СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MANUFACTURING OF ELECTRICAL ARTICLES AND INSTALLATION FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к изготовлению электротехнических изделий, например крупногабаритных обмоток силовых трансформаторов, основанному на вакуумной пропитке их полимерными составами и сушке с использованием вакуума.
Известен вакуумно-нагнетательный способ пропитки лаком по патенту РФ № 2192702 (МПК H02K 15/12), который реализуется путем пропитки в вакууме нагретых обмоток статора лаком в герметично закрытой внутренней полости станины статора. Затем проводят вакуумирование обмотки статора, с последующим повышением давления до 0,3 МПа.
Недостатком данного способа является ограниченная область применения. Его нельзя напрямую применить для пропитки обмоток трансформатора, так как элементы обмотки, подлежащие пропитке, находятся вне силового сердечника. Автоклав для пропитки крупногабаритных обмоток (диаметром до 2 метров и высотой до 3 м) является дорогостоящим оборудованием. Автоклав таких габаритов, работающий под давлением, подлежит регистрации в органах Госгортехнадзора, что увеличивает затраты на его эксплуатацию.
В патенте РФ № 2199810 (МПК РФ H02K 5/12, F26B 9/06) представлена установка для сушки электротехнических изделий, в том числе крупногабаритных, в которой размещены нагреватели, вентилятор, канал рециркуляции воздуха, заслонки и устройства автоматической регулировки. Рециркуляция горячего воздуха проводится изменением положения заслонок в воздуховодах, которые определяют количество горячего воздуха с парами растворителей, выбрасываемого в вытяжную вентиляцию.
Основным недостатком данной установки является то, что допустимая концентрация паров растворителей в камере сушки обеспечивается выбросом насыщенного парами растворителей воздуха в вентиляционную систему, что приводит к невозвратным потерям растворителей и ухудшает экологические характеристики установки.
Известен способ изготовления электротехнических изделий, описанный в патенте РФ № 2231196 (МПК H02K 15/12), в котором процессы нагрева, пропитки, дегазации, сушки, полимеризации осуществляют в вакууме в изолированных от атмосферы аппаратах, причем импульсное вакуумирование проводят циклами - ступенчато с использованием быстродействующих клапанов, трубопровода и ресивера, расчетное давление в котором устанавливают таким образом, чтобы оно обеспечило при каждом цикле в каждом аппарате давление меньше равновесного давления паров растворителя при данной температуре.
Установка, реализующая этот способ, в патенте РФ № 2231196 (МПК H02K 15/12), состоит из обогреваемых, изолированных от атмосферы аппаратов (для лака, пропитки изделия лаком, сушки изделий), связанных с ресивером и вакуумным насосом. Через быстродействующие клапаны и трубопровод проводят цикличное импульсное вакуумирование в аппаратах установки. Для нагрева аппарата сушки используют высокотемпературную жидкость АМТ-300 с температурой 225-250°C.
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является то, что при сушке лака в вакууме не обеспечивается необходимая цементирующая способность лакового покрытия из-за малой степени полимеризации твердого остатка лака. Полимеризация лака интенсифицируется молекулами кислорода, которые диффундируют из окружающей среды в лак. В вакууме концентрация молекул кислорода мала и это приводит к уменьшению скорости и степени полимеризации лака. Нагрев пропитанных изделий при сушке за счет теплопередачи (при пониженном давлении в основном тепловым излучением) от стенок аппарата с температурой выше 225°C не обеспечивает равномерного прогрева изделий в виде многослойных (с зазорами между слоями) обмоток трансформаторов. Возможен перегрев наружных слоев обмотки выше 120°C, что недопустимо для изоляции целлюлозных материалов, так как это приводит к ускоренному тепловому старению изоляции и сокращает срок службы трансформатора.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению способом, выбранным в качестве прототипа, является способ, изложенный в патенте РФ № 2138899 (МПК H02K 15/12, H01F 41/02). По данному способу перед пропиткой пропиточный материал и изделия (после их прогрева) изолированно друг от друга дегазируют в вакуум-импульсном режиме при остаточном давлении 0,1-13,3 кПа (0,7-100 мм рт.ст.). Пропитку лаком изделий проводят при нагреве лака, например для широко применяемого в электротехнической отрасли лака МЛ-92, до температуры не ниже 70-75°C с использованием 3-5 циклов импульсного набора вакуума до 0,1-13,3 кПа и сброса его до атмосферного давления.
