Пропитка и компаундировка изоляции: методы восстановления обмоток в ремонте

Изоляция является дорогим и в то же время наиболее уязвимым элементом тяговых электрических машин и аппаратов. Она имеет сравнительно небольшую механическую прочность; в процессе работы под воздействием воздуха, влаги, колебаний температуры и электромагнитных сил подвергается механическому, химическому и тепловому износу, расслаивается, теряет эластичность и электрическую прочность. Для продления срока службы изоляции важное значение имеет правильный уход за ней в эксплуатации: своевременная очистка от пыли и грязи; предупреждение перегрева, попадания на ее поверхность смазочного масла; перетирания вследствие ослабления креплений обмоток и т. п. В процессе ремонта структуру и физико-механические свойства изоляции машинных и аппаратных катушек восстанавливают пропиткой и компаундировкой.

Пропиткой называют производственный цикл, включающий в себя операции предварительной сушки изоляции для удаления из нее влаги; собственно пропитки, т. е. заполнения пор и пустот в материале и промежутков в изоляции лаками или компаундами; сушки изоляции после пропитки лаками для удаления растворителей и полимеризации твердой основы лака; лакировки и окончательной отделки изоляции для придания соответствующих свойств поверхности обмоток.

Сушка и пропитка изоляции имеют целью повышение ее диэлектрической и механической прочности, химо- и влагостойкости, теплопроводности, т. е. всего того комплекса свойств, которые определяют качество изоляции и, следовательно, надежность и долговечность эксплуатации обмоток. Улучшение характеристик изоляции при пропитке связано с вытеснением воздуха и влаги из пор и пустот изоляции и заполнением их твердой основой лака или компаундами, которые имеют более высокую электрическую прочность и теплопроводность, склеивают частицы и отдельные слои изоляции в единый монолит и защищают ее от непосредственного соприкосновения с влагой и кислородом воздуха. Качество пропитки определяется степенью заполнения пор и пустот изоляции упитывающим веществом.

Материалы для пропитки изоляции и технологический процесс пропитки выбирают в зависимости от конструкции обмоток, их назначения и класса изоляции. Применяются два вида пропитывающих составов: пропитывающие лаки и компаунды. В состав пропитывающих лаков входят два основных элемента: твердая основа (термореактивная смола) и растворитель. Для полного заполнения пор и пустот изоляции твердой основой лака требуется несколько пропиток с промежуточными сушками после каждой пропитки: от пропитки к пропитке степень заполнения пор и пустот изоляции смолой увеличивается. Поэтому пропитка в лаках является процессом длительным и трудоемким. Компаунды, в отличие от лаков, практически не имеют в своем составе летучих. Поэтому компаундировка обеспечивает большую монолитность изоляции, а сам процесс пропитки при этом может быть однократным.

Таким образом, компаундировка в принципе предпочтительнее пропитки лаками. Однако применение компаундировки ограничивает термопластичность компаундов, которые при нагревании переходят в пластическое состояние (текут). Поэтому, например, якорные обмотки, работающие при сравнительно высоких температурах и находящиеся под действием больших центробежных сил, компаундировать нельзя. Для таких обмоток можно применять только пропитку в лаках, термореактивная основа которых (смола) при нагревании необратимо затвердевает.

Предварительная и промежуточная сушка пропитываемых обмоток производится обычно в электрических печах (рис. XII.14) с регулируемой приточно-вытяжной вентиляцией. Она представляет собой камеру 1 с хорошей теплоизоляцией. Наружный воздух поступает в печь через фильтр 3 и попадает в теплообменник 8, где подогревается электронагревательными элементами 7. Подогретый воздух поступает в сушильную камеру 1. Объекты сушки (якори, остовы двигателей с катушками или отдельные машинные и аппаратные катушки в корзинах) подают сюда на тележке по рельсам через входное отверстие, закрывающееся плитой 2, подъем и опускание которой осуществляется тросом через систему блоков, не показанных на рисунке.

Печь оборудована насосом-вентилятором 4 и системой заслонок 5, позволяющей создавать в ней приточно-вытяжную, замкнутую или смешанную системы циркуляции воздуха. Обычно с целью экономии электрической энергии сушку ведут с замкнутой системой циркуляции воздуха по схеме, показанной на рис. XII.14, а. Однако периодически по мере насыщения объема печи парами воды или растворителя лака необходимо обновить воздух. Для этого заслонки в трубах вентиляционной системы устанавливают в положение, показанное на рис. XII.14, б. При этом через фильтр 3 в печь засасывается чистый воздух, а отработанный удаляется за пределы цеха через выхлопную трубу 6.

