Таблица 2.9. Степени защиты электрических машин

Степени защиты персонала от соприкосно-

Степени защиты от проникновения воды

РАЗДЕЛ 3

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

3.1. Распределение потерь по объему и нагрев электрических машин

При электромеханическом преобразовании энергии часть потребляемой энергии всегда преобразуется в тепловую. Разность между потребляемой электрической машиной энергией и отдаваемой называют потерями и для удобства сравнения с мощностью машины оценивают за единицу времени и выражают в единицах мощности - Вт или кВт.

Потери в машине в зависимости от вызывающих их физических процессов подразделяют на электрические, магнитные, механические, вентиляционные и добавочные или дополнительные. Каждый вид потерь локализован в определенных участках объема машины: электрические потери - в проводниках обмоток, соединительных проводах и в скользящих контактах (щетки - коллектор или щетки - контактные кольца); магнитные потери, включающие потери на вихревые токи и гистерезис, - в стали участков магнитопровода с переменным магнитным потоком; механические потери, включающие потери на трение в подшипниках, на трение вращающихся частей машины о воздух или газ и трение щеток о коллектор или контактные кольца,- соответственно в подшипниках, на поверхностях вращающихся деталей, коллекторов или контактных колец. Вентиляционные потери непосредственного влияния на нагрев

машины не оказывают, так как энергия, затрачиваемая на вентиляцию, преобразуется не в тепловую, а в кинетическую энергию движения охлаждающего газа. В генераторах на вентиляцию расходуется мощность приводного двигателя, поэтому выделения тепловой энергии в объеме генератора за счет вентиляционных потерь не происходит. В двигателях на вентиляцию расходуется часть электромагнитной энергии, передаваемой от статора машины к ротору, поэтому вентиляционные потери увеличивают потребляемую двигателем мощность.

Дополнительные потери подразделяют на потери холостого хода и потери короткого замыкания. Первые включают поверхностные и пульсационные потери, возникающие от пульсаций индукции в зазоре электрической машины. Потери этого вида имеют место как при холостом ходе машины, так и при ее работе с нагрузкой. Дополнительные потери короткого замыкания возникают лишь при нагрузке машины. К ним относят потери в проводниках обмотки, обусловленные высшими гармоническими поля в машине, не учтенные в расчете других видов потерь. Расчет дополнительных потерь короткого замыкания в настоящее время наименее точен по сравнению с расчетом других видов потерь. ГОСТ 183-74 предписывает учитывать этот вид потерь в размере 0,5% потребляемой мощности при нагрузке машины.

Потери и характер их распределения в объеме машины формируют ее температурное поле.

3.2. Допустимая температура частей электрической машины

Особенностью электрических машин является тесное конструктивное сочетание металлов и изоляции, т. е. материалов, имеющих резко различные тепловые характеристики. В то время как металлы сохраняют свои рабочие свойства при температурах до 400 -500 °С и выше, верхний предел допустимого нагрева изоляционных материалов, применяемых в электромашиностроении, в зависимости от класса их нагревостойкости составляет 90-180 С (табл. 3.1). В настоящее время в электрических машинах применяются изоляционные материалы классов нагревостойкости Е, В и F (ГОСТ 8865-70). Материалы класса Н используются, значительно реже; материалы классов Haipe-востойкости Y и А в современных электрических машинах практически не применяются. В последние годы разработаны изоляционные материалы с допустимой рабочей температурой 200 -240 С, но они находят применение лишь в машинах специального назначения [4].

Диэлектрические свойства изоляционных материалов с течением времени ухудшаются. При длительной эксплуатации изоляция усыхает, уменьшается ее механическая прочность, снижается пробивное напряжение. Этот процесс называют старением изоляции. Интенсивности старения во многом зависит от температуры. Чем выше рабочая температура изолированного изделия, тем быстрее происходит старение к уменьшается срок службы изоляции. При нормировании допустимого нагрева частей электрической -машины исходят из того, чтобы соприкасающаяся с ними или расположенная в непосредственной близости от них изоляция могла выполнять свои функции в течение р.асчетиого срока эксплуатации машины. Поэтому предельно допзстимый нагрев частей электрической машины зависит от класса нагревостойкости изоляции.