Пропитанные лаком МЛ-92 изделия нагревают при атмосферном давлении в течение 1,5-2,0 часов до 110-130°C с последующим 3-5 кратным циклом импульсного вакуумирования при остаточном давлении 0,1-13,3 кПа (0,75-100 мм рт.ст.) с выдержкой в течение 5-10 минут.
Недостатком способа-прототипа является то, что при сушке пропитанных изделий по предлагаемому способу после их прогрева в течение 1,5-2,0 часов на поверхности лака происходит образование пленки. Проведение после прогрева скоростных импульсных вакуумных воздействий приводит к образованию пузырьков паров растворителей (особенно в толстом слое лака), часть из которых не может преодолеть поверхностную пленку и придает слою лака пористую структуру, что снижает его механическую прочность и цементирующую способность, приводит к снижению качества пропитки. Кроме того, при предлагаемых условиях подготовки лака и пропитке им изделий при температуре 70-75°C и давлении 0,75-100 мм рт.ст. основные растворители лака МЛ-92 бутанол и ксилол кипят. Особенно интенсивное кипение происходит при наличии центров парообразования. Эти центры образует остаточный воздух, выходящий из пор целлюлозной изоляции обмотки силового трансформатора, сама мелкоструктурированная поверхность изоляции (бумага, картон). Кипение растворителей на границе раздела двух фаз (жидкой и твердой) приводит к снижению качества пропитки, так как воздух в порах изоляции замещается парами растворителей, а уменьшение массовой доли растворителей повышает вязкость лака в локальной области - около поверхности изоляции. Все это препятствует проникновению лака в поры изоляции, что снижает качество пропитки.
Прототипом к установке, реализующей предлагаемый способ, является установка для пропитки и сушки электротехнических изделий по патенту РФ ПМ № 7558 МПК H02K 15/12.
Установка содержит обогреваемые вакуумные аппараты для нагрева и дегазации (подготовки) пропиточного материала, пропитки изделий, сушки и полимеризации пропитанных изделий, соединенные через быстродействующие клапаны посредством вакуумных трубопроводов с ресивером и насосом, атмосферой. Перед ресивером расположены каплеуловитель, теплообменники-конденсаторы. После ресивера расположен вакуумный насос.
Подготовку лака и изделия к пропитке, пропитку изделия, сушку пропитанного лаком изделия проводят в соответствующих аппаратах в режиме импульсного вакуумирования при помощи ресивера и быстродействующих клапанов. Объем ресивера превышает не менее чем в 10 раз объем каждого из аппаратов.
Недостатком работы установки является то, что она допускает унос лака из аппаратов, который, пройдя через соответствующий быстродействующий электроклапан, собирается в каплеуловителе лака. Регулярное попадание лака (с последующим высыханием) в быстродействующие электроклапаны уменьшает ресурс работы этих дорогостоящих устройств. Поэтому требуется регулярная промывка электроклапанов, следовательно, их демонтаж.
Предложенная компоновка установки не может обеспечить полноту улавливания паров растворителей, так как теплообменники-конденсаторы расположены перед ресивером, то время пребывания в них смеси паров растворителей в воздухе, выходящей из аппаратов, менее 0,1 секунды - скоростное вакуумирование должно обеспечить достижение давления в аппаратах менее 100 мм рт.ст. за время не более 0,1 с, то есть выравнивание давления в аппарате и в ресивере (следовательно в теплообменнике-конденсаторе) должно происходить за 0,1 с. Кроме того, процесс конденсации паров растворителей проходит при вакууме, поскольку в течение всего времени работы установки давление в теплообменнике-конденсаторе и в ресивере находится в пределах от 0,7 до 100 мм рт.ст. Таким образом, учитывая малое время процесса охлаждения и значительное уменьшение из-за пониженного давления теплопроводности смеси паров растворителей с воздухом, теплообменник-конденсатор должен иметь большую поверхность теплообмена (в сотни раз большую, чем для типовых теплообменных аппаратов) для получения полноты улавливания паров растворителей.
Все это приводит к неудовлетворительным эксплуатационным характеристикам установки и затрудняет выполнение экологических требований.
