Электроизоляционные материалы и обмоточные провода

Все электроизоляционные материалы (ЭИМ), используемые в электрических машинах, можно разделить на три группы; обмоточные провода, пропиточные составы и композиционные материалы для витковой и корпусной изоляции.

Обмоточные провода

Обмоточные провода разделяются на три группы: с эмалевой изоляцией; с волокнистой или комбинированной эмалево-волокнистой изоляцией; с пленочной изоляцией.

Эмалированные провода Наиболее распространенной группой обмоточных проводов являются эмалированные провода, которые имеют более тонкую изоляцию, что позволяет увеличить в электрических машинах коэффициент использования паза. К обмоточным проводам предъявляется ряд требований, контролируемых специальными испытаниями.

1 эластичность — определяется способностью изоляции выдерживать нагрузку на растяжение вплоть до разрыва провода без повреждений в изоляции. Для проводов с относительно большим диаметром (более 0,4) эластичность проверяется способом навивки провода на стержень определенного (по стандарту для данного провода) диаметра, при этом в изоляции не должны возникать трещины.

Стойкость к тепловому удару— оценивается способностью изоляции выдерживать быстрое изменение температуры при одновременном нагружении изоляции на изгиб (обмоточный провод навит в спираль определенногодиаметра).

Стойкость изоляции к истиранию и ее адгезия к проводнику.

Первая характеристика определяется на скребковом приборе путем истирания изоляции стальной иглой при ее возвратно-поступательном перемещении по поверхности изоляции. Подробно методика описана в [2]. Адгезия эмали к проводнику выявляется при испытаниях на растяжение провода.

Термопластичность изоляции — это характеристика, определяемая только для эмалевой изоляции, представляет собой способность размягчаться при повышенных температурах.

5. Пробивное напряжение — один из важнейших параметров, определяющих работоспособность проводов. Методика определения описана в [2].

Все перечисленные свойства изоляции обмоточных проводов обусловлены условиями изготовления самой обмотки (изгибами, натяжениями и т. д.) и эксплуатационными воздействиями. Например, определение стойкости к тепловому удару необходимо для оценки работоспособности изоляции в экстремальных условиях; требование стойкости изоляции к истиранию учитывает такие эксплуатационные воздействия, в результате которых проводники смещаются относительно друг друга; оценка термопластичности эмалевой изоляции позволяет исключить размягчение изоляции и как следствие этого — замыкания витков обмотки; уровень пробивного напряжения изоляции обмоточных проводов в машинах со всыпной обмоткой определит их стойкость к коммутационным перенапряжениям.

Для производства эмалей используются смолы, сохраняющие в полимеризованном состоянии эластичность. Они перечислены в табл. 4, где приведены характеристики основных типов эмалированных проводов, используемых для обмоток электрических машин.

С поливинилацеталевой и полиэфирной изоляцией выпускаются также алюминиевые провода ПЭВА и ПЭТВА, их ТИ выше и составляет у ПЭВА—130° С, у ПЭТВА — 155° С. Повышенная нагревостойкость объясняется большей пассивностью алюминия по отношению к изоляции по сравнению с медью в процессе теплового старения. По электрическим параметрам изоляции провода марки ПЭТВА и ПЭТВ равноценны, однако стойкость к истиранию у алюминиевых проводов ниже.

Для электродвигателей, намотка которых производится механизированным способом, применяются круглые провода марок ПЭТВМ, ПЭТМ с диаметром 0,25… 1,4 мм. Они имеют несколько большую толщину изоляции, повышенную механическую прочность и стойкость к тепловому удару. (Свойства обмоточных эмалированных проводов должны быть изучены по учебному пособию [13, с. 279—302].).

Исследование свойств представленных в этом разделе обмоточных проводов при длительном нагреве показало, что они сохраняют установленное значение пробивного напряжения (или другого параметра) в течение не менее 20 000 ч.

Примечания: 1. В перечисленных проводах проводником является медь.

2. С такой же эмалевой изоляцией выпускаются провода прямоугольного сечения — ПЭВП, ПЭТВП и т. д. собой способность размягчаться при повышенных температурах.

Пробивное напряжение — один из важнейших параметров, определяющих работоспособность проводов. Методика определения описана в [2].

