6.2.13. ИЗОЛЯЦИЯ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

6.2.13. ИЗОЛЯЦИЯ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Надежность и долговечность электрических машин обусловлена главным образом их техническими показателями и качеством электроизоляционных материалов. Наибольший вклад в разработку и внедрение новых изоляционных материалов, конструкций на их основе и технологических процессов, обеспечивающих в значительной мере прогресс в электромашиностроении, внесли специалисты завода «Электросила» и отделение изоляции ВЭИ (впоследствии Всесоюзный научно-исследовательский институт электроизоляционных материалов — ВНИИЭИМ, г. Москва).

В 30–40-х годах завод «Электросила», изготавливая все более мощные высоковольтные турбо- и гидрогенераторы и двигатели, успешно преодолел барьеры высокого напряжения 6–13, 8–15, 15–20 кВ, используя наиболее передовые в то время конструкцию и технологический процесс нанесения непрерывной слюдяной изоляции, пропитанной битумным связующим, вакуум-нагнетательным способом. Основными разработчиками этой системы изоляции были в предвоенные годы — Г.И. Сканави, а в послевоенные — П.Н. Куракин и В.Н. Королев.

Следующий качественный скачок в развитии высоковольтной изоляции на заводе «Электросила» произошел в 60-е годы, когда создание отечественной термореактивной изоляции на основе пропитанных лент «слюдотерм» резко повысило надежность изоляции. Это явилось результатом совместных усилий химиков — разработчиков связующего (Р.В. Молотков), создателей слюдяных бумаг (Ю.В. Корицкий, Н.В. Александров) и технологов (И.Т. Сушкова). Выдающуюся роль в организации и координации этой работы на заводе «Электросила» сыграл В.Н. Королев.

Одновременно подобная система изоляции создавалась с помощью ВНИИЭИМ на харьковском заводе «Электротяжмаш» (А.В. Хвальков-ский, Р.С. Холодовская, В.Б. Бунер). В эти же годы термореактивная изоляция с использованием принципа вакуум-нагнетательной пропитки сухих лент («монолит») была разработана во ВНИИЭИМ (Н.В. Александров, С.Г. Трубачев, В.Г. Огоньков) и успешно внедрена на крупнейших электромашиностроительных заводах: «Уралэлектротяжмаш», «Сибэлектротяжмаш», Лысьвенский турбогенераторный завод.

В 1968 г. на первых гидрогенераторах с термореактивной изоляцией было обнаружено явление электроэрозионного повреждения изоляции (пазовый разряд), характерное для твердой термореактивной изоляции в сочетании с традиционной конструкцией пазового крепления. За короткий срок (2–3 года) пазовый разряд приводил к полному разрушению изоляции. Исследования, проведенные на моделях и реальных генераторах, позволили создать систему упругого пазового уплотнения обмотки. Эта конструкция, применяемая с 1970 г. на всех высоковольтных машинах, выпускаемых заводом «Электросила», позволила полностью исключить это явление и избежать серьезных проблем, которые позднее возникли у ряда ведущих фирм за рубежом. В это же время были созданы материалы для принципиально новой системы крепления лобовых частей обмотки.

В 1970–1979 гг. на заводе «Электросила» Б.Д. Ваксером, З.М. Гуревичем, Т.Ю. Баженовой, Ю.Л. Пресновым были выполнены фундаментальные исследования долговечности и надежности термореактивной изоляции на лабораторных установках: 1) испытания на электрическое старение, механические воздействия и вибрацию; 2) функциональные испытания, совмещающие воздействие электрического поля и термомеханические напряжения; 3) исследования систем пазового крепления.

Результаты этих исследований позволили значительно снизить толщину изоляции статорных обмоток, что чрезвычайно важно для улучшения технико-экономических показателей Турбо- и гидрогенераторов. При этом повысились качество и надежность машин в эксплуатации, была обеспечена стабильность изоляции в производстве путем внедрения новых чувствительных методов контроля, использующих ионизационные явления.

