КАТАЛОГ

ТЕОРИЯ  ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ  ВЛАГИ  В   ИЗОЛЯЦИИ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  МАШИН И ТРАНСФОРМАТОРОВ

       Увлажнение изоляции электрических машин, в частности асинхронных электродвигателей (ЭД), работающих в атмосфере повышенной влажности, приводит к снижению сопротивления изоляции  а, следовательно, к снижению надежности и срока  службы. Известные способы сушки изоляции и защиты ее от увлажнения относятся к тепловым, недостатками которых являются повышенные трудозатраты и расход электроэнергии; локальные перегревы, деструкция и коробление изолирующих материалов.

        В последние годы все чаще встречается нетипичный в обычном понимании способ сушки  изоляции электрических машин на основе электроосмоса. Удивительным является тот факт, что устройство для электроосмотической сушки, потребляет мощность не более 20Вт,  а ЭД, сопротивление изоляции которого увеличивается, остается холодным. Подключают устройство на месте установки магнитных пускателей. По питающему ЭД кабелю в изоляции создается электрическое поле,  под действием которого влага из микротрещин вытесняется наружу. Сопротивление изоляции увеличивается.  Явление электроосмоса было открыто в 1809 году профессором Московского университета Ф.Ф.Рейсом. Суть этого электрокинетического явления заключается в перемещении большого количества влаги по капиллярам, находящимся в электрическом поле. Особенно быстро прокачивают воду капилляры определенного сечения. Чтобы воочию убедиться, что вода в капилляре может перемещаться под действием электрического поля проведем следующий эксперимент. Возьмем прозрачный  полиэтиленовый стержень от шариковой ручки, который заполнен водой. С торцов укрепим металлические электроды, на которые подадим напряжение. Наблюдаем следующую картину: у отрицательного электрода стекают капельки воды, а у положительного образуется воздушный пузырек.

uesi1

Рис.1. Распределение зарядов в капилляре круглого сечения, заполненном жидкостью и помещенном в электростатическое поле:

1 – твердый диэлектрик, например полиэтилен;  2 – двойной электростатический слой, ДЭС;  3 – диффузный слой;  4 – ось капилляра;

5 – положительный электрод; 6 – отрицательный электрод;  7 – направление движения диффузного слоя;  8 – форма сечения  диффузного слоя.

 

        Современные представления о механизме электроосмоса основаны на идее существования двойного электростатического слоя (ДЭС) на границе раздела жидкой и твердой фаз. ДЭС появляется на границе между внутренней поверхностью полого стержня и прилегающей к ней  поверхностью воды.    В     нашем случае  поверхностный слой воды заряжается положительно, а внутренняя поверхность полиэтиленового стержня – отрицательно  (рис.1).  Знак заряда, который получает поверхностный слой, определяется соотношением значений диэлектрической проницаемости материалов. ДЭС является неподвижным слоем. К поверхностному слою положительных ионов прилегает менее плотный  диффузный слой, который способен перемещаться под действием электрического поля к отрицательному электроду. При своем движении  этот слой в форме цилиндрической оболочки увлекает за собой силами сцепления ионно-молекулярные объемные комплексы (кластеры) и свободные молекулы воды. Следует отметить, что молекулы воды являются диполями, в следствии чего обладают электрическим моментом и в свободном состоянии  присутствуют в незначительном количестве.  Скорость движения диффузного слоя – оболочки определяет: движение противоположному заряду, отталкивание от одноименно заряженной поверхности и диаметр капилляра. В капиллярах определенного сечения  перемещения влаги происходит практически мгновенно.

         Теперь обратимся к изоляции ЭД. В процессе монтажа и эксплуатации в ней образуются микротрещины, имеющие различное сечение и направление, которые связаны между собой как сообщающиеся сосуды. На рисунке 2  представлена картина такого рода микротрещин в корпусной части изоляции при очень сильном увеличении.   Между обмотками и корпусом имеется несколько слоев изолирующих материалов, но мы это не учитываем  и считаем изоляцию монолитной. Видно, что капилляры имеют различную длину, сечение, направление,  некоторые из них являются сквозными.

