ПРОВОД ОБМОТОЧНЫЙ ТЕРМОЖАРОСТОЙКИЙ
HIGH-TEMPERATURE WINDING WIRE

Изобретение относится к электротехническим материалам, в частности к конструкции терможаростойких обмоточных проводов, предназначенных для использования в составе пропитанных или компаундированных обмоток электрических машин (электромагнитных насосов), аппаратуры управления и других электротехнических изделий, используемых для эксплуатации при воздействии высоких температур и ионизирующего излучения, например, в атомных реакторах.
К электрическим машинам, независимо от сферы их применения, предъявляется ряд требований, соответствие которым определяет качество электрической машины. Одним из них является надежность. Надежность (ГОСТ 27.002-89) - это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения машины и условий ее эксплуатации может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств.
Основными техническими оценочными показателями долговечности являются ресурс и срок службы.
Под техническим ресурсом понимается наработка объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние. Срок службы - календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта определенного вида до перехода в предельное состояние.
Наиболее чувствительными элементами, в том числе и к нагреву электрических машин, являются электроизоляционные и токопроводящие материалы обмоток, от качества которых зависит допустимый уровень нагрева и срок службы.
Развитие современной техники, и в особенности энергонапряженных электрических машин, устройств и агрегатов, в частности электромагнитных насосов, связано с появлением более жестких условий эксплуатации и требований к обмоточным проводам и другим электротехническим материалам. Так, для обеспечения работы электромагнитных насосов, используемых для перекачивания жидких металлов в атомной, химической, металлургической промышленностях, необходимы терможаростойкие обмоточные провода, обладающие, прежде всего, стойкостью к воздействиям высоких температур (до 650°С) и циклических перепадов температур в течение всего срока службы изделия, а это, по существующим требованиям, до 50 лет.
В задаче формирования терможаростойких обмоточных проводов главные значения имеют материалы и конструкция токопроводящей жилы и изоляции. При этом важно обеспечить, в случае слоистой токопроводящей жилы (проводника) отсутствие взаимной диффузии элементов металлов, а также элементов материалов токопроводящей жилы в изоляцию и обратно.
Известно, что при воздействии высокотемпературной окружающей среды в ненагруженном и нагруженном состояниях происходит химическое разрушение поверхности проводника, проникающее вглубь материала и в изоляцию.
Понятно, что разрушение материала проводника, прежде всего, приводит к увеличению сопротивления и, как следствие, дополнительному нагреву, что еще больше ускоряет процесс разрушения.
При этом продукты деструкции проводника элементов материалов, а это, как правило, окислы и закись металлов, диффундируют в изоляцию (Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Витковский И.В., Титова А.С. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде // Электротехника. 1990. №12. С. 28-31).
В то же время органическая составляющая изоляции (патент на полезную модель РФ №116680 от 19.12.2011, свидетельство на полезную модель РФ №31463 от 06.02.2003) в процессе эксплуатации при высоких температурах (выше 300°С) и циклических перепадах температур претерпевает необратимые химические изменения, происходит разложение органических групп с выделением газов и образованием углеродсодержащего покрытия (сажи) на поверхности проводов.
Перечисленные процессы являются основной причиной пробоя изоляции, что в конечном итоге приводит к уменьшению технического ресурса и срока службы электрических машин, устройств или агрегатов.
Известен принимаемый за прототип провод обмоточный жаростойкий (свидетельство на полезную модель РФ №33256 от 10.06.2003), содержащий слоистую токопроводящую жилу, выполненную из медной проволоки с послойно гальванически нанесенным покрытием из железа и никеля, изолированную двумя слоями высокопрочных стеклонитей (волокон), послойно и поверхностно пропитанных органосиликатной композицией и лакированных кремнийорганическим лаком. Недостатками такого провода является то, что при воздействии высоких температур разрушается изоляция, оголяется поверхность токопроводящей жилы, происходит разрушение гальванически нанесенных железоникелевых слоев и основного материала проводника, что в конечном итоге приводит к существенному снижению срока службы и ресурса как обмоточного провода, так и обмотки изделия в целом.
