Изоляция обмоток электродвигателей

По функциональному назначению изоляция бывает межвитковой, корпусной, межфазной, межслойной, пазовой, лобовой, изоляцией соединений и выводов, бандажной и пропиточной.

Межвитковая изоляция отделяет соседние витки одной катушки — в низковольтных обмотках её часто формирует сама эмаль провода, в высоковольтных дополнительно применяют слюдяные или стеклослюдяные ленты. Межвитковое замыкание особенно опасно, поскольку в замкнутых витках возникают значительные циркуляционные токи, а общее сопротивление изоляции относительно корпуса при этом может оставаться высоким.

Пазовая изоляция отделяет обмотку от листов сердечника и должна выдерживать рабочее напряжение, давление от обмотки, удары при укладке и воздействие острых краёв сердечника. Корпусная (главная) изоляция отделяет токопроводящие части от заземлённого сердечника и корпуса — особенно важна в высоковольтных машинах и генераторах. Межфазная изоляция разделяет обмотки разных фаз, поскольку напряжение между фазами может быть значительно выше напряжения между соседними витками одной катушки.

Изоляция одновременно выполняет несколько функций: электрическое разделение между витками, секциями, фазами и корпусом; механическую фиксацию проводников при электродинамических силах во время пуска или короткого замыкания; теплопередачу от меди к сердечнику и охлаждающей среде; защиту от влаги, пыли, масла и химических веществ; а в высоковольтных машинах — ограничение частичных разрядов.

Класс нагревостойкости показывает температурный уровень, для которого электроизоляционный материал или система имеют подтверждённую тепловую выносливость — это не температура плавления и не температура мгновенного разрушения, а категория, установленная по результатам тепловой оценки.

Чаще всего в современных промышленных электродвигателях применяют классы F (155 °C) и H (180 °C). Разница между ними составляет 25 °C по температурному классу, но она касается не одного материала, а всей подтверждённой системы изоляции.

Предположим, при ремонте применён обмоточный провод класса 200, пазовая изоляция класса H, выводной кабель класса F и пропиточный лак класса B. Такая обмотка не становится автоматически системой класса H — самое слабое звено ограничивает допустимую температуру, электрическую и механическую прочность и ресурс всей системы. Кроме того, два материала могут по отдельности иметь высокую нагревостойкость, но быть несовместимыми друг с другом: смола может плохо смачивать плёнку, вызывать размягчение другого материала или образовывать трещины при тепловых циклах из-за разного коэффициента расширения.

Полиимидные материалы часто имеют высокую теплостойкость, но класс всей обмотки всё равно определяется полной системой — более слабым элементом могут быть лак, клей, выводной кабель или бандаж. Так же название «эпоксидная смола» само по себе не определяет класс нагревостойкости — он зависит от химического состава, отвердителя и режима полимеризации.

Класс изоляции — это характеристика тепловой выносливости системы, а не постоянная рабочая температура двигателя. Фактическая температура обмотки зависит от температуры окружающей среды (расчётной обычно является температура до 40 °C), нагрузки, способа охлаждения и режима работы. Нужно различать температуру среды, среднее превышение температуры обмотки, запас на локальную горячую точку и предельный уровень системы.

Распространённое решение — «изоляция класса F с превышением температуры класса B»: изоляционная система имеет класс F, но допустимое повышение температуры ограничено более низким уровнем, оставляя запас между фактической температурой и потенциалом изоляции. Такой запас замедляет тепловое старение, увеличивает ресурс и лучше компенсирует загрязнение вентиляции или повышенную температуру воздуха.

Класс F — самый распространённый для современных промышленных двигателей переменного тока: широкая доступность материалов, отработанные технологии ремонта и хорошее соотношение стоимости и ресурса. Класс H применяют в машинах с повышенными требованиями — тяговых и крановых двигателях, машинах с частыми пусками, компактных и герметичных конструкциях, — где нужен больший температурный запас.

Класс H не всегда лучше класса F: он дороже, имеет более сложную технологию пропитки и не всегда совместим по материалам, а повышенная температура двигателя всё равно негативно влияет на подшипники, смазку и уплотнения. Переход на класс H технически возможен, но должен быть системным — нужно проверить класс эмали, пазовой и межфазной изоляции, пропиточного состава, выводных проводов и бандажей, а не просто заменить один материал и написать в паспорте «класс H».

