ШИНА СТАТОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель относится к области электротехники и электромашиностроения и может быть использована в электрических машинах, в частности в конструкциях шин статора турбогенератора.
Согласно опыту эксплуатации, к числу наиболее повреждаемых элементов конструкции статоров электрических машин входят шины.
Известно, что магнитные силы, действующие между ротором и статором электрической машины, вызывают вибрацию сердечника статора, которая передается на шины статора, что является причиной их повреждения.
В настоящее время проблеме надежности и предотвращения повреждений оборудования в электроэнергетике уделяется большое внимание. Связь повреждений шин с вибрацией рассматривается в статье Шумилова Ю.А. и Штогрина А.В. «Уменьшение повреждаемости статоров мощных турбогенераторов, вызванных в торцевой зоне (анализ, гипотезы, эксперименты)» (Журнал «Електртехнiка i Електромеханiка», 2014, №1, стр. 37-39). Согласно результатам экспериментальных исследований вибраций, проведенных авторами статьи на турбогенераторе третьего блока Южно-украинской АЭС, ряд шин совершают вынужденные колебания на частотах 100, 200, 300 и других частотах, кратных 100 Гц. Наиболее интенсивные колебания (вибрация) происходят на частоте 100 Гц.
Известно, что для снижения вибрации применяются вибропоглощающие материалы, которые накладываются в виде покрытий и закрепляются на поверхности конструкции (детали), испытывающей повышенный уровень вибрационных нагрузок.
Основные понятия и факторы, определяющие поглощение (демпфирование вибраций), приведены в ГОСТ 24346-80 «Вибрация. Термины и определения». Под уменьшением вибрации понимают уменьшение значений каких-либо определенных величин, характеризующих вибрацию. Демпфирование вибрации обусловлено действием диссипативной силы, которая возникает при движении механической системы и вызывает рассеивание механической энергии. Рассеивание механической энергии обусловлено переходом ее в тепло. В основном демпфирование колебаний обусловлено внутренним трением. Внутреннее трение в материалах имеет различную физическую природу, в полимерах оно обусловлено преодолением сил молекулярного взаимодействия.
Полимерные материалы, внутреннее трение которых в десятки раз превышает трение обычных электроизоляционных материалов, получили название вибропоглощающих материалов, в качестве примеров таких материалов, можно назвать резины, каучуки, слоистые материалы на их основе.
Одним из показателей демпфирующих свойств или уровня вибропоглощения является коэффициент механических потерь , который зависит от температуры и частоты колебаний.
В известных и широко применяемых для изоляции шин электроизоляционных материалах, например, стеклослюденитовой изоляции на термореактивном связующем, внутреннее трение обычно невелико, поэтому они слабо поглощают вибрацию.
Известна конструкция шины статора электрической машины (турбогенератора), которая содержит медный проводник, покрытый корпусной изоляцией, например, стеклослюденитовой изоляцией на термореактивном связующем. (Технология крупного
электромашиностроения: В 3 т. Т.1. Б.Г. Циханович, Б.П. Фомин. Турбогенераторы. - 3-е изд., пераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989., стр. 124, 174 - 182). Медный проводник может быть выполнен любого сечения, поскольку для изготовления проводников применяются полосы электротехнической меди прямоугольного, прямоугольно-пустотелого (полого), круглого или кольцевого сечений. Шина на концах имеет участки, предназначенные для ее крепления, например, в шинодержателе или кронштейне. Недостатком известной конструкции является высокая повреждаемость шин в условиях эксплуатации. Повреждаемость шин связана с тем, что при работе электрической машины шины статора подвергаются постоянной вибрации, но, поскольку известная конструкция шины имеет ограниченную механическую прочность, то при высоком уровне вибрационного воздействия, происходит разрушение проводника, возникновение разрушительного электродугового процесса и выход из строя электрической машины.
Технический результат, на который направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении эксплуатационной надежности шины статора электрической машины за счет снижения уровня ее вибрации.
Указанный технический результат достигается тем, что шина статора электрической машины содержит медный проводник, покрытый корпусной изоляцией, например, стеклослюденитовой изоляцией на термореактивном связующем. Шина имеет участки, предназначенные для ее крепления, например, с помощью шинодержателя или кронштейна. Между участками, предназначенными для крепления шины, поверх корпусной изоляции имеется дополнительный слой вибропоглощающего полимерного материала.
Поскольку, согласно расчетам, температура поверхностей шин, покрытых корпусной изоляцией, мощного турбогенератора находится в диапазоне от 40°С до 80°С и требуется вибрационная отстройка от возникающих колебаний с частотой 100 Гц, то для лучшего достижения технического результата целесообразно, чтобы вибропоглощающий полимерный материал имел коэффициент механических потерь не менее 0,01 при температуре от 40°С до 80°С и частоте 100 Гц.
Новым в заявляемой полезной модели является то, что шина статора, помимо выполнения основной функции по передаче тока, поглощает энергию вибрации, возникающую при работе электрической машины, за счет покрытия шины между участками, предназначенными для ее крепления, поверх корпусной изоляции слоем вибропоглощающего полимерного материала. Слой вибропоглощающего материала может быть нанесен и на всю поверхность шины, но минимально он должен быть нанесен на участки шины, расположенные между участками крепления, поскольку такое размещение вибропоглощающего материала дает наибольшую эффективность.
