2.1.4. Старение изоляции под действием механических нагрузок

Одними из важнейших факторов износа и старения изоляции являются механические итермомеханическиенагрузки.

К первым относятся статическое давление на изоляцию, изгибающие и скручивающие усилия, удары и вибрация.

Термомеханическими называют нагрузки, возникающие в результате периодических нагревов и охлаждения обмотки.

Источники механических воздействий: электродинамические силы, неуравновешенность вращающихся частей, центробежные усилия, толчки и удары, передаваемые со стороны приводов или механизмов.

В большинстве случаев перечисленные усилия имеют циклический, знакопеременный характер, причём наиболее типичной является вибрация с частотой 100 Гц. Периодически при переходных процессах (пуске, реверсе, коротком замыкании и т. п.) амплитуды вибраций увеличиваются в десятки раз вследствие увеличения тока в обмотках и квадратичной зависимости электродинамических усилий от тока. Особо заметные усилия могут возникать в обмотках крупных машин турбо- и гидрогенераторов.

Механические характеристики изоляции зависят от температуры. По мере нагревания предел прочности изоляции быстро снижается, причём одновременно изоляция становится более эластичной. Например, предел прочности микалентной компаундированной изоляции при растяжении составляет 3340 Н/см²при 20 ºС и лишь 344 Н/см²при 100 ºС. Значения эти могут колебаться очень существенно в зависимости от особенностей технологии, величины наработки и пр.

Современные сорта изоляции обладают значительной устойчивостью по отношению к статическим нагрузкам. Однако опыт показывает, что даже при сравнительно небольших деформациях имеет место существенное снижение пробивного напряжения, происходящее примерно по линейному закону. Для каждой температуры существует определённый предел деформации, за которым снятие нагрузки не приводит к восстановлению первоначальных диэлектрических свойств. Это свидетельствует о том, что значительные деформации сопровождаются появлением необратимых структурных изменений в виде трещин, разрывов, расслоения и т. п., а также перераспределению связующего.

Хотя в среднем статические нагрузки изоляционных материалов в электрических машинах обычно невелики, в отдельных точках могут иметь место значительные концентрации механических напряжений, отражающихся на скорости старения изоляции.

Более существенное влияние на процесс разрушения изоляции электрических машин оказывают циклические знакопеременные нагрузки, возникающие под действием вибраций различного происхождения. В нормальном режиме работы вибрация обычно незначительна по амплитуде, но число циклов за время службы машины может достигать порядка 10¹⁰.

При этом новая изоляция (прочная и эластичная) мало подвержена вибрационному старению, особенно при повышенных температурах, когда пропиточный компаунд обладает высокой пластичностью. По мере её старения разрушение изоляции под действием вибрации быстро прогрессирует. Этому способствует постепенное ослабление крепления обмотки как в пазах, так и в лобовых частях.

Воспроизведение в лабораторных условиях вибрационного старения изоляции сопряжено со значительными затратами времени и техническими трудностями. Поэтому такие испытания позволяют дать только косвенную оценку этого явления, в частности:

– вибрация представляет собой медленно действующий фактор, её последствия обнаруживаются лишь через значительное число циклов;

– в изоляции, подвергнутой искусственному старению, под воздействием вибрации наблюдаются дефекты, близкие по своему характеру к изменениям в изоляции со значительной наработкой;

– вибрационное старение вызывает наиболее резкое ухудшение состояния изоляции в местах выхода стержней или катушек из пазов; предполагается, что структурные изменения, вполне аналогичные наблюдаемым, после ускоренных испытаний, имеют место при переходных процессах, когда амплитуды вибраций достигают значительных величин;

– действие вибрации на всыпные обмотки выражается в постепенном разрушении пропиточного лака, в результате чего нарушается цементация обмотки и отдельные проводники приобретают некоторую свободу перемещения. Это ведёт к разрушению витковой изоляции в точках соприкосновения проводников.

Из опыта следует, что вибрация сокращает срок службы изоляции в несколько раз.

Старение изоляции низковольтных машин, работающих при умеренных температурах обмоток, вообще, не может быть объяснимо с помощью тепловых или электрических явлений. В этом случае наиболее вероятными причинами, вызывающими постепенное разрушение изоляции, являются механические нагрузки и химическое воздействие окружающей среды.

Определённую роль в процессах разрушения изоляции играют термомеханические явления, связанные с различием коэффициентов теплового расширения изоляции и проводников. Это приводит к образованию трещин, разбуханию изоляции, её расслоению и взаимному смещению отдельных слоёв.