Задача сушки определяется ее назначением. Предварительная сушка в целях интенсификации процесса ведется при температурах, максимально допустимых по условию обугливания изоляции. Сырые обмотки вначале сушат при пониженной температуре во избежание вспучивания изоляции парами воды. Продолжительность сушки зависит от содержания в изоляции влаги, размеров и формы обмоток, состава (структуры) изоляции, скорости циркуляции и кратности обмена воздуха, теплоемкости сердечника (якоря или остова двигателя при сушке катушек в остове) и других факторов.

Поэтому в каждом отдельном случае ее подбирают экспериментально и контролируют периодическими замерами сопротивления изоляции и температуры обмотки. По результатам этих замеров строят кривые сушки — зависимости температуры t и сопротивления R изоляции от продолжительности Т сушки (рис. XII. 14, в). Период сушки состоит из двух этапов: 1) нагрева обмоток, когда температура их постепенно растет до тех пор, пока не достигнет в точке А установившегося значения. На этом этапе сопротивление изоляции обмоток падает и в точке В достигает минимального значения; 2) собственно сушки, при которой сопротивление изоляции постепенно растет, пока не достигнет установившейся величины в точке С. Эта точка определяет момент окончания процесса сушки.

Рис. XII.14. Электрическая печь для сушки обмоток (а, б) и кривые сушки изоляции (в)

Технология пропитки в лаках оценивается степенью согласованности пропитывающей способности лака (глубиной проникновения его в изоляцию) и его способности заполнять поры, и пустоты твердой основой. При прочих равных условиях лучшей признается технология, обеспечивающая более глубокое проникновение лака в изоляцию при его большей вязкости. Применяют следующие способы пропитки катушек в лаках:

1) окраска кистью или обливание обмоток лаком над противнем, «тот способ пропитки мало эффективен и, как правило, пропиткой считаться не может;

2) пропитка погружением в бак с лаком при атмосферном давлении;

3) пропитка погружением в бак с лаком при атмосферном давлении с последующим повышением давления воздуха (пропитка под давлением). Разновидностью этого метода является пропитка тренировочным режимом с чередованием в пропиточном баке избыточного и атмосферного давления;

4) вакуум-нагнетательная пропитка с заливкой катушек лаком под вакуумом и созданием после этого избыточного давления в баке с лаком. Разновидностью этого метода является вакуум-нагнетательная пропитка тренировочным режимом с чередованием вакуума и избыточного давления.

При пропитке погружением машинные и аппаратные катушки, освобожденные от сердечников, опускают в бак уложенными в корзинах, якори устанавливают коллектором вверх и заливают лаком.

На рис. XII.15 показана установка для пропитки катушек полюсов в остове тягового двигателя. Горячий остов после сушки устанавливают на щит 5 с войлочной прокладкой 4. Положение остова на щите центрируется полым цилиндром 2, назначением которого является уменьшение количества лака, подаваемого в остов при пропитке. Вентиляционные отверстия остова закрывают крышками 3 на войлочных прокладках. Подача лака в остов из бака 6 происходит за счет давления сжатого воздуха. Катушки выдерживают в лаке до полного прекращения выделения пузырьков воздуха, но не менее 15 мин. После этого сжатый воздух выпускают и лак перетекает снова в бак 6. При необходимости смены лака его спускают в бак 1.

Рис. XII.15. Установка для пропитки катушек в остове двигателя

Пропитка погружением благодаря простоте оборудования имеет широкое распространение, но она не может быть признана совершенной, так как для получения глубокой пропитки требует применения маловязких лаков. Благодаря этому изоляция должна подвергаться многократным пропиткам с промежуточными сушками после каждой пропитки, что связано с удлинением технологического цикла.

Для повышения пропитывающей способности лака пропитка погружением производится сразу же после сушки изоляции. Лак, имеющий более низкую температуру, несколько охлаждает прогретые катушки. При этом объем воздушных включений сокращается, в порах изоляции создается некоторый вакуум и лак принудительно втягивается в изоляцию. Кроме того, лак, соприкасаясь с горячей обмоткой, нагревается, вязкость его понижается, а пропитывающая способность увеличивается. Все это способствует повышению качества пропитки. Последнее наблюдается, однако, лишь при правильном выборе температуры предварительного нагрева. Опасен перегрев обмоток, который вызывает усиленное испарение из лака летучих. Вязкость лака при этом может даже повыситься, а вакуум, образовавшийся в пустотах изоляции, будет заполняться не лаком, а его летучими составляющими. Таким образом, эффект предварительного нагрева сведется к нулю или приведет к ухудшению качества пропитки.