Более подробно поясним процессы, происходящие при деструкции железоникелевого покрытия. Вначале рассмотрим процессы, происходящие при нормальных климатических условиях. Известно, что стандартный потенциал покрываемого металла - железа - "- 0,44 В" - более электроотрицательный, чем у никеля - "- 0,25 В". Поэтому при эксплуатации изделий с гальваническим никелевым пористым слоем, в результате его контакта с атмосферной влагой, а также наличия в изоляции «связанной воды» и ее проникновения в поры защитного слоя, железо, имеющее более электроотрицательный потенциал, чем никель, будет «служить» анодом и растворяться в порах слоя (корродировать). В результате, несмотря на собственную высокую коррозионную стойкость, никелевые покрытия, фактически, не обладают защитной способностью по отношению к покрытым железосодержащим деталям - они не защищают железное покрытие от растворения (коррозии), а следовательно, не защищают и токопроводящую жилу, которая разрушается даже при невысоких температурах. При этом необходимо помнить, что в условиях воздействия высоких температур и ионизирующего излучения, что имеет место при эксплуатации изделий в атомных реакторах, процессы деструкции провода происходят более интенсивно (Витковский И.В., Неверов В.Α., Ревякин Ю.Л. и др. Влияние теплового и радиационного воздействия на свойства проводниковых материалов на основе меди // Атомная энергия. 1991. Т. 71. Вып. 5. С. 455-458).
Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы провода обмоточного терможаростойкого путем повышения его термической стабильности.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в проводе обмоточном терможаростойком, содержащем элементы материалов изоляции, выполненной на основе волокон и связующего, и слоистой токопроводящей жилы, включающей основу и защитную оболочку, изоляция содержит армированное волокном фосфатное связующее, между ней и защитной оболочкой расположен антиадгезионный слой, а между защитной оболочкой и основой размещен антидиффузионный слой, причем толщины антиадгезионного и антидиффузионного слоев больше удвоенной максимальной величины межатомного расстояния элементов материалов.
Для достижения заявляемого технического результата необходимо соблюдение совокупности вышеперечисленных признаков. Действительно, понятно, что только при выполнении всех заявляемых признаков не будет как взаимного проникновения элементов материалов (ионов) в смежные слои, так и разрывов изоляции из-за разных величин коэффициентов линейного расширения материалов токопроводящей жилы и изоляции, что в основном и определяет срок службы терможаростойких обмоточных проводов (Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Витковский И.В., Титова А.С. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде // Электротехника. 1990. №12. С. 28-31).
На фиг. 1 приведен пример конструкции провода обмоточного терможаростойкого, который, однако, не является единственным решением, но наглядно демонстрирует возможность достижения заявляемого технического результата. Провод обмоточный терможаростойкий образован слоистой токопроводящей жилой, включающей основу 1, выполненную, например, из меди, марки М0б, или хромо-ниобиевой бронзы на основе меди, марки БрХНб 0,4-0,25, защитную оболочку 2, выполненную из коррозионно-стойкой стали типа 12Х18Н10Т, между основой и защитной оболочкой расположен антидиффузионный слой 3, включающий оксидную пленку и, например, тальк. Данный слой препятствует взаимной диффузии металлов, образующих защитную оболочку и основу токопроводящей жилы.
Заметим, что взаимная встречная диффузия на границах металлических слоев идет в направлении выравнивания концентраций и, в конечном счете, приводит к наиболее характерному виду высокотемпературного разрушения металлических слоев - рассасыванию. Рассасывание слоев может быть заторможено барьерным промежуточным слоем и путем связывания быстродиффундирующих элементов в прочные соединения, чему и служит антидиффузионный слой.
Между защитной оболочкой 2 и изоляцией 4, выполненной, например, из алюмофосфатного связующего, армированного стеклянными волокнами (стеклонитями), расположен антиадгезионный, оксидно-фосфатный слой 5.
