Способ контроля отверждения пропитанной изоляции обмоток электротехнических изделий

Способ контроля отверждения пропитанной изоляции обмоток электротехнических изделий

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, в частности к контролю качества пропитанной изоляции электротехнических изделий, и может быть использовано для контроля процесса отверждения пропитанной изоляции обмоток электротехнических изделий.

Известен способ контроля степени высыхания лакокрасочных материалов [1]. В соответствии с указанным способом контроль производят на специально подготовленных плоских образцах лакокрасочного материала. В соответствии с упомянутым ГОСТ 19007-73 выделяют 7 степеней высыхания.

Недостатком упомянутого способа является то, что он применим только на плоских, специально приготовленных образцах контролируемого лакокрасочного материала. В обмотках же электротехнических изделий, например в пропитанных обмотках электрических машин степень высыхания (отверждения) пропиточного лака или компаунда указанным способом определить невозможно. Между тем от степени отверждения пропиточного состава в обмотках зависят все качественные характеристики обмоток: их монолитность, механические и изоляционные свойства, теплоотвод из обмоток и их влагостойкость. Поэтому контроль степени отверждения пропиточного изоляционного состава в обмотках имеет важную практическую ценность.

Известен способ контроля степени отверждения пропиточного состава в обмотках [2].

Упомянутый способ контроля отверждения пропитанной изоляции обмоток электрических машин, при котором проводят периодическое измерение электрических параметров обмотки и по их. взаимосвязи определяют степень отверждения, при этом в качестве электрических параметров используют резонансную частоту f₁ собственно обмотки, резонансную частоту f₂ обмотки с включенной последовательно эталонной катушкой индуктивности и резонансную частоту f₃ обмотки с включенной параллельно той же эталонной катушкой, величину индуктивности которой определяют из выражения

L э = L C 2 f 1 2 C 1 f 2 2

где L - индуктивность обмотки;

C₁ - собственная емкость обмотки на частоте f₁;

f₂ - частота, выбираемая в дисперсной области не отвержденного изоляционного пропиточного состава;

C₂ - собственная емкость обмотки на частоте f₂. Степень отверждения определяют пропиточной изоляции, вычисляемого по формуле, в которой использую значения упомянутых трех частот.

Недостатком указанного способа является то, что собственная емкость обмоток, а, следовательно, и значения всех трех измеренных частот зависят не только от того, насколько высох пропиточный состав в контролируемых обмотках, но и т степени насыщенности полостей обмотки пропиточным составом, определяемой коэффициентом пропитки, а также от расположения витков в обмотке. Поэтому точность определения степени отверждения указанным способом низка.

Известен также способ контроля отверждения пропитанной изоляции, описанный в [3].

Способ-прототип заключается в измерении электрического параметра контролируемой обмотки на двух частотах, одна из которых лежит в дисперсионной области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, а другая - в оптической области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, причем в процессе контроля, через пропитанную обмотку пропускают стабилизированный ток, производят измерение напряжения на ней в момент подключения источника стабилизированного тока к обмотке и повторно, по истечении заданного времени, затем по результатам измерений определяют массу пропиточного состава в обмотке по соответствующему выражению, причем в качестве электрического параметра изоляции используют собственную емкость обмотки C_1э, измеряемую на частоте, лежащей в оптической области не отвержденного изоляционного состава, и собственную емкость той же обмотки C_2э - на частоте, лежащей в дисперсионной области не отвержденного изоляционного состава. По результатам проведенных измерений определяют коэффициент К, по которому определяют степень отверждения по выражению К = ( С 1 Э С 2 э ) d 1 V 0 m , где V_o - объем полостей непропитанной обмотки, d₁ - плотность сухого изоляционного пропиточного состава., m - масса пропиточного состава в обмотке.

Недостатком способа прототипа является его сложность, связанная с необходимостью разогрева обмотки стабилизированным источником тока, с измерением изменения напряжения на обмотке в процессе ее разогрева, с измерением времени разогрева обмотки, а также с измерением собственных емкостей контролируемых обмоток.

Технической задачей, на которую направлено изобретение, является упрощение способа.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе контроля отверждения пропитанной изоляции обмоток электротехнических изделий, заключающимся в измерении электрического параметра контролируемой обмотки на двух частотах, одна из которых f₁ лежит в дисперсионной области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, а другая частота f₂ - в оптической области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, предварительно подготавливают партию образцов пропиточного состава, с различными, отличающимися от образца к образцу, степенями высушенности, и у каждого из упомянутых образцов снимают зависимость диэлектрической проницаемости от частоты электромагнитного поля, затем после выбора двух частот измерения, одна из которых f₁ лежит в дисперсионной области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, а другая f₂ в оптической области не отвержденного изоляционного пропиточного состава, используя снятые для образцов частотные зависимости, строят график зависимости степени высушенности пропиточного состава от отношения диэлектрических проницаемостей lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) , где ε_пс(f₁) ε_пс(f₂) - диэлектрические проницаемости пропиточного состава, измеренные на частотах f₁ и f₂ электромагнитного поля соответственно, затем у каждой из контролируемых обмоток измеряют на выбранных двух частотах емкости относительно корпуса до пропитки C_дп(f₁) и C_дп(f₂) и емкости у тех же обмоток после их пропитки и сушки С_пп(f₁) и С_пп(f₂), затем по результатам измерений вычисляют отношение lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) , по формуле

lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) = ln C п п ( f 2 ) + ln [ C э к в ( f 2 ) − C д п ( f 2 ) ] − ln C д п ( f 2 ) − ln [ C э к в ( f 2 ) − C п п ( f 2 ) ] ln C п п ( f 1 ) + ln [ C э к в ( f 1 ) − C д п ( f 1 ) ] − ln C д п ( f 1 ) − ln [ C э к в ( f 1 ) − C п п ( f 1 ) ] .

где C э к в ( f 1 ) = 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) 3 [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 ) , C э к в ( f 2 ) = 2 p S ε 0 ε э ( f 2 ) ε к ( f 2 ) 3 [ d э ε к ( f 2 ) + d к ε э ( f 2 ) - эквивалентные емкости последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции контролируемой обмотки на частотах f₁ и f₂ электромагнитного поля соответственно, p - количество пазов в магнитном сердечнике, в которые всыпана контролируемая часть обмотки; S - площадь паза; ε₀=8,854187·10^-12 - электрическая постоянная; S - площадь паза; ε_э(f₁), ε_э(f₂) - диэлектрические проницаемости эмалевой пленки провода обмотки на частотах f₁ и f₂ электромагнитного поля соответственно; ε_к(f₁), ε_к(f₂) - диэлектрические проницаемости корпусной изоляции на частотах f₁ и f₂ электромагнитного поля соответственно; d_э - толщина эмалевой изоляции провода; d_к - толщина корпусной изоляции, после чего по вычисленной по результатам измерения величине lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) определяют из графика зависимости степени высушенности пропиточного состава от отношения диэлектрических проницаемостей lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) степень высушенности пропиточного состава в каждой контролируемой обмотке.

На фиг.1 представлено сечение обмотки в одном из пазов. Сечение обмотки состоит из проводов обмотки 1, покрытых слоем эмали 2, корпусной изоляции 3, поверхности паза 4, воздушных полостей между поверхностью - обмотки и корпусной изоляцией 5 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 6, магнитный сердечник (корпус) 7.

На фиг.2 изображены емкости обмотки относительно корпуса, которым является магнитный сердечник статора электрической машины, представленные в виде слоистого плоского конденсатора до пропитки (фиг.2А) и после нее (фиг.2Б). На фиг.2А и фиг.2Б введены те же обозначения, что и на фиг.1., только на фиг.2Б вместо позиций 5 и 6 введены позиции 8 и 9, так как воздушные полости обмотки 5 и 6, после пропитки и сушки частично заполняются пропиточным составом. В связи с этим позициями 8 и 9 обозначены те же полости 5 и 6, но заполненные статистически распределенными по этим полостям частицами пропиточного состава.

На фиг.3 представлены зависимости диэлектрической проницаемости образцов пропиточного состава КП-34 с различными степенями высушенности, снятые при температуре 20°C, от частоты электромагнитного поля.. На фиг.4. представлен график зависимости степени высушенности пропиточного состава от отношения диэлектрических проницаемостей ε 2 ( f 2 ) ε 1 ( f 1 ) , измеренных на выбранных частотах измерения f₂ и f₁ соответственно. Фиг.1 и фиг.2, фиг.3, фиг.4 служат для пояснения сущности изобретения.

Сущность способа заключается в следующем.

Обмотка электрической машины, размещенная в пазы магнитного сердечника представляет собой слоистую систему (см. фиг.1). Так как толщина d_э эмалевой изоляции 2 провода 1, толщина d_к корпусной изоляции 3, и суммарная толщина d_в воздушных полостей между поверхностью - обмотки и корпусной изоляцией 5 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 6 пренебрежительно малы и составляет несколько микрон, то емкость обмотки относительно корпуса можно с пренебрежительно малой погрешностью представить в виде слоистого плоского конденсатора (см. фиг.2).

Покажем, как по измерениям емкостей обмотки относительно корпуса до пропитки и после нее моно определить степень высушенности пропиточной изоляции обмотки.

