Тема № 1. Изучение способов сушки изоляции

ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Цель работы – изучить способы сушки изоляции обмоток электродвигателей.

 

Методические указания

При самостоятельной подготовке к практической работе необходимо предварительно познакомиться с конструкцией электродвигателей.

По итогам самостоятельной подготовки составляется отчёт, который должен содержать перечень видов испытаний и ответы на контрольные вопросы. В ходе практической работы необходимо рассчитать время сушки и сопротивление изоляции обмоток асинхронного двигателя. Защита практической работы оценивается дифференциально и учитывается при контроле знаний на экзамене.

 

Краткие теоретические сведения

 

Способы сушки изоляции обмоток электродвигателей

В процессе эксплуатации или наоборот, в процессе бездействия электродвигателей, сопротивление изоляции обмоток может упасть до критической отметки. Происходит это из-за насыщения изоляции обмоток влагой.

Нижний предел сопротивления изоляции установлен на отметке 0,5 МОм. При значениях ниже этого эксплуатация электродвигателя может привести к нежелательным последствиям – поломке электродвигателя. В такой ситуации производится сушка обмотки.

Абсолютное сопротивление, МОм, изоляции для электрических машин, прошедших капитальный ремонт, должно быть не менее 0,5 МОм при температуре 10 – 30 °С.

Существует несколько способов сушки изоляции, остановимся на самых популярных. В случае значительного снижения сопротивления изоляции обмотки двигателя ее нужно подсушить внешним нагревом, методом потерь в стали или током короткого замыкания. Внешний нагрев применяют в том случае, если машина сильно отсырела. Для этого изоляцию обмоток обдувают горячим воздухом (рис. 1.1), используя воздуходувки с калориферами, лампы накаливания и нагревательные сопротивления.

 

Рис. 1.1. Схема обдува изоляции обмоток

 

Мощность нагревательных элементов – 3÷10 кВт. Одновременно можно пропускать через обмотки ток. Величину тока при этом поддерживают в пределах 0,4 ÷ 0,7 номинального тока электродвигателя. Для быстроходных двигателей (выше 1000 об/мин) берут нижние пределы тока, а для тихоходных (ниже 1000 об/мин) – более высокие значения тока.

Критерием увлажнённости изоляции обмоток электродвигателей служит сопротивление изоляции и отношение между сопротивлениями, измеренными через 60 и 15 с, называемое коэффициентом абсорбции .

Коэффициент абсорбции всегда больше единицы и увеличивается по мере высыхания изоляции.

Включение электродвигателей, вновь вводимых в эксплуатацию, а также прошедших капитальный ремонт со сменой обмоток без сушки, возможно на основании результатов измерений, предусмотренных «Инструкцией по определению возможности включения вращающихся электрических машин переменного тока без сушки». Электродвигатели подлежат сушке в случае снижения сопротивления изоляции, уменьшения коэффициента абсорбции или увеличения коэффициента нелинейности по сравнению с нормами, приведёнными в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Нормированные значения характеристик изоляции

 

Категория электродвигателя	Сопротивление изоляции, МОм	Коэффициент абсорбции, не менее	Коэффициент нелинейности,
Электродвигатель мощностью более 5000 кВт	Не менее значений, полученных по формуле (1), npи температуре обмотки 75 °С	1,3	Не более 3
Электродвигатель мощностью менее 5000 кВт	Не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения электродвигателя при температуре обмотки 75 °С	1,2

 

Коэффициент нелинейности

У машин, имеющих увлажнённую изоляцию, зависимость токов утечек от приложенного выпрямленного напряжения нелинейна. Нелинейность тем больше, чем больше прикладываемое напряжение. Нелинейность увлажнённой изоляции связана с явлением ионизации, наступающей при определённом напряжении, и резким увеличением в связи с этим тока утечки.

Критерием увлажнённости изоляции служит коэффициент нелинейности , являющийся отношением сопротивления изоляции постоянному току, определяемого по значению тока утечки при минимальном испытательном напряжении равном к сопротивлению, определяемому по значению тока утечки при

где и – токи утечки через 1 мин после приложения испытательных напряжений, равных и половине номинального напряжения электрической машины .

Коэффициент нелинейности изоляции, состояние которой можно считать удовлетворительным, не должен быть больше 3.

Минимальное значение сопротивления изоляции при 75 °С обмоток электродвигателей R ₆₀ мощностью 5000 кВт и более, при котором они могут работать, определяется по формуле, МОм,

где – номинальное линейное напряжение. В; – номинальная мощность, кВА.