 

                                              Токоведущая часть (обмотка из меди или алюминия)        

uesi2

Корпус (магнитопровод)

Рис.2. Структура микротрещин в корпусной части изоляции ЭД при сильном увеличении при отсутствии влаги.

Токоведущая часть (обмотка из меди или алюминия)        

uesi3

Корпус (магнитопровод)

 

                  Рис.3. Структура микротрещин  в корпусной части изоляции ЭД при сильном  увеличении   

                             при наличии влаги.

          На рисунке 3 изображен тот же участок изоляции, но только в увлажненном состоянии.

Вода имеет достаточно высокую проводимость. Заполненные влагой сквозные микротрещины превращаются в  короткозамыкающие мостики между медной обмоткой и корпусом. Сопротивление изоляции (Rиз) резко падает.

           Создадим в изоляции электрическое  поле. Источник тока следует подключить таким образом, чтобы обеспечить перемещение влаги от обмотки к корпусу. Для этого «плюс» подаем на обмотку, а «минус» - на корпус. Схема подключения устройства электроосмотической сушки (УЭСИ) по питающему электродвигатель кабелю приведена на рисунке 4.  

uesi4

                     Рис.4.  Схема подключения устройства  УЭСИ (в ЩУ) для сушки электродвигателя

                                  на месте его эксплуатации.                                   

                                 КМ – магнитный пускатель; QS- разъединитель

        Такое направление электрического поля обеспечит появление воздушного зазора у токоведущей части.   Картина аналогичная той, что имели в опыте с одиночным капилляром. Образовавшийся воздушный зазор разрывает короткозамыкающие мостики из воды и Rиз увеличивается. Распределение влаги в микротрещинах  на  рассматриваемом участке изоляции после воздействия электрического поля приведено на рисунке 5.

 

 

Токоведущая часть (медная обмотка)

           (+)

uesi5

                                                                                  (-)

                                                                      Стальной корпус

 

                       Рис.5. Распределение влаги в изоляции после электроосмотической сушки.

         Итак, мы имеем возможность убедиться, что создание электростатического  поля в увлажненной изоляции сопровождается увеличением  Rиз. Однако при таком характере электрического поля процесс роста Rиз идет медленно и в какой–то момент прекращается вовсе.   Необходимы мероприятия,  направленные на ускорение  движения влаги по микротрещинам-капиллярам. В первую очередь  необходимо разрушить кластеры, которые задерживают перемещение влаги по капиллярам, образуя «заторы» в наиболее узких местах.  Для этого необходимо накладывать на постоянное поле пульсирующее  с определенными параметрами импульсов.  В общем виде характер результирующего напряжения представлен на рис.6

uesi6

 

Рис.6. Форма напряжения  (в общем виде) для электроосмотической сушки изоляции  ЭД.

       Метод электроосмоса может быть использован как средство диагностики качества изолирующих  ЭД материалов. Мы выяснили, что микротрещины в изоляции можно рассматривать как сообщающиеся сосуды, из которых «откачивают» воду лишь наиболее «активные» капилляры определенного, очень малого сечения.  Если в изоляции превалируют крупные поры и трещины, заполненные водой, то активные капилляры, которых становится все меньше, не в состоянии справится со своей задачей. Наблюдается незначительный рост Rиз или его не происходит вовсе. Для эксплуатирующего персонала это является предупреждением: этот ЭД нуждается в профилактическом ремонте

         Метод электроосмоса может быть использован для сушки изоляции практически любого электрооборудования. Все дело в правильно определенных характеристиках электрического поля для разного типа электрических машин и их изменение по определенному закону в процессе роста Rиз.  

 Метод электроосмоса можно использовать для профилактического предупреждения проникновения влаги в толщу изоляции. На рисунке 7 приведена схема подключения устройства влагозащиты, которая позволяет работать в автоматическом режиме. При отключенных контактах магнитного пускателя в изоляции создается электрическое поле; при замыкании контактов магнитного пускателя один из них замыкает ВХод и ВЫХод устройства влагозащиты - напряжение в изоляции отсутствует.

uesi7

               Рис. 7. Схема подключения электроосмотического устройства влагозащиты изоляции ЭД .