Теория электроосмотического перемещения влаги в изоляции 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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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.

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

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.