Если сопротивление изоляции, определённое по формуле, будет ниже 0,5 МОм, то минимальное допустимое значение принимают равным 0,5 МОм.

Сопротивление изоляции обмотки уменьшается при увеличении ее температуры.

Практически сопротивление изоляции измеряется при температуре обмотки значительно ниже 75 °С. В этих случаях значение , полученное по формуле, следует пересчитать путём умножения ее на температурный коэффициент, значения которого для интервала температур 10 – 75 °С приведены ниже:

 

Температура, ° С
Температурный коэффициент,		1,2	1,7	2,4	3,4	4,7	6,7	9,4

 

Наименьшие значения сопротивления изоляции обмоток электродвигателей мощностью до 5000 кВт включительно в зависимости от температуры приведены ниже:

 

Температура, ° С
Сопротивление изоляции, МОм

 

Роторы синхронных электродвигателей не подвергаются сушке, если сопротивление изоляции их обмотки при 10 – 30 °С превышает 0,2 МОм.

Для проверки состояния изоляции после текущих и капитальных ремонтов, а также ремонтов с частичной или полной перемоткой обмоток необходимо сравнить характеристики изоляции ( с данными предыдущих измерений и испытаний. Если изоляция обмоток не удовлетворяет требованиям, изложенным выше, то электродвигатель необходимо сушить. В процессе сушки удаляется влага, содержащаяся в изоляции обмоток. Сушка электродвигателей может производиться внешним нагревом током от постороннего источника питания, потерями в активной стали. Выбор метода сушки зависит от типа электродвигателя, степени увлажнённости изоляции и наличия необходимого оборудования.

Перед сушкой электродвигатель продувают сухим сжатым воздухом, проверяют отсутствие посторонних предметов. Сильно отсыревшую обмотку можно сушить только путём внешнего нагрева и лишь в конечной стадии сушки нагревом током. Ориентировочным критерием допустимости сушки током является сопротивление изоляции: 50 кОм – для обмотки статора и 20 кОм – для обмотки ротора синхронного электродвигателя. При любом методе сушки скорость подъёма температуры обмотки должна быть не более 4 – 5 °С/ч, так как при большей скорости возрастания температуры возможны местные перегревы отдельных частей электродвигателя и повреждения изоляции из-за разных коэффициентов линейного расширения меди, изоляции и активной стали. При нагреве электрическим током наибольшая температура в самом горячем месте обмотки или стали должна быть не более 80 °С при измерении термометром, 100 °С при измерении методом сопротивления и 90 °С при измерении терморезистором. При сушке током корпус электродвигателя должен быть заземлён. На рис. 1.2 показан вид электродвигателя, подготовленного для сушки изоляции статора.

При сушке внешним нагревом температура обмотки и стали, измеренная термометром, не должна быть выше 100 °С.

Потери в сердечнике статора при сушке методом потерь создаются переменным магнитным потоком частотой 50 Гц аналогично испытанию активной стали статора.

Рис. 1.2. Статор электродвигателя

 

Перед сушкой проверяют расточку статора, так как наличие в ней посторонних предметов может привести к замыканию пакета и его оплавлению. В процессе подъёма температуры индукция должна быть 0,8 – 1,0 Тл. При достижении температуры, при которой предполагается сушить электродвигатель, индукцию необходимо уменьшить до 0,4 – 0,6 Тл. Ее можно регулировать изменением числа витков подводимого напряжения.

При сушке методом потерь в стали температура лобовых частей обмотки будет ниже, чем температура пазовой части. Поэтому для выравнивания температур в обмотку следует подавать переменный ток, соединив три фазы в разомкнутый треугольник и подав напряжение от части намагничивающей обмотки.

При сушке постоянным током его значение, как правило, равно 50 – 70 % номинального. В качестве источника тока можно использовать двигатель-генератор. При сушке все три фазы обмотки статора соединяют последовательно. Для возможности регулирования тока в схему питания включают реостат. Среднюю температуру меди обмотки можно определить по формуле

где , – температура в холодном состоянии и в процессе сушки; , – сопротивление постоянному току обмотки в холодном состоянии и в процессе нагрева; 235 – постоянный коэффициент для меди.