Технической задачей изобретения является создание условий для изготовления электротехнических изделий без дефектов, характерных для способа-прототипа, а также установки, удобной для эксплуатации, соответствующей нормам промсанитарии, экологии и пожаровзрывобезопасности.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления электротехнических изделий, включающем нагрев лака и его дегазацию, вакуумирование изделия, его пропитку лаком и сушку в режиме цикличного скоростного вакуумного воздействия со сбросом вакуума до атмосферного давления, вакуум-импульсное воздействие при сушке изделия осуществляют после его предварительного нагрева до температуры не ниже температуры насыщенных паров растворителя и давления, создаваемого вакуумным импульсом, а в конце каждого цикла проводят обдув изделия горячим воздухом с температурой до 120°C, причем нагрев, дегазацию лака и пропитку изделия лаком проводят при температуре не более 50°C и давлении не ниже 13 кПа.
Для исключения попадания паров растворителей в атмосферу перед извлечением изделия после пропитки или сушки проводят его вакуумную продувку атмосферным воздухом.
Для реализации данного способа в установку для изготовления электротехнических изделий, включающую обогреваемые вакуумные аппараты подготовки лака, пропитки изделий лаком, сушки и полимеризации изделий, соединенные через быстродействующие клапаны посредством системы вакуумных трубопроводов с ресивером, насосом, атмосферой, и теплообменники-конденсаторы, дополнительно введены теплообменник-регенератор тепла и установка нагрева воздуха, соединенная последовательно по замкнутому контуру трубопроводами с запорной арматурой с аппаратом сушки и полимеризации лака, теплообменником-регенератором и с одним из теплообменников-конденсаторов, а второй теплообменник-конденсатор установлен после вакуумного насоса.
Установка может быть дополнительно снабжена аппаратом охлаждения изделий после их сушки и полимеризации.
Установка может быть снабжена дополнительно одним или несколькими аппаратами сушки и полимеризации, установленными параллельно, при условии, что время сушки и полимеризации превышает время пропитки.
Предлагаемые режимы способа и условия его осуществления позволяют исключить дефекты, присущие способу-прототипу и тем самым повысить качество изделий путем увеличения цементирующей способности лаковой пленки. Термоокислительный процесс полимеризации лака в аппарате сушки интенсифицируется за счет обдува пропитанного изделия горячим (с температурой до 120°C) воздухом, обеспечивая тем самым постоянный сдув с поверхности лака паров растворителей и приток новых порций воздуха, кислород из которого диффундирует в лак.
Давление и температуру в аппаратах подготовки лака и пропитки изделий устанавливают таким образом, чтобы исключить интенсивное кипение растворителей лака на границе раздела жидкой, твердой фаз и, следовательно, возможность ценообразования: давление выше 13,3 кПа (100 мм рт.ст.), температура до 50°С.
Выполнение требований по экологии, промышленной санитарии обеспечивается тем, что поток горячего воздуха закольцован, а для обеспечения в нем концентрации паров растворителей ниже допустимых по нормам пожаровзрывобезопасности насыщенный парами воздух охлаждается до температуры не выше 10°C.
Благодаря применению теплообменника-конденсатора содержание паров растворителей лака в воздухе в аппарате сушки, полимеризации и по всему тракту движения горячего воздуха не превышает допустимого порога по пожаровзрывобезопасности. Утилизация тепла в теплообменнике-регенераторе снижает энергозатраты на сушку изделия.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана блок-схема установки для реализации способа пропитки обмоток электротехнических изделий лаком, его сушки и полимеризации.
В состав установки входят герметичные аппараты: подготовки лака (АПЛ) 1, пропитки (АПР) 2, сушки лака (АСЛ) 3, охлаждения обмотки (АО) 4. Все аппараты имеют «рубашки» для обогрева стенок теплоносителем с температурой 50-80°C - АПЛ 1 и АПР 2, теплоносителем с температурой до 120°C - АСЛ 3 и охлаждения водой с температурой до 10°C - АО 4. На аппаратах установлены запорные механические вентили и вакуумные клапаны с электромеханическим приводом, а также термопары, датчики давления.
Установка снабжена теплообменником - регенератором 9 и установкой нагрева воздуха 8.
АЛЛ 1, АПР 2 и АСЛ 3 соединены с ресивером 5 вакуумными быстродействующими клапанами с электромагнитными приводами и вакуумпроводом. Откачка ресивера производится вакуумным насосом 6, выхлоп из которого поступает в теплообменник-конденсатор 7, где происходит окончательное улавливание паров растворителей лака.
