии влажного воздуха.

При эксплуатации ТЭМ возможно более продолжительное воздействие повышенной влажности, чем та, которой подвергались образцы при испытаниях. По полученным зависимостям можно спрогнозировать, каким будет сопротивление изоляции через 10, 20 и больше суток, а также прогнозировать, через какое время Rиз достигнет допустимого значения. Для этого найдем значение t из формулы (1):

                       (2)

Время t, при котором изоляция ТЭМ в условиях повышенной влажности сохраняет сопротивление изоляции выше допустимого значения, можно рассчитать аналитически по формуле (2), или при помощи графиков, см. рисунок 4, где ось времени продлена на 1540 часов для определения t всех образцов.

Рисунок 4 – Прогнозируемые зависимости сопротивления изоляции относительно корпуса от времени воздействия повышенной влажности

Для образцов №1, №2 и №3 класса изоляции 220° по прогнозу сопротивление изоляции достигнет допустимого значения через 1206 часов (50,2 суток), 1112 часов (46,3 суток) и 1146 часов (47,8 суток) соответственно. В сравнении с образцами класса изоляции Н это высокий показатель. Лишь образец №1 (класс Н) достигнет допустимого значения через 1286 часов (53,6 суток).

При внешнем осмотре образцов №1 — №3 с классом изоляции 220° после испытаний у образца №1 и №3 (рисунок 5, а), не имеющих лакокрасочных покрытий обмоток, была выявлена ворсистость поверхности изоляции обмоток, что может привести к скоплению пыли на поверхности, и как следствие приведет к снижению сопротивления изоляции, пробою изоляции или межвитковому замыканию. У образца №2, обмотки которого дополнительно были покрыты лакокрасочным покрытием, состояние поверхности после всех испытаний сохранилось в удовлетворительном состоянии как видно на рисунке 5, б.

а) образец № 1 с классом изоляции 220° ; б) образец № 2 с классом изоляции 220°

Рисунок 5 – Внешний вид образцов класса изоляции 220° после испытаний

 

Выводы из исследования и перспективы. 1. Положительные результаты сравнительных климатических испытаний и исследования методом математического моделирования показали целесообразность и перспективность внедрения в производство ТЭМ изоляции с классом нагревостойкости 220°С для применения на железных дорогах РФ и стран СНГ.

2. В результате исследований подтверждено, что образцы ТЭМ с классом нагревостойкости 220°С имеют существенно большую устойчивость к климатическим внешним воздействиям изоляции по сравнению с образцами ТЭМ с классом нагревостойкости Н, а также демонстрируют способность работать в условиях воздействия повышенной влажности больший срок, чем большинство образцов с классом нагревостойкости Н.
3. Разработанные математические модели позволили спрогнозировать значения сопротивления изоляции после воздействия на нее повышенной влажности на протяжении заданного времени и определить за какое время сопротивление изоляции достигнет критических значений в этих условиях. Данные модели рекомендуется применять в дальнейшем для исследований целесообразности тех или иных конструктивных или технологических нововведений.

Список литературы

1. Изделия электротехнические. Методы испытаний на устойчивость к климатическим внешним воздействующим факторам: ГОСТ 16962.1-89./ — М.:Издательство стандартов,1989.-76
2. 2. Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний: ГОСТ 20.57.406-81./ — М.:Издательство стандартов,1991.-217с.
3. Пак В.М., Трубачев С.Г. Новые материалы и системы изоляции высоковольтных электрических машин. М: Энергоатомиздат, 2007.
4. Системы электрической изоляции . Оценка нагревостойкости и классификация: ГОСТ 8865 – 93 (МЭК 85 – 84). [Введен в действие от 1997-07-01] /. – М.: Издательство стандартов, 1995. – 8 с.
5. 5. Электроизоляционные материалы и системы изоляции для электрических машин. В двух книгах. Кн. 2 / В.Г. Огоньков и др.; под. ред.. В.Г. Огонькова, С.В. Серебренникова – М.: Издательский дом МЭИ, 2012. – 304 с.: ил..
6. Юхимчук В.Д.. Технология производства электрических машин. Учебное пособие/в двух книгах/книга 2/ Харьков:Тимченко, 2006-592с.
7. 7. Яцько С.И. Исследования устойчивости систем изоляции тяговых электических машин к воздействию климатических факторов / С.И. Яцько, к.т.н., доц., В.В. Карпенко, к.т.н., Д.Ю. Василенко // Вісник Кременчуцького державного університету імені Михайла Остроградського. – Кременчук: КДУ, 2010. – Вип. № 4/2010 (63) частина 1. – С. 134‑140.
8. Ященко С.А. Модернизация и исследования системы электрической изоляции класса нагревостойкости Н тяговых электродвигателей, эксплуатируемых в экстремальных условиях: Дис. .канд. техн. наук. М., 2009.[schema type=»book» name=»КЛИМАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ ИЗОЛЯЦИИ КЛАССА НАГРЕВОСТОЙКОСТИ 220°С ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОДВИЖНОГО СОСТАВА» description=»Приведены результаты экспериментальных сравнительных исследований стойкости электрической изоляции образцов ТЭМ на основе изоляции класса нагревостойкости 220°С с серийными образцами на основе классов F или H. Построена математическая модель результатов испытаний на влагостойкость. Установлено, что образцы ТЭМ на основе изоляции класса 220°С имеют характеристики изоляции дос-таточно высокие по сравнению с образцами класса Н. На основании результатов сравнительных испытаний подтверждена целесообразность и перспективность применения изоляции класса 220°С, рекомендовано применение полученных математических моделей для исследований целесообразности конструктивных или технологических нововведений.» author=»Нейдорфер Харальд, Карпенко Владимир Владиславович, Василенко Денис Юрьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-05-16″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.04.2017_04(37)» ebook=»yes» ]