Время выдержки обмоток в лаке устанавливается опытным путем. Оно зависит от вязкости лака и его пропитывающей способности, температуры лака и предварительного нагрева катушек, вида изоляции, плотности ее намотки, размеров катушек. Обычно изоляция выдерживается в лаке до полного прекращения выделения пузырьков воздуха, но не менее 5 мин. После пропитки катушки извлекают из бака и выдерживают на сетках над ванной в течение 10—15 мин до прекращения стекания лака. Перед сушкой со всех деталей катушки, не подлежащих покрытию лаками (каркаса, стального сердечника, выводов), лак удаляют тряпкой, смоченной в бензине, уайт-спирите или других растворителях.

Пропитка под давлением требует несколько более сложного оборудования. Она производится в автоклавах с герметически закрывающейся крышкой. В автоклав загружают предварительно прогретые обмотки, заливают лаком и затем создают избыточное давление порядка 0,5-0,7 Мн/м² (5-7 кГ/см²), что способствует более глубокому проникновению лака в поры и пустоты изоляции, повышая качество и ускоряя процесс пропитки. Основное преимущество пропитки под давлением состоит в том, что она позволяет применять более вязкие лаки, обеспечивая в то же время глубокое проникновение их в изоляцию. Благодаря этому сокращается необходимое число пропиток, так как лак повышенной вязкости обеспечивает более полное заполнение пор и пустот в изоляции твердыми компонентами. Еще больший эффект достигается тренировочным режимом пропитки с чередованием в автоклаве атмосферного и избыточного давления воздуха.

Вакуум-нагнетательная пропитка состоит в заливке катушек лаком под вакуумом с созданием после этого в автоклаве избыточно давления. Она является еще более совершенной, чем пропитка под давлением. Предварительный вакуум обеспечивает почти полное удаление из пор и пустот изоляции всех газовых включений. Давление, создаваемое после заливки катушек лаком под вакуумом, обеспечивает принудительное глубокое проникновение лака в изоляцию. Недостаток вакуумной пропитки состоит в том, что она требует сложной установки с автоклавами, вакуум-насосами, конденсаторами и другими устройствами. Часто вакуум-нагнетательную пропитку совмещают с вакуумной сушкой, что приводит к экономии на оборудовании и производственных площадях. В этом случае автоклав дооборудуют паровым, жидкостным или электрическим подогревом.

Промежуточная и окончательная сушка обмоток после пропитки в лаках преследует две дели: удаление из лака растворителей и полимеризацию (твердение) основы лака. В соответствии с этим сушка имеет две стадии. На первой стадии температура обмоток поднимается не выше 70—80° С. Эта температура вполне достаточна для удаления летучих, но в то же время не вызывает бурного испарения их, которое может привести к частичному вытеснению лака из пор и капилляров изоляции. Высокую температуру на первой стадии сушки не дают еще и для того, чтобы не допустить образования на поверхности обмотки корки, затрудняющей удаление летучих из-глубины изоляции. Сушка производится в тех же печах, что и предварительная сушка обмоток с соблюдением жестких требований вентиляции рабочего объема печи во избежание взрывоопасной концентрации паров растворителя.

В первый час сушки вентиляционную систему регулируют так, чтобы весь воздух из камеры печи удалялся наружу. Работа печи с замкнутой циркуляцией при частичном освежении воздуха допускается только при паровых, масляных и герметических электрокалориферах и не ранее, чем через час после начала сушки и продувки камеры вентилятором, работающим на выхлоп. Задачей второй стадии сушки является полимеризация смолы, составляющей основу лака. Здесь для получения хорошего качества сушку необходимо производить при температурах, максимально допустимых по условиям теплового разрушения изоляционных материалов: 120-130° С — для изоляции класса А, 150-160°С — для изоляции класса В и 190—200°С — для кремнийорганической изоляции. Повышение температуры способствует и ускорению процесса сушки. Процесс полимеризации лака протекает в присутствии кислорода воздуха, доступ которого должен быть обеспечен.

Компаунды представляют собой приготовленные по специальной технологии сплавы битумов (продукты переработки нефти), обезвоженного (полимеризованного) льняного масла и канифоли. Добавление в битум льняного масла повышает термореактивность (теплостойкость), морозостойкость и уменьшает хрупкость компаунда. Канифоль увеличивает клейкость и текучесть компаунда и способствует более быстрому высыханию масла.

