Электроизоляционные материалы

Наиболее многочисленной группой среди других материалов и чрезвычайно важной для электротехники являются электроизоляционные материалы. Они предназначены для изоляции проводников друг от друга и от заземленных частей установок.

По агрегатному состоянию их разделяют на газообразные, жидкие, твердеющие, твердые.

По химической природе их разделяют на органические и неоргани­ческие.

По строению их делят на аморфные, кристаллические, волокнистые.

По происхождению их делят на природные (естественные) и искусственные (синтетические).

Указанная классификация в определенной степени влияет на свой­ства электроизоляционных материалов, которые оцениваются многочис­ленным рядом характеристик. В практической деятельности для каждо­го широко используемого материала инженеру-электрику следует постоянно помнить две характеристики:

а) электрическую прочность (пробивную напряженность), так как диэлектрик теряет изоляционные свойства, если напряженность поля превысит критическое значение, кВ/мм;

б) нагревостойкость, определяемую предельно допустимой темпера­турой для эксплуатационных материалов при их длительном использо­вании (в течение ряда лет) в электрических машинах, трансформа­торах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных усло­виях.

В соответствии с ГОСТ 8865-70 все электроизоляционные материа­лы по нагревостойкости разделены на классы (таблица 1.1).

 

Таблица 1.1 - Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Классы нагревостойкости	У	А	Е	В	F	Н	С
Допустимая рабо­чая температура, ^0С							Более

В отчете, используя литературные источники [l - 2], необходимо дать краткую характеристику каждому образцу диэлектриков, приведенному на стенде: метод получения электроизоляцион­ного материала, электрическую прочность, класс нагревостойкости, область применения, достоинства и недостатки. Охарактеризовать такие диэлектрики:

-жидкие (трансформаторные, конденсаторные, кабельные масла);

- твердеющие (бакелитовая, эпоксидная смола, канифоль, про­питочные, покровные и клеящие лаки);

- твердые (волокнистые материалы, электроизоляционные пластмассы, слоистые пластики, слюда, электрокерамика).

Проводниковые материалы

Проводниковые материалы могут быть твердыми, жидкими и газо­образными (при определенных условиях). В практике наибольшее распространение получили металлы и их сплавы.

Твердые металлические проводниковые материалы разделяют на металлы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. На электрические свойства этих материалов оказывают влияние примеси (особенно на проводимость) и способ обработки (на меха­нические характеристики).

2.1 Металлы высокой проводимости

В ремонтной практике элек­трических машин и аппаратов из проводниковых материалов ши­роко используются обмоточные провода. Они изготовляются из электролитической меди (ММ) и алюминия (AM). Из меди марки Ml с содержанием примеси не более 0,1 % можно получить провод диаметром до 0,03-0,02 мм, а из бескислородной меди марки МО с содержанием примесей не более 0,05 %, в том числе кислорода не выше 0,02 %, можно получать провод еще меньшего диаметра.

 

2.2 Сплавы высокого сопротивления

Эти сплавы получили широ­кое применение при изготовлении электроизмерительных приборов, образцовых резисторов и нагревательных элементов. В первых двух случаях применения от них требуется высокое удельное сопро­тивление и его высокая стабильность во времени, малый температур­ный коэффициент удельного сопротивления и малый коэффициент термо-ЭДС в паре данного сплава с медью. В последнем случае от сплава требуется способность длительно работать на воздухе при температуре 1000 °С и более. Кроме этого они должны быть деше­вы и не должны содержать дефицитных составляющих.

 

2.3 Припои

К проводниковым материалам относят также припои, специальные материалы, применяемые при пайке. В зависимости от температуры плавления их делят на две группы:

- мягкие (до 400 °С) - к ним относятся олово, свинцово-оловянистый припой марки ПОС и другие; они применяются там, где требуется лишь хороший электрический контакт;

- твердые (свыше 500°С) - медно-цинковые марки ПМЦ, серебряные ПСР и другие; применяются для получения хорошего электрическо­го контакта и механически прочного соединения.

