Ізоляція обмоток електродвигунів

За функціональним призначенням ізоляція буває міжвитковою, корпусною, міжфазною, міжшаровою, пазовою, лобовою, ізоляцією з’єднань і виводів, бандажною та просочувальною.

Міжвиткова ізоляція відокремлює сусідні витки однієї котушки — у низьковольтних обмотках її часто формує сама емаль проводу, у високовольтних додатково застосовують слюдяні чи склослюдяні стрічки. Міжвиткове замикання особливо небезпечне, оскільки в замкнених витках виникають значні циркулюючі струми, а загальний опір ізоляції відносно корпуса при цьому може залишатися високим.

Пазова ізоляція відокремлює обмотку від листів сердечника й повинна витримувати робочу напругу, тиск від обмотки, удари при укладанні та вплив гострих країв сердечника. Корпусна (головна) ізоляція відокремлює струмопровідні частини від заземленого сердечника й корпуса — особливо важлива у високовольтних машинах і генераторах. Міжфазна ізоляція розділяє обмотки різних фаз, оскільки напруга між фазами може бути значно вищою за напругу між сусідніми витками однієї котушки.

Ізоляція одночасно виконує кілька функцій: електричне розділення між витками, секціями, фазами й корпусом; механічну фіксацію провідників при електродинамічних силах під час пуску чи короткого замикання; теплопередавання від міді до сердечника й охолоджувального середовища; захист від вологи, пилу, мастила та хімічних речовин; а у високовольтних машинах — обмеження часткових розрядів.

Клас нагрівостійкості показує температурний рівень, для якого електроізоляційний матеріал чи система мають підтверджену теплову витривалість — це не температура плавлення й не температура миттєвого руйнування, а категорія, встановлена за результатами теплової оцінки.

Найчастіше в сучасних промислових електродвигунах застосовують класи F (155 °C) і H (180 °C). Різниця між ними становить 25 °C за температурним класом, але вона стосується не лише одного матеріалу, а всієї підтвердженої системи ізоляції.

Припустимо, під час ремонту застосовано обмотувальний провід класу 200, пазову ізоляцію класу H, вивідний кабель класу F і просочувальний лак класу B. Така обмотка не стає автоматично системою класу H — найслабша ланка обмежує допустиму температуру, електричну й механічну міцність та ресурс усієї системи. Крім того, два матеріали можуть окремо мати високу нагрівостійкість, але бути несумісними між собою: смола може погано змочувати плівку, викликати розм’якшення іншого матеріалу чи утворювати тріщини при теплових циклах через різний коефіцієнт розширення.

Поліімідні матеріали часто мають високу теплостійкість, але клас усієї обмотки все одно визначається повною системою — слабшим елементом можуть бути лак, клей, вивідний кабель чи бандаж. Так само назва «епоксидна смола» сама по собі не визначає клас нагрівостійкості — він залежить від хімічного складу, затверджувача й режиму полімеризації.

Клас ізоляції — це характеристика теплової витривалості системи, а не постійна робоча температура двигуна. Фактична температура обмотки залежить від температури навколишнього середовища (розрахунковою зазвичай є температура до 40 °C), навантаження, способу охолодження та режиму роботи. Потрібно розрізняти температуру середовища, середнє перевищення температури обмотки, запас на локальну гарячу точку та граничний рівень системи.

Поширене рішення — «ізоляція класу F із перевищенням температури класу B»: ізоляційна система має клас F, але допустиме підвищення температури обмежене нижчим рівнем, залишаючи запас між фактичною температурою та потенціалом ізоляції. Такий запас уповільнює теплове старіння, збільшує ресурс і краще компенсує забруднення вентиляції чи підвищену температуру повітря.

Клас F — найпоширеніший для сучасних промислових двигунів змінного струму: широка доступність матеріалів, відпрацьовані технології ремонту та хороше співвідношення вартості й ресурсу. Клас H застосовують у машинах із підвищеними вимогами — тягових і кранових двигунах, машинах із частими пусками, компактних і герметичних конструкціях, — де потрібен більший температурний запас.

Клас H не завжди кращий за клас F: він дорожчий, має складнішу технологію просочення й не завжди сумісний за матеріалами, а підвищена температура двигуна все одно негативно впливає на підшипники, мастило й ущільнення. Перехід на клас H технічно можливий, але повинен бути системним — потрібно перевірити клас емалі, пазової й міжфазної ізоляції, просочувального складу, вивідних проводів і бандажів, а не лише замінити один матеріал і написати в паспорті «клас H».