В середине 70-х годов потребовалось повышение напряжения турбогенераторов мощностью 800–1200 МВт до 24 кВ и исключение коронирования обмотки. Для этого на заводе «Электросила» было создано эффективное и надежное короногасящее покрытие на основе эмали с наполнителями, имеющими нелинейные вольт-амперные характеристики. Разработанные модификации конструкции такого покрытия и методы контроля эмали, обеспечивающие его стабильность, а также простоту производства, позволили использовать его во всем существующем диапазоне классов напряжений высоковольтных электрических машин.

С конца 70-х годов начались работы по совершенствованию термореактивной изоляции «слюдотерм». Она основывалась на изготовлении катушек, пропитываемых и запекаемых до укладки обмотки в электрическую машину. Ее преимущество состояло в том, что эта конструкция и технология не ограничивали габариты электрических машин, обеспечивали ремонтопригодность обмоток, т.е. замену секций, стержней, катушек в случае пробоя, после длительного срока эксплуатации и т.п. Такая изоляция была применена в машинах с диаметром сердечника статора более 1–1,5 м. По существу, было создано новое поколение изоляции. Изменение состава связующего позволило при сохранении и некотором упрощении технологии повысить плотность слюдяного барьера в изоляции, существенно улучшить ее механические и электрические характеристики. Проведенные всесторонние испытания, в том числе с использованием пазовой модели, показали, что модернизация термореактивной изоляции позволяет снизить толщину изоляции на 25–40% при сохранении ее надежности и долговечности. Это обеспечило возможность создания современных мощных турбогенераторов с воздушным охлаждением, а также конкурентоспособных гидрогенераторов. Эти работы по изоляции были выполнены на заводе «Электросила» под руководством Ю.Л. Преснова (до 1979 г.), а затем В.В. Петрова.

Для электрических машин с диаметром сердечника статора до 1–1,5 м была применена система изоляции «монолит», при которой статор с уложенными сухими обмотками проходил вакуумно-нагнетательную пропитку в специальном котле, а в дальнейшем термообработку в печах. Система «монолит» позволила повысить электрическую и механическую прочность изоляции при одновременном снижении ее толщины и повышении класса нагревостойкости с В на F. Срок жизни новой изоляции был определен до 35 лет. Все это позволило улучшить использование активных материалов, повысить электромагнитные нагрузки. В результате появилась техническая возможность существенно (на 25–40%) снизить массу электрических машин, повысить коэффициент полезного действия по сравнению с машинами с прежними видами изоляции. Значительный объем исследований и разработок по внедрению в конструкцию машин системы изоляции «монолит» был проведен на заводе «Сибэлектротяжмаш» под руководством A.M. Евлантьева и В.Г. Сякова. Технологию изготовления высоковольтных электрических машин с этой изоляцией освоил также Лысьвенский турбогенераторный завод и позднее Баранчинский электромеханический завод.

В настоящее время практически все высоковольтные электрические машины выпускаются с термореактивной изоляцией, что обеспечивает высокий уровень надежности обмоток.

В заключение необходимо рассмотреть вопросы изоляции низковольтных электрических машин. До 1965 г. на заводе «Электросила» для низковольтных электрических машин переменного тока напряжением до 1200 В применялись две системы изоляции: 1) микалентная битумно-масляная для рабочих температур до 130 °С; 2) стекломикалентная на основе кремнийорганических связующих для рабочих температур до 180 °С. Последняя была создана на основе работ К.А. Андрианова по химии кремнийорганических материалов. Начиная с 1965 г., под руководством Е.П. Богдановой была разработана система изоляции на основе слюдопластовой бумаги производства Ленинградской слюдяной фабрики и эпоксидно-фенольных связующих класса нагревостойкости F.

С 1969 г. проводились разработки и внедрение полиимидной пленки и композиций на ее основе. Переход на пленочные материалы позволил снизить толщину изоляции примерно на 40%, соответственно повысились технические параметры электрической машины (коэффициент заполнения паза, удельная мощность). По техническим заданиям специалистов завода «Электросила» сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности (ВНИИКП, г. Москва) был разработан провод с полиимидно-фторопластовой изоляцией с двусторонней толщиной 0,16 мм (выпускает завод «Москабель»). Уже в сериях машин постоянного тока П и 2П якорная обмотка выполнялась с использованием пленочных материалов.

Создание современной низковольтной изоляции проходило под руководством и при непосредственном участии Ю.Л. Преснова, В.В. Петрова и И.Т. Сушковой.