В отчете, используя литературные источники [1…3], каждому образцу проводниковых материалов, приведенных на стенде, сос­тавить характеристику:

а) обмоточные провода - материал провода, его изоляция, допу­стимые температуры нагрева, области применения;

б) медь, алюминий, латунь, бронза - получение, содержание примесей, марки, основные свойства, влияние обработки, области применения;

в) константан, нихром - содержание элементов, основные пара­метры, области применения;

г) припой - тип по температуре плавления, характерные особен­ности, области применения;

д) угольные щетки - тип, основные параметры, области примене­ния.

2.4 Магнитные материалы

В качестве магнитных материалов используются материалы с высо­кой магнитной проницаемостью (m³200) - железо, никель, кобальт и сплавы различного состава.

В зависимости от величины коэрцитивной силы (Н_с) магнитные материалы делятся на следующие виды:

- магнитомягкие (с малым значением Н_с) обладают высокой маг­нитной проницаемостью, малыми потерями на гистерезис, использу­ются для изготовления магнитопроводов электрических машин и аппаратов. К ним относятся технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, различные сплавы (пермаллой, альсифер);

- магнито-твердые материалы (с большим значением Н_с), магнит­ная проницаемость их ниже, чем первых, причем чем выше Н_с, тем ниже магнитная проницаемость. К ним относятся легированные ста­ли, закаливаемые на мартенсит, литые магнито-твердые сплавы, магниты из порошков, магнито-твердые ферриты, используются для изготовления постоянных магнитов.

В электротехнике самое широкое применение получила листовая электро­техническая сталь. Эта сталь легирована кремнием, который резко повышает ее удельное электрическое сопротивление, что снижает потери на вихревые токи, кроме того несколько увеличивает маг­нитную проницаемость и снижает потери на гистерезис. Однако кремний понижает механические свойства стали, она становится более хрупкой.

В справочной литературе до сих пор еще приводится старое обоз­начение электротехнической стали по ГОСТ 802-58, в котором буква Э показывает, что она легирована кремнием, первая цифра указывает среднее содержание кремния в процентах, вторая цифра определяет электрические и магнитные свойства и область применения стали. Наличие третьей (0) показывает, что сталь холоднокатанная текстурованная, если третья и четвертая цифры (00), то холоднокатан­ная и малотекстурованная. Наличие буквы (А) после цифры обозначает особо низкие удельные потери.

По ГОСТ 21427.0-75 обозначение марок электротехнической стали состоит из 4-х цифр. Первая из них классифицирует стали по виду прокатки и структурному состоянию: 1 - горячекатанная изотропная; 2 - холоднокатанная изотропная; 3 - холоднокатанная с ребровой структурой. Вторая цифра определяет содержание кремния: 2 - от 0,8 до 1,8%; 3 - от 1,8 до 2,8%; 4 - от 2,8 до 3,8%; 5 - от 3,8 до 4,8%. Третья цифра указывает группу по условной нормируемой характеристике: 0 - удельные потери при магнитной индукции В = 1,7 Тл и частоте f = 50 Гц (P_1,7/50); 1 - то же, при В = 1,5 Тл и f =50 Гц (Р_1,5/50); 2- то же, при В=1,0 Тл и f=400Гц (Р_1,0/400); 6- магнитная индукция в слабых магнитных полях при линейной напряженности Н = 0,4 А/м (В_0,4); 7 - магнит­ная индукция в средних магнитных полях при Н = 10А/м (В₁₀). Четвертая цифра обозначает порядковый номер в группе по трем первым цифрам, характеризующий улучшение качества в пределах группы.

В электромашиностроении применяют главным образом электротехни­ческие стали 2013, 2211, 2212, 2411, а также стали следующих марок, показанных в таблице 1.2.

 

Таблица 1.2- Обозначение марок стали

Новое обозначение	I211			I311		I411		I511
Старое обозначение	Э11	Э12	Э13	Э21	Э22	Э31	Э32	Э41	Э42	Э43

 

В трансформаторостроении используют следующие стали, показанные в таблице 1.3.