Для дополнительного нагрева используют калориферы. Один конец кабеля от источника постоянного тока подсоединяют к одной из фаз обмотки статора, а другой конец – к общей точке соединённых между собой двух других фаз. Для равномерного нагрева обмотки целесообразно переключать концы фаз 2 раза в сутки. Целесообразно эту работу совместить с измерением характеристик изоляции. Если источник постоянного тока не регулируемый, то в схему устанавливают реостат. Выключение осуществляют постепенным снижением напряжения. До начала сушки электродвигатель утепляют асбополотном. В первые сутки сушки значение тока поддерживают постоянным в пределах 90 – 130 А с максимальной работой калориферов для обеспечения интенсивного отвода влаги с поверхности изоляции. После прогрева в течение 24 ч поднимают температуру обмотки до 80 – 90 °С со скоростью нагрева 2 – 3 °С в час. Первый замер сопротивления изоляции () делают через 48 ч, последующие через каждые 12 ч с записью в журнале сушки. Сушку прерывают при выполнении следующих условий: сопротивление изоляции обмотки статора при температуре 80 – 90 °С по заложенным терморезисторам должно быть не менее 1000 МОм и имеет установившееся значение в течение трёх-пяти измерений. При температуре обмотки 80 – 90 °С коэффициент абсорбции должен быть не менее 1,6 и имеет установившееся значение.

При температуре обмотки 20 – 30 °С коэффициент абсорбции должен быть не менее 1,3. По достижении этих параметров замеряют токи утечки.

Примерный график сушки показан на рис. 1.3.

После отключения нагрева и остывания статора до температуры 20 – 30 °С снимают зависимость токов утечки от испытательного напряжения постоянного тока. Напряжение поднимают ступенями по 3 кВ при максимальном значении 18 кВ постоянного тока.

 

5 t, сут

Рис. 1.3. Примерный график сушки обмотки статора электродвигателя: 1 – сопротивление изоляции; 2 – температура обмотки; 3 – коэффициент абсорбции

 

Обмотку статора считают высушенной, если выполнены следующие условия:

в период выдержки напряжения на какой-либо из ступеней ток утечки не возрастает; ток утечки на ступени не превышает более чем вдвое тока утечки на предыдущей ступени; на любой ступени напряжения коэффициент нелинейности менее 3; ток утечки при 18 кВ не выше 50 мкА, коэффициент абсорбции при 20 – 30 °С более 1,3.

Если одно из вышеперечисленных требований при измерении не выполняется, то испытания прекращают и обмотку сушат в течение 2 – 3 сут. Обычно время сушки составляет 3 – 5 сут. Ориентировочная продолжительность сушки электрических машин приведена в табл. 1.2.

Для ускорения сушки, обмотки, нагретые до предельной температуры, целесообразно периодически охлаждать до температуры окружающей среды. При этом эффективность термической диффузии получается тем большей, чем быстрее охлаждаются поверхностные слои изоляции.

Таблица 1.2

Ориентировочная продолжительность

сушки электрических машин

 

Электрические машины	Минимальное время, ч, для достижения температуры	Продолжительность сушки, ч
50 °С	70 °С	общая	минимальная после достижения установившегося сопротивления изоляции, МОм
Малой и средней мощности	2 - 3	5 - 7	15 - 20	3 - 5
Большой мощности открытого исполнения	10 - 16	15 - 25	40 - 60	5 - 10
Большой мощности закрытого исполнения	20 - 30	25 - 50	70 - 100	10 - 15

 

В процессе сушки нагревать обмотки и сталь нужно постепенно, так как при быстром нагревании температура внутренних частей машины может достигнуть опасного значения, в то время как нагревание наружных частей будет ещё незначительным. Скорость подъёма температуры обмотки во время сушки не должна превышать 4 – 5 °С в час. Согласно ПТЭ электроустановок потребителей измерение сопротивления изоляции относительно корпуса машины и между обмотками производят для обмоток электрических машин напряжением до 660 В включительно мегомметром на 1000 В, а у электрических машин напряжение выше 660 В – мегомметром на 2500 В.

Однако согласно ГОСТ 11828-75 сопротивление обмоток электрических машин на номинальное напряжение до 500 В включительно измеряют мегомметром, рассчитанным на 500 В, обмоток электрических машин на номинальное напряжение выше 500 В – мегомметром на 1000 В. Следовательно, ПТЭ в некоторой степени ужесточают требования по испытанию изоляции мегомметром.

Измерение сопротивления изоляции производится при температуре обмоток 75 °С. Если сопротивление изоляции обмоток было измерено при другой температуре, но не ниже 10 °С, оно может быть пересчитано на температуру 75 °С.