Нагрев частей электрической машины может быть определен расчетным путем на стадии проектирования или экспериментально во время тепловых испытаний готовых машин. Измерение температуры частей электрической машины в процессе ее

Таблица 3.1. Нагревостойкость электронзсцящаднных материален

Класс нагрево- стойкости

Температура, С

Электроизоляционные материалы, соответствующие данному классу нагревостойкости

120 130

155 180

Более 180

Непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Некоторые синтетические органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропи-тьшающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими или элементоорга-ническими связующими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочеташм материалов

эксплуатации является способом контроля нормальной работы машины. Для учета влияния условий, в которых работают машины, ГОСТ устанавливает не абсолютную допустимую температуру ее частей, а превышение их температуры над температурой охлаждающей среды при определенном атмосферном давлении. Температура охлаждающей газообразной среды принимается равной 40 °С, а давление регламентируется местом эксплуатации машины на высоте не более 1000 м над уровнем моря (табл. 3.2). Эти нормы обязательны для машин общего назначения. Для специальных машин они могут быть изменены в зависимости от ряда условий, например сокращенного расчетного срока службы машины, повышенных требований к надежности и т. п., которые оговариваются в ТУ или ГОСТ на машины данного типа.

Предельно допустимая температура частей электрических машин, рассчитанная как сумма допустимого превышения их температуры, взятого по табл. 3.2, и температуры охлаждающей среды (40 °С) оказывается несколько меньше, чем допустимая температура изоляционных материа1юв данного класса нагревостойкости (см. габл, 3.1). Это устанавливается в связи с тем, что .летоды расчета, измерения или контроля температуры частей электрической машины позволяют либо зафиксировать температуру их отдельных нескольких точек (методы термометра и температурных индикаторов - термопар, термопреобразователей), либо определить среднюю температуру какой-либо части машины, например среднюю температуру ее обмотки или части обмотки (метод сопротивления).

Предпочтительным методом измерения температур обмоток, указанных в п. 1 табл. 3.2, является метод температурных индикаторов, для всех остальных обмоток - метод сопротивления. Если одновременно с определением температуры обмоток методом сопротивления или с помощью температурных индикаторов производится отсчет по термометру, то превьппения температуры наиболее нагретых точек по показаниям термометра не должны быть больше 65 °С для частей машины с изоляцией масса нагревостойкости А, 80 °С - класса Е, 90 °С - класса В, 110°С-класса F и 135 °С-класса Н.

Для обмоток высоковольтных машин с воздушным охлаждением на номинальное напряжение свыше 11000 В, установленных на высоте более 1000 м над уровнем моря, предельно допустимые превьппения температуры, указанные в табл. 3.2, сниясаются на

каждые полные или неполные 1000 В при измерениях термометром на 1,5 °С, при измерениях температурньпми индикаторами при номинальных напряжениях в пределах 11000-17000 В - на 1 °С и при напряжении свыше 17000 В - дополнительно на 0,5 С на каждые полные или неполные 1000 В.

Когда температура газообразной охлаждающей среды отлична от 40 С, предельно допустимые превышения температур частей электрической машины пересчитываются. При температуре охлаждающей среды вьппе 40 С (но не более 60 °С) они должны быть уменьшены иа разность между фактической температурой охлаждающей среды и 40 °С. При температуре охлаждающей среды вьппе 60 °С допустимые превышения температуры устанавливаются по согласованию с предприятием-изготовителем. При температуре газообразной охлаждающей среды ниже 40 °С предельно допустимые превышения температур могут быть увеличены на разность между 40 °С и фактической температурой охлаждаюшей среды, но не более чем на 10 °С. Этот пересчет может быть произведен для всех электрических машин, кроме турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов, для которых допускаемые превышения при температуре газообразной охлаждающей среды меньше 40 °С указаны в стандартах или в технических условиях на эти машины.

Предельно допустимые превышения температуры частей электрических машин, предназначенных для установки на высоте над уровнем моря превышающей 1000 м (но не более 4000 м), в тех случаях, когда измерения производятся на высоте до 1000 м, уменьшаются по сравнению с указанными в табл. 3.2 на 1 °С на каждые полные или неполные 100 м сверх 1000 м при условии, что температура охлаждающей среды не превышает 40 С. Если же абсолютное давление в охлаждающей системе машины соответствует высоте над уровнем моря 1000 м и поддерживается постоянным независимо от высоты установки машины, то поправку к допускаемым превышениям температуры, зависящую от высоты установки машины над уровнем моря, не вводят.

Допустшшя температура подшипников машины независимо от температуры охлаждающей среды и высоты установки над уровнем моря не должна превьппать 80 °С для подшипников скольжения (температура масла при этом не должна быть более 65 °С) и 100 С для подшипников качения. Более высокая температура допускается только при применении специальных подшипников.