 

Таблица 1.3- Марки стали для трансформаторов

Новое обозначение
Старое обозначение	ЭЗ10	Э320	ЭЗЗО

 

Для снижения потерь на вихревые токи магнитопроводы электрических машин и аппаратов набираются из отдельных листов электротехниче­ской стали, изолированных друг от друга.

Для электрических машин частотой до 50 Гц применяют электротех­ническую сталь толщиной 0,5 и 0,35 мм. Для сердечников главных полюсов применяют сталь толщиной 1... 2 мм, для добавочных полю­сов, станин, сердечников полюсов малых машин - конструкционную сталь марок Ст.10 и Ст.30.

В отчете, используя литературные источники [1…3], каждому образ­цу магнитных материалов, приведенных на стенде, составить характери­стику:

- группа по величине Н_c;

- основные свойства и область применения.

 

3. Определение электрической прочности сухих и увлажненных электроизоляционных материалов и воздуха в однородном и неоднородном поле.

Под электрической прочностью Е_пр, кВ/мм понимается отношение пробивного на­пряжения к толщине диэлектрика.

(1.1)

где U_пр - величина пробивного напряжения, при которой произошел пробой, кВ;

h - толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.

Однородным называется поле между двумя плоскими электродами. Напряженность поля в каждой точке такого поля одинакова.

Неоднородным называется поле между плоским электродом и иглой. Здесь наибольшая напряженность поля у иглы и наименьшая - плоского электрода.

В лабораторной работе проба диэлектрических материалов и возду­ха осуществляется на аппарате АИМ-80.

ВНИМАНИЕ!

1. Перед испытанием диэлектрика проверить заземление аппарата АИМ-80.

2. Запрещается включать высокое напряжение при не установленном в аппарат испытательном сосуде.

3. Установку и выемку испытательного сосуда следует произ­водить после отключения питающего напряжения.

4. Испытание необходимо проводить в диэлектрических перчат­ках, стоя на резиновом коврике.

При испытании используются следующие электроды:

- при однородном поле - плоскость-плоскость;

- при неоднородном поле - плоскость-игла (конус).

При испытании образец изоляции зажимается между электродами, которые необходимо установить в фарфоровом испытательном сосуде. Сосуд устанавливается в аппарат АИМ-80 на штыри и закрывается крышкой. Включается вилка в розетку на стенде, поворачивается ключ по часовой стрелке, при этом загора­ется зеленая сигнальная лампа на панели аппарата. Если стрелка прибора находится в положении «0», то загорается сигнальная лампа «желтого» цвета, сигнализирующая о готовности прибора к пробою. Если сигнальная лампа желтого цвета не горит, то необходимо нажать на кнопку «0←» и установить mА (кV) в нулевое положение. Нажимается кнопка, обозначающая пробой, при этом на пане­ли АИМ-80 загорается красная сигнальная лампа. Напряжение между электродами автоматически увеличивается от нуля до пробоя. В момент электрического пробоя диэлектрика срабатывает реле и останавливает увеличение напряжения. Стрелка прибора будет показывать пробивное напряжение, кВ. Данные измерения заносятся в таблицу 1.4. Кнопкой возврата вернуть стрелку прибора в нулевое положение и отключить аппарат АИМ-80. Достается пробитый образец и закладывается новый. Испытания образцов следует проводить с промежутком времени между пробоями пять минут.

 

 

Таблица 1.4 - Электрическая прочность электроизоляционных материалов

Наименование испытуемого материала

Однородное поле

Неоднородное поле

Сухой

Увлаж.

Сухой

Увлаж.

h

Uпр

Епр

h

Uпр

Епр

h

Uпр

Епр

h

Uпр

Епр

 

Определение электрической прочности изоляционных материалов следует проводить для нескольких образцов различной толщины (h, 2h, 3 h.) в сухом и несколько увлажненном состоянии.

Увлажнение изоляционных материалов проводится тампоном из тряпочки, ваты или поролона, смоченными водой.

4. Значение электрической прочности воздуха зависит от меж­электродного расстояния и степени однородности электрического поля. Расстояние между электродами устанавливается с помощью щупа. Результаты измерений заносят в таблицу 1.5.