Из установки нагрева воздуха 8 в АСЛ 3 подается горячий воздух с температурой до 120°C, поток которого «закольцован»: после АСЛ 3 воздух поступает в первую полость теплообменника-регенератора 9, далее в теплообменник-конденсатор 10, из него для предварительного нагрева проходит через вторую полость теплообменника-регенератора 9 и далее на вход установки нагрева воздуха 8.
Для нагрева аппаратов и установок используется пар, который подается в установку нагрева теплоносителей 11, где с помощью паровых инжекторов получают теплоноситель (вода, масло или пар) с заданной температурой.
Для ускоренного охлаждения изделий АО 4 продувается воздухом, который может предварительно охлаждаться.
Для получения холодного теплоносителя (вода или антифризы) используется чиллер.
Насос 12 интенсифицирует нагрев лака от стенок в АПЛ 1 и обеспечивает смешение растворителя или новой порции лака, добавляемых в АПЛ 1.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. АПЛ 1 с помощью вакуума заполняется лаком и растворителем (при необходимости) при работающем насосе 12 и включенном обогреве - подаче теплоносителя в «рубашку». В процессе вакуумной закачки и нагрева лака происходит его дегазация.
В АПР 2 прогретый до температуры 50°C устанавливается обмотка трансформатора. Обмотка подается из заводской камеры сушки с температурой 45-55°C при влажности изоляции менее 1,5%. Масса обмотки до 2,5 тонн.
После герметизации АПР 2 производится его скоростное вакуумирование подключением на 5 мин к предварительно откаченному до 1 мм рт.ст. ресиверу 5 для удаления адсорбированной воды.
Перелив лака из АПЛ в АПР.
Соединить АПЛ 1 с трубопроводом подачи горячего воздуха (для сброса вакуума), отключить насос 12 и открыть клапаны, соединяющие АПЛ 1 и АПР 2. За счет перепада давления лак поступает в АПР 2. Контроль окончания перелива лака по уровнемеру на АПР 2.
Пропитка обмотки лаком.
После закачки лака в АПР 2 перекрываются клапаны, соединяющие его с АПЛ 1 и с ресивером 5. Открытием клапана на линии подачи воздуха в АПР 2 сбрасывается вакуум и проводится выдержка при атмосферном давлении в течение 10 мин.
Скоростным вакуумированием сбрасывается давление в АПР 2 до 100 мм рт.ст.(автоматический контроль по датчику давления), закрывается клапан на вакуумпроводе и выдерживается в течение 5 мин. Открытием клапана на линии подачи воздуха в АПР 2 сбрасывается вакуум и проводится выдержка при атмосферном давлении в течение 10 мин. Данная операция выполняется два раза.
Выбранные уровни вакуума - давление не ниже 100 мм рт.ст. (13.3 кПа) и температуры - не более 50°C обеспечивают проведение процесса пропитки изделия лаком без интенсивного парообразования растворителей лака на границе раздела жидкой (лак) и твердой (изоляция обмотки) фаз. Это сокращает время пропитки и исключает ценообразование в АПР 2, тем самым устраняет необходимость применения дополнительных устройств - каплеуловителей лака, что удешевляет стоимость установки.
При открытых клапане на линии подачи воздуха в АПР 2 и клапане, соединяющем АПР 2 и АПЛ 1, открывается клапан на вакуумпроводе к АПЛ 1 и выполняется слив лака из АПР 2. Контроль окончания слива лака по нижнему уровнемеру на АПР 2. Для уменьшения времени слива лака его перекачку можно проводить при включенном насосе 12.
Далее выполняется вакуумный отжим излишков лака на обмотке. Скоростным вакуумированием сбрасывается давление в АПР 2 до 100 мм рт.ст., закрывается клапан на вакуумпроводе и выдерживается в течение 5 мин. Открытием клапана на линии подачи воздуха в АПР 2 сбрасывается вакуум и проводится выдержка при атмосферном давлении в течение 10 мин. Данная операция выполняется два раза.
После отжима лака АПР 2 вакуумируется на 0,5 мин, заполняется воздухом и открывается для выгрузки пропитанной обмотки и загрузки новой.
Сушка и полимеризация лака в АСЛ.
В АСЛ 3 с предварительно прогретыми стенками до ~120°C устанавливают пропитанную обмотку и закрывают крышку.