Все перечисленные свойства изоляции обмоточных проводов обусловлены условиями изготовления самой обмотки (изгибами, натяжениями и т. д.) и эксплуатационными воздействиями. Например, определение стойкости к тепловому удару необходимо для оценки работоспособности изоляции в экстремальных условиях; требование стойкости изоляции к истиранию учитывает такие эксплуатационные воздействия, в результате которых проводники смещаются относительно друг друга; оценка термопластичности эмалевой изоляции позволяет исключить размягчение изоляции и как следствие этого — замыкания витков обмотки; уровень пробивного напряжения изоляции обмоточных проводов в машинах со всыпной обмоткой определит их стойкость к коммутационным перенапряжениям.

Для производства эмалей используются смолы, сохраняющие в полимеризованном состоянии эластичность. Они перечислены в табл. 4, где приведены характеристики основных типов эмалированных проводов, используемых для обмоток электрических машин.

С поливинилацеталевой и полиэфирной изоляцией выпускаются также алюминиевые провода ПЭВА и ПЭТВА, их ТИ выше и составляет у ПЭВА—130° С, у ПЭТВА — 155° С. Повышенная нагревостойкость объясняется большей пассивностью алюминия по отношению к изоляции по сравнению с медью в процессе теплового старения. По электрическим параметрам изоляции провода марки ПЭТВА и ПЭТВ равноценны, однако стойкость к истиранию у алюминиевых проводов ниже.

Для электродвигателей, намотка которых производится механизированным способом, применяются круглые провода марок ПЭТВМ, ПЭТМ с диаметром 0,25… 1,4 мм. Они имеют несколько большую толщину изоляции, повышенную механическую прочность и стойкость к тепловому удару. (Свойства обмоточных эмалированных проводов должны быть изучены по учебному пособию [13, с. 279—302].).

Исследование свойств представленных в этом разделе обмоточных проводов при длительном нагреве показало, что они сохраняют установленное значение пробивного напряжения (или другого параметра) в течение не менее 20 000 ч.

Примечания: 1. В перечисленных проводах проводником является медь.

2. С такой же эмалевой изоляцией выпускаются провода прямоугольного сечения — ПЭВП, ПЭТВП и т. д.

Повышение ТИ изоляции обмоточных проводов достигается введением и увеличением в лакооснове числа ароматических и имидных групп, т. е. созданием циклоцепных полимеров с высокой симметричностью структуры.

Новые направления в разработке эмалированных проводов:

Лаки, используемые для производства эмалевой изоляции, представляют собой 18 … 40%-ный раствор лакоосновы в растворителе. В связи с токсичностью растворителей возникают проблемы, связанные с необходимостью охраны окружающей среды. Для производства эмалированных проводов требуются специализированные помещения. В связи с повышающимися с каждым годом требованиями к защите окружающей среды проводились работы по созданию новых лаков с минимальной токсичностью. Так как токсичность эмаль-лаков в основном определяется растворителем, то наиболее перспективным является получение изоляционной пленки на проводнике без применения растворителей. В отечественной практике для производства эмаль-проводов без растворителей применяется полиэфирная смола ТС-1, имеющая следующую структурную формулу элементарного звена:

При применении этой смолы вязкотекучее состояние, необходимое для нанесения материала на проволоку, достигается не растворением пленкообразующего вещества, а его расплавлением. Полученные эмалированные провода по своим свойствам идентичны проводам с изоляцией на основе полиэфирных лаков типа ПЭ-943 или ПЭ-933. Вязкость, необходимая для нанесения смолы ТС-1 на проволоку, получается при нагревании до 180… 185° С.

Из расплава получены также эмали из полиэфиримидной смолы марки ПЭИ-25. Преимущества способа эмалирования из расплава на примерах полиэфиримидной смолы и полиэфиримидного лака, по данным фирмы «Д-р Бек» (Германия), представлены в табл. 5.

Вторым направлением снижения токсичности эмаль-лаков является создание лаковых систем с повышенным содержанием пленкообразующих веществ — порядка 50%. Это достигается как применением специальных растворителей, так и модификацией рецептуры смолы, составляющей основу лака. В будущем возможно создание лаков, вообще не содержащих дефицитные и токсичные крезолы.

Таблица 5.

Третье направление уменьшения токсичности — создание водорастворимых полимеров, водных коллоидных систем и т. д. Нетоксичные составы в ряде случаев представляют собой водные дисперсии, в которых частицы смолы имеют размер до 3 мкм, либо коллоидные растворы, где размеры частиц основы значительно меньше (0,001…0,1 мкм). Применение таких составов требует тщательного контроля технологии и в ряде случаев приводит к снижению скорости эмалирования проволоки.