 

Таблица 1.5 - Электрическая прочность воздуха

h, мм	Однородное поле	Неоднородное поле
Uпр, кВ	Епр, кВ/мм	Uпр, кВ	Епр, кВ/мм
I

Содержание отчета.

В отчете необходимо привести: цель и программу работы, таблицы измерений. По данным таблиц 1.4 и 1.5 построить зависимости Е_пр = f(h), представить образцы испытанных изоляционных материалов.

В конце отчета необходимо привести вывод по работе и подготовиться к ответу на контрольные вопросы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как классифицируются электроизоляционные материалы?

2. Дать краткую характеристику жидким диэлектрикам.

3. Дать краткую характеристику твердым диэлектрикам.

4. Охарактеризовать достоинства и недостатки меди как проводни­кового материала.

5. Дать классификацию обмоточных проводов.

6. Охарактеризовать припои, применяемые при пайке обмоточных проводов.

7. Охарактеризовать электротехническую сталь и дать ее классифи­кацию.

8. Объяснить физику процесса уменьшения электрической прочности изоляции с увеличением ее толщины.

9. От чего зависит электрическая прочность воздуха?

10. Дать краткую характеристику твердеющим диэлектрикам.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

 

Дефектация силовых трансформаторов

при ремонте

 

Цель работы: изучить возможные неисправности силовых трансформаторов и освоить методику их обнаружения.

 

Программа работы:

1. Внешним осмотром определить основные неисправности конструктивных элементов трансформатора.

1.1 Ознакомиться с параметрами и конструктивными элементами

трансформатора, записать его паспортные данные;

1.2 Провести наружный осмотр трансформатора;

1.3 Провести ревизию выемной части трансформатора (осмотреть состояние обмоток, изоляционных деталей, магнитопровода, отводов, переключателей, выводных изоляторов).

2. Измерить сопротивление изоляции стяжных шпилек. Измерить сопротивление изоляции обмоток трансформатора.

3. Определить коэффициент абсорбции. Сделать вывод о состоя­нии изоляции.

4. Определить коэффициент трансформации трансформатора при всех положениях переключателя напряжения.

5. Измерить сопротивление обмоток трансформатора постоянному току.

Содержание работы и порядок ее выполнения

1 Старение изоляции обмоток, повреждения, вызванные аварийными и ненормальными режимами работы, некачественный ремонт, не­соблюдение правил эксплуатации приводят к выходу из строя тран­сформатора. Статистика показывает, что наибольшее количество повреждений возникает в устройствах обмоток, главной и продоль­ной изоляции, вводов и переключателей.

Поступивший в ремонт трансформатор прежде всего осматривают. Осмотр производят для выявления внешних неисправностей. Знакомятся с эксплуатационно-технической документацией, обращая особое внимание на сведения о работе и дефектах трансформатора в эксплуатации, результаты предыдущего ремонта и особые требования, предъявляемые заказчиком.

При внешнем осмотре проверяют общее состояние вспомогательно­го оборудования и выводных изоляторов ВН и НН трансформатора. Кро­ме того, проверяется состояние бака, радиаторов, обращается внима­ние на наличие вмятин, пробоин, трещин. Проверяется состояние уплотнений и крепежных деталей, исправность пробок и кранов, состояние маслоуказательного устройства, фарфоровых изоляторов, на­личие следов перекрытия.

Результаты внешнего осмотра трансформатора и неисправности, обнаруженные в процессе разборки, записывают в дефектовочную карту (ведомость дефек­тов), по которой определяется объем ремонта.

Дефектацией трансформатора называют комплекс работ по выявлению характера и степени повреждения его отдельных частей.

Работа по дефектации - наиболее ответственный этап ремонта. Поэ­тому производящий дефектацию должен знать не только признаки и причины неисправности, но и способы их безошибочного выявления и устранения. Характерные неисправности силовых трансформаторов и возможные причины их возникновения приведены в таблице 2.1.

Дефектация выемной части трансформатора начинается с осмотра обмоток. При осмотре обмоток трансформатора нужно обратить вни­мание на следующее:

- состояние витковой изоляции;

- отсутствие деформации и смещения обмоток в радиальном на­правлении, что может явиться следствием сдвигов и ослабления прокладок, планок, распорок;

- состояние мест спаек на обмотках;

- состояние охлаждающих каналов между обмотками, а также между обмоткой низкого напряжения и сердечником.