Термопластичная изоляция при нагревании размягчается, а после охлаждения снова твердеет — этот процесс может повторяться, хотя каждый цикл сопровождается старением. Примеры: полиэтилен, полиэфирные плёнки, поливинилхлорид. Преимущества — гибкость и удобство формования; недостатки — размягчение при нагревании, ползучесть под механической нагрузкой и чувствительность к растворителям.

Термореактивная изоляция при отверждении проходит необратимую химическую реакцию и образует пространственную сшитую структуру, которая при повторном нагревании уже не плавится, а при чрезмерном нагревании разрушается или обугливается. Примеры: эпоксидные, полиэфирные, силиконовые и полиимидные смолы. Преимущества — высокая механическая жёсткость, стабильность формы, меньшая ползучесть и надёжное скрепление обмотки; недостатки — необратимость, риск хрупкости и более сложная разборка при ремонте.

В современном электродвигателе редко применяется исключительно один тип — типично сочетаются термопластичная плёночная пазовая изоляция, эмаль провода, термореактивная пропиточная смола, термореактивный стеклобандаж и эпоксидный компаунд на соединениях.

VPI — типовой процесс включает предварительную сушку, создание вакуума для удаления воздуха и влаги, подачу пропиточной смолы, выдержку под вакуумом, создание избыточного давления для заполнения пор и финальную полимеризацию в печи. Для VPI обычно применяют термореактивные системы.

Частотный преобразователь создаёт импульсное напряжение с высокой скоростью нарастания, которое увеличивает нагрузку на первые витки обмотки, межвитковую и межфазную изоляцию и выводные кабели. Поэтому при ремонте нужно учитывать импульсостойкий обмоточный провод, усиленную межфазную изоляцию, длину кабеля между преобразователем и двигателем и качество заземления.

Тепловой класс и стойкость к частичным разрядам — разные характеристики: материал может выдерживать 180 °C, но иметь недостаточную стойкость к коронным разрядам или быстро разрушаться от импульсных перенапряжений. Поэтому для высоковольтных и инверторных машин нужна отдельная оценка электрической стойкости, а не только более высокий тепловой класс.

Температура ускоряет окисление, испарение компонентов и растрескивание. Влага снижает сопротивление изоляции и повышает диэлектрические потери. Вибрация вызывает истирание и движение проводников в пазах. Частичные разряды постепенно разрушают слюдяной барьер и поверхностные покрытия, а химическая среда — кислоты, масло, растворители — ускоряет деградацию материала.

После ремонта выполняют измерение сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции и индекса поляризации, испытание повышенным напряжением, межвитковое импульсное испытание и при необходимости контроль частичных разрядов и тангенса угла диэлектрических потерь. Мегомметр преимущественно оценивает изоляцию относительно корпуса — при этом могут оставаться межвитковые замыкания, слабые соединения или полости, поэтому высокое сопротивление изоляции не гарантирует полную исправность обмотки.

• определять класс изоляции по одному компоненту — класс оценивают для полной системы;
• считать 155 или 180 °C нормальной постоянной рабочей температурой любого двигателя;
• заменять класс F на H без проверки совместимости всех компонентов;
• использовать класс H вместо ремонта вентиляции — перегрев нужно устранять по первопричине;
• путать VPI с температурным классом или эпоксидную смолу с классом H;
• оценивать изоляцию только мегомметром без межвитковой диагностики;
• нарушать режим сушки и полимеризации — недосушивание и перегрев одинаково опасны;
• бесконтрольно увеличивать толщину изоляции — это ухудшает заполнение паза и теплопередачу.

• Как изготавливают катушки статора?
• Стеклотекстолит в изготовлении и ремонте электродвигателейСкоро
• Как измерить сопротивление изоляции?
• Почему возникает межвитковое замыкание?
• Как перематывают статор электродвигателя?
• Высоковольтное испытание электродвигателя

ТОВ ВКФ «Электропромремонт» подбирает и применяет изоляционные системы классов F и H при ремонте и перемотке промышленных электродвигателей и генераторов.

В перечень работ входят:

• подбор совместимой изоляционной системы под класс и условия эксплуатации машины;
• нанесение витковой, корпусной, межфазной и бандажной изоляции;
• вакуумную и вакуум-нагнетательную (VPI) пропитку;
• адаптацию изоляции для работы от частотного преобразователя;
• измерение сопротивления изоляции, индекса поляризации и импульсные испытания;
• контроль частичных разрядов и тепловые испытания;
• оформление протоколов испытаний.