Термопластична ізоляція під час нагрівання розм’якшується, а після охолодження знову твердіє — цей процес може повторюватися, хоча кожен цикл супроводжується старінням. Приклади: поліетилен, поліестерні плівки, полівінілхлорид. Переваги — гнучкість і зручність формування; недоліки — розм’якшення при нагріванні, повзучість під механічним навантаженням і чутливість до розчинників.

Термореактивна ізоляція під час затвердіння проходить незворотну хімічну реакцію й утворює просторову зшиту структуру, яка при повторному нагріванні вже не плавиться, а при надмірному нагріванні руйнується чи обвуглюється. Приклади: епоксидні, поліефірні, силіконові та поліімідні смоли. Переваги — висока механічна жорсткість, стабільність форми, менша повзучість і надійне скріплення обмотки; недоліки — незворотність, ризик крихкості та складніше розбирання під час ремонту.

У сучасному електродвигуні рідко застосовується виключно один тип — типово поєднуються термопластична плівкова пазова ізоляція, емаль проводу, термореактивна просочувальна смола, термореактивний склобандаж та епоксидний компаунд на з’єднаннях.

VPI — типовий процес включає попереднє сушіння, створення вакууму для видалення повітря й вологи, подавання просочувальної смоли, витримку під вакуумом, створення надлишкового тиску для заповнення пор і фінальну полімеризацію в печі. Для VPI зазвичай застосовують термореактивні системи.

Частотний перетворювач створює імпульсну напругу з високою швидкістю наростання, яка збільшує навантаження на перші витки обмотки, міжвиткову й міжфазну ізоляцію та вивідні кабелі. Тому при ремонті потрібно враховувати імпульсостійкий обмотувальний провід, посилену міжфазну ізоляцію, довжину кабелю між перетворювачем і двигуном та якість заземлення.

Тепловий клас і стійкість до часткових розрядів — різні характеристики: матеріал може витримувати 180 °C, але мати недостатню стійкість до коронних розрядів чи швидко руйнуватися від імпульсних перенапруг. Тому для високовольтних та інверторних машин потрібна окрема оцінка електричної стійкості, а не лише вищий тепловий клас.

Температура прискорює окиснення, випаровування компонентів та розтріскування. Волога знижує опір ізоляції та підвищує діелектричні втрати. Вібрація спричиняє стирання й рух провідників у пазах. Часткові розряди поступово руйнують слюдяний бар’єр і поверхневі покриття, а хімічне середовище — кислоти, мастило, розчинники — прискорює деградацію матеріалу.

Після ремонту виконують вимірювання опору ізоляції, коефіцієнта абсорбції та індексу поляризації, випробування підвищеною напругою, міжвиткове імпульсне випробування та за потреби контроль часткових розрядів і тангенса кута діелектричних втрат. Мегомметр переважно оцінює ізоляцію відносно корпуса — при цьому можуть залишатися міжвиткові замикання, слабкі з’єднання чи порожнини, тому високий опір ізоляції не гарантує повну справність обмотки.

• визначати клас ізоляції за одним компонентом — клас оцінюють для повної системи;
• вважати 155 чи 180 °C нормальною постійною робочою температурою будь-якого двигуна;
• замінювати клас F на H без перевірки сумісності всіх компонентів;
• використовувати клас H замість ремонту вентиляції — перегрів потрібно усувати за першопричиною;
• плутати VPI з температурним класом чи епоксидну смолу з класом H;
• оцінювати ізоляцію лише мегомметром без міжвиткової діагностики;
• порушувати режим сушіння й полімеризації — недосушування і перегрівання однаково небезпечні;
• безконтрольно збільшувати товщину ізоляції — це погіршує заповнення паза й теплопередавання.

• Як виготовляють котушки статора?
• Склотекстоліт у виготовленні та ремонті електродвигунівНезабаром
• Як виміряти опір ізоляції?
• Чому виникає міжвиткове замикання?
• Як перемотують статор електродвигуна?
• Високовольтне випробування електродвигуна

ТОВ ВКФ «Електропромремонт» підбирає та застосовує ізоляційні системи класів F і H при ремонті й перемотуванні промислових електродвигунів і генераторів.

До переліку робіт входять:

• підбір сумісної ізоляційної системи під клас і умови експлуатації машини;
• нанесення виткової, корпусної, міжфазної та бандажної ізоляції;
• вакуумне та вакуум-тискове (VPI) просочення;
• адаптацію ізоляції для роботи від частотного перетворювача;
• вимірювання опору ізоляції, індексу поляризації та імпульсні випробування;
• контроль часткових розрядів і теплові випробування;
• оформлення протоколів випробувань.