В соответствии с ГОСТ 19007-73 различают семь степеней высушенности, которые определяют по прилипанию промокательной бумаги к плоскому, специально подготовленному образцу. Недостатком упомянутого способа является то, что он применим только на плоских, специально приготовленных образцах контролируемого лакокрасочного материала. В обмотках же электротехнических изделий, например в пропитанных обмотках электрических машин степень высыхания (отверждения) пропиточного лака или компаунда указанным способом определить невозможно. Поэтому для реализации контроля степени отверждения пропиточного состава в обмотках необходимо было найти взаимосвязь между степенью высушенности пропиточного состава, определяемыми по ГОСТ 19007-73, с электрическими параметрами, которые можно было бы измерять непосредственно в контролируемых обмотках. Как показали исследования таким параметром, по которому можно судить о степени высушенности пропиточного состава в обмотках является диэлектрическая проницаемость пропиточного состава.

На фиг.3. приведены зависимости диэлектрической проницаемости образцов пропиточного изоляционного состава от степени высушенности специально подготовленных по ГОСТ 19007-73 образцов пропиточного состава, от частоты электромагнитного поля, снятые при температуре 20°C. Как следует из фиг.3. частотные зависимости пропиточного состава имеют две характерные области: область А, в которой наблюдается явно выраженная зависимость диэлектрической проницаемости от частоты, и область Б, где зависимость диэлектрической проницаемости от частоты электромагнитного поля отсутствует. Область А обычно условно называется дисперсионной, а область Б - оптической. При отверждении (сушке) компаундов частотная зависимость диэлектрической проницаемости выполаживается, а затем практически исчезает. Если выбрать две частоты измерения диэлектрической проницаемости пропиточного состава, одна из которых f₁ лежит в дисперсионной области, а другая частота f₂ - в оптической области, то используя зависимости, приведенные на фиг.3., можно представить график зависимости степени высушенности пропиточного состава от отношения диэлектрических проницаемостей lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) , измеренных на выбранных частотах измерения f₂ и f₁ соответственно (см. фиг.4). При этом, если каким-то образом измерить lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) , в контролируемой обмотке, то можно, используя график, представленный на фиг.4. определить степень высушенности пропиточной изоляции в упомянутой контролируемой обмотке.

Рассмотрим, как найти отношение lg ε п с ( f 2 ) lg ε п с ( f 1 ) , в контролируемой обмотке.

Если до пропитки измерить емкость C_дп(f₁) обмотки относительно магнитного сердечника на частоте f₁, в соответствии с фиг.2, в эту емкость можно представит в виде суммы трех емкостей, соединенных последовательно

1 C д п ( f 1 ) = 1 C э ( f 1 ) + 1 C к ( f 1 ) + 1 C в ,                       ( 1 )

где C_э(f₁) - емкость слоя эмальизоляции на частоте f₁; C_к (f₁) - емкость слоя корпусной изоляции на частоте f₁; C_в(f₁) - суммарные емкости воздушных слоев 5 и 6 (фиг.2А). В общем случае, диэлектрическая проницаемость эмали и диэлектрическая проницаемость корпусной изоляции может иметь зависимость от частоты. Поэтому обозначим диэлектрические проницаемости эмали и корпусной изоляции на частоте f₁ соответственно ε_э(f₁) и ε_к(f₁).

С учетом введенных обозначений для плоского конденсатора можно записать

C э ( f 1 ) = 2 3 p × ε 0 ε э ( f 1 ) S d э                                       ( 2 ) ,

C к ( f 1 ) = 2 3 p × ε 0 ε ( f 1 ) к S d к                                       ( 3 ) ,

C в = 2 3 p × ε 0 ε э S d в 12                                                ( 4 ) ,

где p - количество пазов в магнитном сердечнике статора; 2 3 p - количество пазов в магнитном сердечнике статора, в которые всыпана контролируемая обмотка ε_в - диэлектрические проницаемость воздуха, ε₀=8,854187817·10^-12 электрическая постоянная; C_в - суммарная емкость воздушных слоев 5 и 6 (фиг.2). Подставив выражения (2), (3), (4), в формулу (1), и учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха ε_в=1, можно записать

1 C д п ( f 1 ) = 3 d э 2 p ε э ( f 1 ) ε 0 S + 3 d к 2 p ε 0 ε к ( f 1 ) S + 3 d в 2 p ε 0 S ,                           ( 5 )

Из выражения (5) следует

d в = 2 3 p S ε 0 [ 1 C д п ( f 1 ) − 3 d э 2 p ε 0 ε э ( f 1 ) S − 3 d к 2 p ε 0 ε к ( f 1 ) S ] = 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) − 3 C д п [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 ) ] 3 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) С д п ( f 1 ) ,                               ( 6 )