Как известно, фосфатные связующие являются одними из самых термостойких клеящих систем, способных работать при 1000°С и выше (Петрова А.П. Термостойкие клеи. М., Химия. 1977). Технология формирования покрытий и составов из них чрезвычайно сложна, так как они чувствительны к чистоте и способу подготовки поверхности, температурному режиму отверждения.
Оксидное покрытие коррозионно-стойкой стали в сочетании с фосфатным связующим является антиадгезионным слоем для изоляции провода обмоточного терможаростойкого, образованной, например: алюмофосфатным связующим, армированным волокнами (стеклонитями). Кроме того, фосфатное связующее одновременно выполняет функции клея для склеивания между собой волокон, в частности стекловолокон, и дополнительной изоляции. При этом, благодаря наличию антиадгезионного слоя сохраняется целостность изоляции при термических расширениях (удлинениях) токопроводящей жилы.
Кроме того, подчеркнем, что только при указанных в отличительной части изобретения толщинах антиадгезионного и антидиффузионного слоев не будет взаимного проникновения элементов смежных материалов (ионов) провода обмоточного термостойкого.
В подтверждение сказанного, ниже приведены результаты экспериментальных исследований терможаростойкого провода и слоистой токопроводящей жилы.
На фиг. 2 приведен дифференциально-термический анализ изоляции, содержащей армированное стеклянным волокном фосфатное связующее, в интервале температур до 900°С, подтверждающий стабильность изоляции во всем исследуемом температурном диапазоне, так как на кривой DTG видно, что первый эндотермический пик, связанный с испарением воды, происходит в диапазоне температур 80-100°С, далее с повышением температуры изоляции эндотермических и экзотермических пиков не наблюдается, что свидетельствует об отсутствии процессов деструкции.
На фиг. 3 приведены изображения электронной микроскопии поперечного сечения провода обмоточного терможаростойкого с антидиффузионным слоем. Здесь: a, b - до термостарения; с, d - после термостарения при 650°С в течение 2500 ч. Представленные результаты свидетельствуют, что в результате термостарения не произошло взаимодиффузии материалов основы и защитной оболочки, также как и защитной оболочки в изоляцию.
На фиг. 4 а), b) приведены изображения электронной микроскопии слоистой токопроводящей жилы, в которой материал основы - медь, материал защитной оболочки – коррозионно-стойкая сталь, а на фиг. 4с) концентрационные зависимости распределения меди в защитной оболочке в зоне антидиффузионного слоя, толщина которого меньше удвоенной максимальной величины межатомного расстояния элементов материалов основы и оболочки. Приведенные данные свидетельствуют о том, что при термостарении даже при температуре 500°С в течение 707 ч уже имеет место диффузия основного элемента материала основы (меди) в защитный слой токопроводящей жилы, что, в случае длительного термостарения такой конструкции токопроводящей жилы обмоточного провода, приведет к сквозному проникновению меди через защитную оболочку и дальнейшей диффузии меди или ее закислов и окислов в изоляцию и, в конечном счете, к сокращению срока службы и выходу из строя провода обмоточного (Бородулина Л.К., Ваксер Н.М., Витковский И.В., Титова А.С. Особенности термостарения обмоток электромагнитных насосов при высоких температурах в воздушной среде // Электротехника. 1990. №12. С. 28-31).
Вышеприведенные данные, представляющие частный вариант совокупности заявляемых признаков провода обмоточного терможаростойкого, содержащего элементы материалов изоляции, выполненной на основе волокон и связующего, и слоистой токопроводящей жилы, включающей основу и защитную оболочку, отличающийся тем, что изоляция содержит армированное волокном фосфатное связующее, между ней и защитной оболочкой расположен антиадгезионный слой, а между защитной оболочкой и основой размещен антидиффузионный слой, причем толщины антиадгезионного и антидиффузионного слоев больше удвоенной максимальной величины межатомного расстояния элементов материалов.