Изоляционные и дистанционные детали: цилиндры, перегородки, прокладки изготовляют преимущественно из электрокартона, а план­ки и рейки - из твердых пород дерева, обычно бука.

При осмотре этих деталей необходимо проверить прочность их крепления, нет ли усушки, пробоев изоляции, которые сопровождают­ся появлением прожогов, трещин, обугливанием и растрескиванием.

 

Таблица 2.1- Неисправности трансформаторов и причины

их возникновения

Элемент трансфор­матора	Неисправность	Причина неисправности
Обмотки	Витковое замыкание	Естественное старение и износ изоляции, систематические пере­грузки трансформатора; динамические усилия при сквозных к.з.
Обмотки	Замыкания на корпус (пробой), межфазное к.з	Старение изоляции; увлажнение масла и понижение его уровня. Внутренние и внешние перенапря­жения, деформация обмоток от больших токов к.з.
Обмотки	Обрыв в цепи	Отгорание отводов (выводных кон­цов) обмотки из-за низкого ка­чества соединения или электродина­мических усилий при к.з.
Переклю­чатели напряже­ния	Отсутствие контак­та. Оплавление контактов	Нарушение регулировки переключа­ющего устройства. Термическое воздействие на контакт токов к.з.
Вводы	Электрический про­бой на корпус	Трещины в изоляторах; понижение уровня масла в трансформаторе при одновременном загрязнении внутрен­ней поверхности изоляторов
Вводы	Электрический про­бой изоляции между отводами от­дельных фаз	Повреждение изоляции отводов к выводам или переключателю
Магнитопровод	«Пожар стали»	Нарушение изоляции между отдельными листами стали или стяжными болтами; слабая прессовка стали; образование короткозамкнутого контура при повреж­дении изоляционных прокладок между ярмом и магнитопроводом; образование к.з. контура при выполнении заземле­ния магнитопровода со стороны выводов ВН и НН
Бак и арматура	Течь масла	Нарушение сварного шва и плотности фланцевых соединений. Плохо притерта пробка крана, повреждена прокладка под его фланцами

 

Изоляцию по ее состоянию можно подразделять на 4 класса:

1 класс - изоляция хорошая (при нажатии рукой она мягкая и не дает трещин);

2 класс - изоляция удовлетворительная (при нажатии рукой она сухая, твердая, но трещин не образует);

3 класс - изоляция ненадежная (при надавливании рукой на ней появляются мелкие трещины или она расслаивается);

4 класс - изоляция плохая и непригодна к дальнейшей эксплуатации (при нажатии рукой она рассыпается).

При определении состояния магнитопровода необходимо проверить следующее:

- плотность затяжки сердечника ярма (кончик ножа не должен входить между листами стали и ярма на глубину более 5 мм);

- отсутствие цветов побежалости и ржавчины на стали, что свидетельствует об удовлетворительной изоляции между листами стали и отсутствие перегрева магнитопровода;

- отсутствие перекосов и вмятин магнитопровода;

- состояние изоляции отводов (вводов). Отводы от обмоток долж­ны быть плотно прикреплены к изолирующим планкам и надежно изолиро­ваны; вводы должны иметь надежную армировку с фланцами, хоро­шую резьбу на проходных стержнях и не иметь трещин, ожогов, сколов;

- величину сопротивления изоляции стяжных шпилек по отношению к магнитопроводу.

2. Измерение сопротивления изоляции стяжных шпилек по отношению к магнитопроводу производится мегаомметром М4100/4 на 1000 В, как показано на рисунке 2.1.