Предложенная конструкция поясняется следующими графическими материалами: на фиг. 1 представлена конструкция шины со слоем вибропоглощающего полимерного материала на примере соединительной шины статора турбогенератора; на фиг. 2 показан график температурной зависимости коэффициента механических потерь вибропоглощающего полимерного материала ВТП-1В, выбранного в качестве примера, в условиях сдвигового нагружения при частоте 100 Гц; на фиг. 3 приведена зависимость изменения приведенной максимальной амплитуды колебания шины от толщины вибропоглощающего полимерного материала.
Шина, как соединительная, так и выводная, содержит медный проводник 1. Проводник 1 выполнен, например, круглого сечения и полым. Проводник 1 покрыт корпусной изоляцией 2. Корпусная изоляция 2 может представлять собой стеклослюденитовую изоляцию на термореактивном связующем. Например, слои стеклослюденитовой ленты типа ЛСКН-160-К-233-ТТ, пропитанные термореактивным связующим, например, компаундом ЭПК-223. Количество слоев изоляционной ленты рассчитывается в зависимости от величины напряжения. Конкретные примеры числа слоев (толщины изоляции) в зависимости от величины напряжения приведены в книге В.В. Титов, Г.М. Хуторецкий, Г.А. Загородная и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция, Л., Энергия, 1967, стр. 182. На шину поверх корпусной изоляции наносят, по меньшей мере, один слой вибропоглощающего полимерного материала 3.
В качестве вибропоглощающего полимерного материала 3, например, можно применить материал ВТП-1В, выпускаемый ФГУП «ВИАМ» по ТУ 1-595-9-771-2004. Согласно приведенной на фиг. 2 зависимости, коэффициент механических потерь материала ВТП-1В зависит от температуры и частоты колебаний. (Информация по свойствам материала ВТП-1В и зависимость коэффициента механических потерь материала ВТП-1В от температуры в условиях сдвигового нагружения при частоте 100 Гц приведена в статье Ю.В. Сытого, В.А. Сагомоновой, В.И. Кисляковой, В.А. Большакова «Вибропоглощающие материалы на основе термоэластопластов», Журнал «Труды ВИАМ», №3, 2013). Вибропоглощающий листовой материал ВТП-1В получают на основе термоэластопласта со специальными добавками, повышающими атмосферостойкость и пожаробезопасность. Материал ВТП-1В рекомендуется для применения в качестве вибродемпфирующего (вибропоглощающего) материала для работы в диапазоне температур от -60°С до 80°С.
Согласно графика на фиг. 2 коэффициент механических потерь вибропоглощающего полимерного материала ВТП-1В при температуре от 40°С до 80°С в условиях сдвигового нагружения при частоте 100 Гц находится в пределах от 0,17 до 0,1. Для сравнения коэффициент механических потерь стеклослюденитовой изоляции на термореактивном связующем, которая по своим механическим свойствам близка к стеклотекстолиту, составляет 0,004-0,008.
Слой вибропоглощающего полимерного материала 3 может быть закреплен на наружной поверхности слоя корпусной изоляции, например, стеклослюденитовой изоляции на термореактивном связующем, с помощью клея холодного отверждения ПУ-2 (ПИ 1.2.339-87) или ВК-27 (ПИ 1.2А. 145-99).
В качестве вибропоглощающего полимерного материала 3 для электрических машин, к которым применяются не такие жесткие требования по температуре и частоте, как к мощным турбогенераторам, например, могут быть применены резины, каучуки, слоистые материалы на их основе.
Толщина слоя (количество слоев) вибропоглощающего полимерного материала 3 выбирается из технологических особенностей конструкции и рассчитывается в зависимости от изменения максимальной амплитуды колебания шины. На фиг. 3 приведена зависимость изменения приведенной максимальной амплитуды колебания шины от толщины вибропоглощающего полимерного материала 3 (ВТП-1В), полученная авторами на основании серии расчетных исследований для частоты колебаний 100 Гц.
Вибропоглощающий материал 3 может быть нанесен, как на стадии изготовления шины, так и после сборки статора турбогенератора. При этом участки шины, используемые для крепления (с помощью шинодержателей, кронштейнов и т.п.), для обеспечения необходимой жесткости опорных узлов могут быть оставлены свободными от слоя вибропоглощающего полимерного материала 3.
При работе электрической машины происходит вибрация сердечника статора. Вибрация от сердечника статора передается на шины. При близости частоты вибрационных колебаний (вынуждающей силы) с одной из собственных частот шины вибрация может достичь величин, при которых надежность подавления вибрации не может быть обеспечена. Благодаря тому, что на шину нанесен слой вибропоглощающего полимерного материала 3, амплитуда вынужденных колебаний шины уменьшается. Это происходит за счет того, что возникающая в вибропоглощающем полимерном материале 3 диссипативная сила вызывает рассеивание механической энергии, обусловленное переходом механической энергии в тепло за счет внутреннего трения вибропоглощающего полимерного материала 3.
Таким образом, эксплуатационная надежность шины статора электрической машины может быть существенно улучшена за счет нанесения на наружную поверхность шины слоя вибропоглощающего полимерного материала.