Провода с волокнистой и эмалево-волокнистой изоляцией Для повышения электрической прочности и надежности изоляции проводов относительно больших сечений на них наносится волокнистая оплетка, скрепляемая пропиточным лаком. Оплетка выполняется из пряжи хлопчатобумажной (провода марки ПБД), шелковой (ПШО) или стеклянной (ПСД).

В электрических машинах наиболее широко используются провода со стекловолокнистой изоляцией, которые отличаются повышенной нагревостойкостью, электрической и механической прочностью и стойкостью к кратковременному превышению температуры. Основные марки проводов этого типа с указанием области применения представлены в табл. 6.

Таблица 6.

Примечание. Индекс Т в марке провода означает, что для изоляции используется утоненное стекловолокно; индекс Л указывает на наличие на поверхности провода дополнительного слоя лака; П — проводник полый (для машин с водяным охлаждением).

Изоляция проводов состоит из стеклянных нитей, наложенных двумя слоями с подклейкой и пропиткой соответствующиелаком. Все провода, за исключением ПСДТ, ПСДТ-Л и ПСД, выпускаются как круглого, так и прямоугольного сечения. Провода ПСДТ и ПСДТ-Л — только круглые, ПСДП — только прямоугольный. Пробивное напряжение различных обмоточных проводов со стекловолкнистой изоляции мало отличается, и его минимальное значение находится в пределах 300… 600 В. Это объясняется тем, что пробой изоляции происходит по имеющимся воздушным промежуткам при приблизительно одинаковых толщинах изоляции.

Для создания более надежной изоляции обмоточных проводов, работающих в тяжелых условиях эксплуатации (обмотки электроподвижного состава) или рассчитанных на большой ресурс (до 200 000 ч), изготавливаются комбинации из эмалевой и стекловолокнистой изоляции. К ним относится провод ПЭТВСД, предназначенный для длительной работы при 155° С. Диапазон диаметров круглых проводов 0,85… 2,5 мм, диапазоны сечений прямоугольных 2,5… … 25,2 мм². Двойная толщина изоляции провода составляет 0,35…0,47 мм. Пробивное напряжение изоляции не ниже 800…1000 В.

Обмоточные провода с пленочной изоляцией Обмоточные провода с пленочной изоляцией используются в погружных двигателях, обмотки которых подвергаются воздействию жидкой среды.

Условия работы погружного электродвигателя в скважине небольшого диаметра (до 425 мм) определяют особенности его конструкции — малый диаметр при большой длине, полностью закрытый паз. Подобная конструкция паза статора требует изготовления обмотки методом многократной протяжки провода, поэтому изоляция провода должна иметь высокую механическую прочность.

Один из первых типов обмоточных проводов для таких условий — провод с комбинированной эмалевой и пленочноволокнистой изоляцией, использованный для обмоток с напряжением 1000…2000 В, ПЭТВПДЛ-3 и ПЭТВПДЛ-4. Изоляция этих проводов состоит из слоя полиэтилентерефталатной эмали, трех (четырех) слоев лавсановой пленки и двух слоев лавсановой нити с подклейкой и пропиткой полиэфирной смолой. Недостатком этих проводов являются низкая нагревостойкость, их температурный индекс— 120° С. Провода типа ПЭТВПДЛ успешно заменяются нагревостойкими проводами со спеченной пленочной фторопластовой и полиимидно-фторопластовой изоляцией, которые могут эксплуатироваться в водозаполненных электродвигателях на напряжение 380 В, работающих в среде воды и пластовой жидкости при температуре +180° С и давлении до 20 МПа. Некоторые марки нагревостойких обмоточных проводов для погруженных двигателей представлены в табл. 7.

Примечание. Аналогичные провода выпускаются прямоугольного сечения, например для якорных обмоток высоконагруженных машин постоянного тока (ППИП, ППИПК) Из таких проводов изготавливаются шаблонные секции, выпечка которых производится при 300 … 350° С. При этой температуре происходит расплавление слоя фторопласта на поверхности пленки, что обеспечивает оклейку проводников и влагозащиту конструкции. — Применение незащищённой полиимидной пленки в погружных машинах, где возможно проникновение воды в обмотку, недопустимо из-за низкой гидролитической стойкости полиимида.