Компаундировка является более совершенным процессом пропитки по сравнению с пропиткой в лаках и с точки зрения качества и по своей производительности вследствие того, что 1) расплавленный компаунд, проникая в поры и пустоты изоляции, полностью заполняет их, не образуя пустот при охлаждении и затвердевании; 2) для отвердевания компаунда достаточно охладить катушку. При этом не требуется сушки, как при пропитке лаками; 3) пропитанные компаундом катушки не имеют пор, монолитны и характеризуются более высокой влагостойкостью, теплопроводностью, диэлектрическими свойствами и механической прочностью по сравнению с катушками, пропитанными в лаках.

Применение компаундировки ограничивается сложностью компаундировочных установок и пластичностью компаундов при высоких температурах, что не позволяет использовать их для пропитки вращающихся катушек якорей тяговых электрических машин и катушек, работающих при высоких температурах.

На рис. XII. 16 показана схема компаундировочной установки на два котла. Установка состоит из двух парообогреваемых герметически закрывающихся котлов-автоклавов 3 и двух плавильно-смесительных котлов-смесителей 10. Для обогрева автоклавов и смесителей в этой установке используют пар при давлении 1-1,5 Мн/м² (10-15 кГ/см²), перегретый до 300°С. Кроме пара, в качестве теплоносителя используют минеральное масло с высокой температурой вспышки или электронагрев встроенными электрическими нагревателями и индукционный нагрев котлов. Рабочее пространство котлов соединено трубопроводами с вакуум-насосом 9 и компрессором 6. Все котлы связаны между собой массопроводом 12, по которому компаундная масса перегоняется из смесителей в автоклавы и после окончания компаундировки из автоклавов снова в смесители. Паровые рубашки котлов и массопроводы тщательно теплоизолированы.

Рис. XII.16. Схема компаундировочной установки на два котла: 1 — редуктор; 2 - электродвигатель мешалки; 3 — смесительный котел; 4 — воздушный фильтр; 5 — калорифер; 6 — компрессор; 7 — маслоотделитель; 8 — конденсатор; 9 — вакуум-насос; 10 — компаундировочные котлы-автоклавы; 11 — вентиль; 12 — массопровод

Технологический процесс компаундировки складывается из подготовительных операций, загрузки в автоклав и сушки обмоток, впускa массы в автоклав и пропитки обмоток, выпуска массы и выемки обмоток, отделочных операций. Практически режим компаундировки подбирают так, что в одном автоклаве производится вакуумная сушка, а в другом в то же время — пропитка обмоток. Перед загрузкой в автоклав сами катушки, а также их выводные кабели и наконечники обматывают в один слой с небольшой перекрышей хлопчатобумажной лентой. Для предупреждения порчи резиновую изоляцию выводных кабелей рекомендуют смазывать касторовым маслом. После временной бандажировки катушки укладывают в специальные корзины так, чтобы был обеспечен свободный доступ массы ко всем катушкам, и кран-балкой опускают в автоклав.

К моменту окончания сушки обмоток в автоклаве в смесителе должна быть подготовлена компаундная масса. Ее загружают в смеситель порциями и добавляют по мере расплавления до заполнения всего полезного объема смесителя. Впуск компаундной массы в автоклав производят под вакуумом, т. е. при работающем вакуум- насосе, причем подачу массы регулируют так, чтобы вакуум в автоклаве был не ниже 0,04 Мн/м² (0,4 кГ/см²). Поэтому впуск массы — процесс длительный, он может продолжаться несколько часов. В течение всего этого времени продолжают работать мешалки смесителя и обогрев котлов.

После окончательного установления уровня пропитывающего состава и прекращения его вспенивания в течение 15-20 мин поднимают давление в котле до 0,6-0,8 Мн/м² (6-8 кГ/см²), после чего выдерживают его в течение времени, предусмотренного технологией. Смена вакуума давлением обеспечивает принудительное глубокое проникновение массы в поры и пустоты изоляции. Применяют и тренировочные режимы с чередованием атмосферного и избыточного давлений или вакуума, атмосферного и избыточного давлений. Закончив пропитку, осторожно по частям перегоняют массу из автоклава в смеситель, продувают массопровод и дают стечь излишкам массы с обмоток. Затем катушки вынимают, размещают на специальных подставках и сразу же, пока они не остыли (при температуре около 50°С), снимают с них временную хлопчатобумажную ленту.

Сведения об авторах и источнике:

Авторы: Д. И. Бондаревский, В. М. Кобозев

Источник: Эксплуатация и ремонт подвижного состава городского электрического транспорта