Перед сушкой изоляции обмоток электрических машин помещение должно быть очищено от мусора, пыли и грязи. Электрические машины должны быть тщательно осмотрены и продуты сжатым воздухом. Во время сушки измеряют сопротивление изоляции каждой обмотки электрической машины по отношению к заземлённому корпусу машины и между обмотками.

Каждый раз перед измерением необходимо устранять остаточные заряды в изоляции, для этого обмотку заземляют на корпус на 3 – 4 мин. Кроме того, при сушке обмоток электрических машин необходимо измерять температуру обмоток, окружающего воздуха, ток сушки. Практически в результате сушки обмоток электрических машин сопротивление изоляции при температуре 75 °С должно быть не ниже данных табл. 1.1.

Сушка обмоток электрических машин способом индукционных потерь в стали. В последние годы внедрены рациональные способы сушки электродвигателей индукционными потерями в стали статора при неподвижных машинах, не связанные с прохождением тока непосредственно в обмотках. При этом способе сушки имеются две разновидности: потерями в активной стали статора и потерями в корпусе статора.

Нагрев электродвигателей осуществляется потерями на перемагничивание и вихревые токи в активной стали статора электродвигателя переменного тока или индуктора машины постоянного тока от создаваемого в машинах переменного магнитного потока в сердечнике статора и корпусе машины.

Переменный магнитный поток создаётся специальной намагничивающей обмоткой, наматываемой на корпус машины по наружной поверхности его с протягиванием проводников под станину (рис. 1.4, а) или на корпус и подшипниковые щиты (рис. 1.4, б), переменный магнитный поток может быть также создан индукционными потерями в активной стали статора и корпусе электрической машины (рис. 1.4, в).

Ротор асинхронной или синхронной машины должен быть вынут для возможности намотки на статор намагничивающих витков.

в)

б)

а)

 

Рис. 1.4. Сушка электрических машин за счёт индукционных потерь в стали: а – в корпусе машины, б – в корпусе и подшипниковых щитах, в – в корпусе и активной стали статора

 

Намагничивающая обмотка выполняется изолированным проводом, сечение и количество витков определяется соответствующим расчётом.

В процессе сушки сопротивление изоляции обмоток электрических машин в первый период сушки снижается, в дальнейшем возрастает и, достигнув некоторого значения, становится постоянным. В начале сушки сопротивление изоляции измеряют через каждые 30 мин, а при достижении установившейся температуры – через каждый час.

Результаты заносят в журнал сушки и одновременно вычерчивают кривые (рис. 1.5) зависимости сопротивления изоляции и температуры обмоток от продолжительности сушки. Измерения сопротивления изоляции, температуры обмоток и окружающей среды продолжают до полного охлаждения электрической машины. На рис. 1.6 показан вид сушильной камеры для сушки изоляции обмоток электрического двигателя. Сушку обмоток электрической машины прекращают после того, как сопротивление изоляции будет при постоянной температуре практически неизменным в течение 3 – 5 ч и будет не ниже 1,3.

Рис. 1.5. Кривые зависимости сопротивления изоляции 2, коэффициента абсорбции 3 и температуры обмотки 1 электрической машины от продолжительности сушки

 

Рис. 1.6. Сушильная печь для сушки изоляции обмоток электрических двигателей   1.2. Выполнение расчётов по продолжительности сушки и определению сопротивления изоляции электродвигателя

Для каждого студента задаётся своя величина исходного сопротивления изоляции обмоток статора и температура, при которой производился замер изоляции. Рассчитать необходимое время сушки для приведения сопротивления изоляции к нормативной величине. При расчётах использовать кривые рис. 1.3.

 

 

Контрольные вопросы

1. Для чего производится замер изоляции электродвигателей?

2.Сопротивление изоляции обмотки уменьшается или увеличивается при увеличении температуры?

3. Что такое коэффициент нелинейности?

4. Что такое коэффициент абсорбции?

5. Какие существуют способы сушки изоляции?

6. Почему нормируют скорость подъёма температуры обмотки во время сушки?

 

Список использованной литературы

1. Полуянович, Н. К. Монтаж, наладка, эксплуатация и ремонт систем электроснабжения промышленных предприятий: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности 140610 направления подготовки 140600 – «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». – СПб.: Лань, 2012. – 400 с.

http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=2767

2. Михеев, Г. М. Электростанции и электрические сети: диагностика и контроль электрооборудования. – Москва: Додэка-XXI, 2010. – 224 с.

3. Объем и нормы испытаний электрооборудования [Электронный ресурс]: РД 34.45-51.300-97 / РАО «ЕЭС России». – Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2008.