После пропитки и сушки обмоток объемы полостей 5 и 6 частично заполняются пропиточным составом, имеющим измеренную на частоте f₁ диэлектрическую проницаемость ε_п (f₁) (см. фиг.2Б). Так как пропиточный состав не полностью заполняет объемы полостей 8 и 9, а статистически распределен по этим полостям, то в упомянутых полостях образуется бинарная статистическая смесь, состоящую из частиц пропиточного состава и частиц воздуха, с диэлектрической проницаемостью ε*(f₁). Диэлектрическая проницаемость бинарной смеси ε*(f₁) подчиняется распределению Лихтенеккера-Ротера [3], в соответствии с которым можно записать

ln ε * ( f 1 ) = V п с V 0 ln ε п ( f 1 ) + V 0 − V п с V 0 ln ε в                                       ( 7 ) ,

где V₀ - объем полостей 5 и 6 в обмотке (фиг.2 A) V_пс - объем, который занимают частицы пропиточного состава в слоях 8 и 9; V_O-V_пс - объем воздуха в слоях 8 и 9; ε*(f₁) - диэлектрическая проницаемость статистической смеси в слоях 8 и 9.

Учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха ε_в=1, выражение, a lnε_в=0, выражение (7) можно записать в виде

ln ε * ( f 1 ) = V п с V 0 ln ε п ( f 1 ) = К п р ln ε п ( f 1 )                                               ( 8 ) .

В выражении (8) отношение V п с V 0 есть не что иное, как коэффициент пропитки К_пр объемов полостей 8 и 9, характеризующий степень заполнения объема полостей V₀ пропиточным составом.

Если после пропитки и сушки измерить на частоте f₁ емкость у той же контролируемой обмотки относительно корпуса C_пп(f₁) и учесть, что пропиточный состав, диэлектрическая проницаемость которого ε_п(f₁) статистически распределился по объемам полостей 8 и 9 (фиг.2Б), то емкость С_пс(f₁) слоев 8 и 9 можно представить выражением

C п с ( f 1 ) = 2 3 p × ε 0 ε * ( f 1 ) S d в                                         ( 9 ) ,

Подставив в уравнение (5) вместо C_в, величину C_пс(f₁) можно записать выражение для емкости обмотки относительно корпуса после пропитки и сушки С_пп(f₁) в виде

1 C п п = 3 d э 2 p ε 0 ε э ( f 1 ) S + 3 d к 2 p ε 0 ε к ( f 1 ) S + 3 d в 2 p ε 0 ε * ( f 1 ) S ,                           ( 10 )

Из соотношения (10) найдем выражение для величины зазора зазоры d_в

d в = ε * ( f 1 ) [ 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) − 3 С п п ( f 1 ) [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 ) ] 3 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) С п п ( f 1 ) ]               ( 11 ) .

Так как после пропитки и сушки зазоры 8 и 9 (фиг.2Б) в контролируемой обмотке не изменились, и остались равны зазором 5 и 6 (фиг.2А) в непропитанной обмотке, то можно приравнять правую часть выражения (6), к правой части выражения (11), получим

ε * ( f 1 ) [ 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) − 3 С п п ( f 1 ) [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 ) ] 3 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) С п п ( f 1 ) ] = = 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) − 3 С д п [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 ) ] 3 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) С д п ( f 1 )                        ( 12 ) ,

Из соотношения (12), ε*(f₁) и, преобразовав полученное выражение, запишем

ε * ( f 1 ) = С п п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С д п ( f 1 ) ] С д п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С п п ( f 1 ) ]                                              ( 13 ) ,

где С э к в = 2 p S ε 0 ε э ( f 1 ) ε к ( f 1 ) 3 [ d э ε к ( f 1 ) + d к ε э ( f 1 )         ( 14 ) - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции на частоте f₁.

Выразим из соотношения (8) коэффициент пропитки К_пр, получим

К п р = ln ε * ( f 1 ) ln ε * ( f 1 )                                     ( 15 ) ,

Подставив в выражение (15) значение ε*(f₁) из соотношения (13) получим

К п р = 1 ln ε п с ( f 1 ) × ln C п п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С д п ( f 1 ) ] С д п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С п п ( f 1 ) ]                               ( 16 ) .

Произведя аналогичные преобразования для емкостей контролируемой обмотки на частоте электромагнитного поля f₂ можно показать, что

К п р = 1 ln ε п с ( f 2 ) × ln C п п ( f 2 ) [ С э к в ( f 2 ) − С д п ( f 2 ) ] С д п ( f 2 ) [ С э к в ( f 2 ) − С п п ( f 2 ) ]                               ( 17 )

Так как значение коэффициента пропитки должно оставаться неизменным, независимо от того на какой частоте измерения производились измерения соответствующих параметров обмотки, то можно приравнять правые и левые части выражений (16) и (17), получим

1 ln ε п с ( f 1 ) × ln C п п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С д п ( f 1 ) ] С д п ( f 1 ) [ С э к в ( f 1 ) − С п п ( f 1 ) ] = 1 ln ε п с ( f 2 ) × ln C п п ( f 2 ) [ С э к в ( f 2 ) − С д п