Для ускорения нагрева обмотки и повышения степени полимеризации лака в АСЛ 3 подается воздух, нагретый до температуры ~120°C. По перепаду температур входящего и выходящего из АСЛ 3 воздуха оценивается температура нагрева обмотки.
При нагреве обмотки до температуры 70-80°C перекрываются клапана на трубопроводах подачи и выхода горячего воздуха и производится скоростное вакуумирование АСЛ 3. Давление в АСЛ 3 снижается до 100 мм рт.ст.(ниже давления насыщенных паров для основных растворителей лака МЛ-92 - ксилола, бутанола в данном диапазоне температуры) и происходит интенсивное испарение растворителей лака.
После выдержки вакуума в АСЛ 3 в течение 15 мин продолжается нагрев изделия и сушка лака горячим воздухом: открываются клапаны на линиях его выхода и подачи в АСЛ 3. При достижении температуры обмотки 80-90°C повторяются вышеописанные операции: скоростное вакуумирование и выдержки при вакууме.
Далее сушка горячим воздухом продолжается до достижения температуры обмотки ~115-120°C и выдержки при этой температуре до 4-х часов.
Перед извлечением обмотки из АСЛ 3 проводится его продувка атмосферным воздухом: одновременно отрываются клапаны подачи воздуха и на вакуумпроводе. После сброса вакуума в АСЛ 3 открывается крышка и извлекается обмотка. Высушенная обмотка для охлаждения устанавливается в АО 4.
Охлаждение обмотки в АО.
Охлаждение обмотки в АО 4 происходит за счет поглощения тепла стенками аппарата, охлаждаемыми теплоносителем в «рубашке» до 8-10°C и обдувом холодным воздухом. Температура обмотки определяется по температуре выходящего из АС 4 воздуха.
Время охлаждения обмотки массой ~2,5 тонны до температуры 50-55°C не более 2 часов.
Экология, взрывобезопасность, энергосбережение.
Для уменьшения выбрасываемых в атмосферу паров растворителей, относящихся к 3 и 4 классу токсичности, выхлоп паровоздушной смеси из вакуумных насосов охлаждается в теплообменнике-конденсаторе 7, где ее температура снижается ниже 10°C, пары растворителей конденсируются и утилизируются - после фильтрации поступают в АПЛ 1.
Наибольшее количество паров растворителей лака в процессе сушки обмотки уносится с горячим воздухом, используемым для ее нагрева в АСЛ 3. В целях предотвращения попадания паров растворителей в рабочую зону и в атмосферу поток воздуха закольцован. Для исключения образования в процессе сушки обмотки пожаровзрывоопасной смеси паров растворителей лака с воздухом выходящий из АСЛ 3 воздух с парами охлаждается в теплообменнике-конденсаторе 10 до температуры ниже 10°С. Концентрация паров растворителей в воздухе, определяемая давлением насыщенных паров растворителей при такой температуре, находится вне диапазона (меньше нижнего значения) концентрационных пределов их воспламенения: от 1 до 6,7 объемных процентов. Образующийся конденсат паров растворителей после фильтрации возвращается в АПЛ 1.
Снижение энергетических потерь в процессе сушки обмотки горячим воздухом обеспечивается использованием теплообменника-регенератора 9, установленного после АСЛ 3. Горячий воздух, выходящий из АСЛ 3, поступает в первую полость теплообменника-регенератора 9, далее проходит теплообменник-конденсатор 10 и ,охлажденный до температуры ниже 10°C, направляется во вторую полость теплообменника-регенератора 9, где предварительно нагревается (используя тепло воздуха, выходящего из АСЛ 3) перед входом в установку нагрева воздуха (термовентилятор) 8.
Применение датчиков давления, температуры, уровнемеров, клапанов и затворов с электроприводами позволяет автоматизировать выполнение процессов пропитки, сушки и охлаждения обмоток в каждом аппарате (АПЛ, АПР, АСЛ, АО). Это повышает производительность аппаратов и снижает энергозатраты на получение готовой продукции - пропитанных лаком изделий (обмоток).
Наибольший технический и экономический эффект может быть получен при использовании способа и установки при изготовлении силовых трансформаторов - пропитки крупногабаритных обмоток: диаметром до 2 м, высотой до 3 м, массой до 2,5 т.