Величина сопротивления изоляции стяжной шпильки должна быть не менее 2…3 МОм (для трансформаторов с U = 3…10 кВ). Согласно инструкции, не допускается снижение сопротивления изоляции более чем на 50% исходных значений; при большем снижении необходимо выяснить и устранить причину снижения. Повреждаются чаще всего изолирующие шайбы непосредственно под гайками или изолирующая трубка, надеваемая на стяжной болт, в месте выхода из пакета стали. Заусеницы у краев отверстия при затяжке шпильки обычно прорезают изоляцию трубки. При нарушении изоляции возможен так называемый «пожар» стали магнитопровода. При соединении шпильки с сердечником в двух точках может образоваться короткозамкнутый контур, в котором магнитный поток наводит токи, которые могут нагревать шпильку до высокой температуры и вызывать выгорание стали магнитопровода.

Рисунок 2.1- Измерение сопротив­ления изоляции стяжной шпильки ярма и ярмовой бал­ки. (1-ярмо; 2- ярмовая бал­ка; 3-стальная шайба; 4-шпилька; 5-гайка; 6-изоляционная шайба; 7-изоляционная прокладка;8-изоляционная трубка; 9-мегаомметр; Л-зажим «Линия»; 3-зажим «Земля»; сплошная линия - для замера сопротивления изоляции шпильки; штриховая - для замера сопротивления изоляции ярмовой балки).

 

Для измерения сопротивления изоляции магнитопровода относитель­но ярмовых балок (рисунок.2.1) необходимо отсоединить заземляющую шинку от ярмовой балки и мегаомметром на 1000…2500 В измерить сопротив­ление изоляции. Оно должно быть не менее 2 МОм.

Результаты измерений сопротивления изоляции стяжной шпильки и ярмовой балки заносятся в таблицу 2.2.

 

Таблица2.2- Сопротивление изоляции стяжной шпильки и ярмовой балки

Измеряемая величина	Между стяжной шпилькой и магнитопроводом	Между ярмовой балкой и магнитопроводом
Сопротивление изоляции, МОм

 

3. Измерение сопротивления изоляции обмоток трансформатора осуществляется мегаомметрами типа Ф-2, Ф4100, M4100 на напряжение 2500 В согласно методики, изложенной в общих указаниях (стр. 10-11).

Состояние изоляции характеризуется не только абсолютным значением сопротив­ления изоляции (которое зависит от габаритов трансформатора и примененных в нем материалов), но и коэффициентом абсорбции (отношением сопротивления изоляции, измеренного через 60 сек. после приложения напряжения к сопротивлению изоляции, измеренному через 15 сек).

(2.1)

Измерение сопротивления изоляции позволяет судить как о мест­ных дефектах, так и о степени увлажнения изоляции обмоток трансформатора. Величина сопротивления изоляции R₆₀ сравнивается с данными заводских или предыдущих испытаний. Сопротивление изоляции R₆₀ за время ремонта не должно снижаться более чем на 30% (см. таблицу 2.3).

Таблица 2.3 - Наименьшие допустимые сопротивления изоляции R₆₀ обмоток трансформатора в масле

Номинальное напряжение обмотки высшего напряжения, кВ	Значение R60, МОм, при температуре обмотки, ^0С
До 35
Свыше 110	Не нормируется

Примечание. Значения относятся ко всем обмоткам трансформатора.

 

Коэффициент абсорбции (R₆₀/R₁₅) для трансформаторов мощ­ностью менее 10000 кВА, напряжением до 35 кВ при температуре +10…+30 °С должен быть не менее 1,3, а для трансформато­ров напряжением 110 кВ и выше - не менее 1,5.

Для трансформаторов, увлажненных или имеющих местные дефекты в изоляции, коэффициент абсорбции близок к единице.

Величина К_аб меняется с изменением температуры, поэтому для сравнения величин сопротивления изоляции необходимо измерять сопротивление при одной и той же температуре. В протоколе испы­тания поэтому указывается температура, при которой производилось измерение. Результаты измерения сопротивления изоляции заносятся в табли­цу 2.4.

Таблица 2.4 - Сопротивление изоляции трансформатора

Измеряемая величина	Между обмоткой и корпусом	Между обмотками	Темпера­тура изоляции, ^0 С
ВН - корпус	НН – корпус	ВН – НН
R15	R60	R15	R60	R15	R60
Сопротивле­ние изоляции, МОм
Коэффициент абсорбции каб