Исследования, выполненные в ряде учебных и научно- исследовательских институтах, в том числе в КузГТУ и в НИИ «Кузбассэлектромотор», показали, что наработки на отказ взрывозащищенных электродвигателей (ВЗЭД) существенно (примерно в 5 — 7 раз) ниже их ресурса. Анализ показал, что основной причиной отказов является повреждение витковой и межфазовой изоляции обмоток. Вместе с тем установлено, что электрическая прочность изоляции обмоточных проводов примерно в 100 раз выше, чем напряжение между соседними витками в обмотках, а расчетные наработки по теплостойкости применяемых электроизоляционных материалов (пропиточных лаков, пленок др.) также в несколько десятков раз превышают наработки.
Низкая эксплуатационная надежность ВЗЭД [1,2] объясняется, с одной стороны, тяжелыми условиями эксплуатации (широкий разброс нагрузки, большое число затяжных пусков и т.п.) и действием факторов внешней среды (высокая влажность, наличие токопроводящей пыли в атмосфере и т.п.), а с другой стороны, воздействием электродинамических сил на обмотку статора, что вызывает вибро-механический износ витковой и пазовой изоляции в месте выхода обмотки из пакета статора.
Применение многократной пропитки обмоток в качестве одной из мер повышения их надежности оказалось мало эффективным — наработки увеличились не более чем на 20 — 27 %. Кардинальное решение проблемы повышения надежности ВЗЭД было найдено путем применения в качестве упрочняющей обмотку среды теплопроводных полимерных компаундов [2].
К компаундам для упрочнения обмоток электрических машин предъявляют следующие требования:
- Электрическая прочность не должна быть ниже этого показателя витковой изоляции обмоточного провода;
- Коэффициент теплового линейного расширения должен быть одинаков или быть близким к коэффициенту линейного расширения материала обмоточных проводов во избежание срыва с них лакового покрытия как при полимеризации, так и при нагревании в процессе работы электродвигателя;
- Механическая прочность должна быть стабильной в диапазоне рабочих температур ВЗЭД, то есть от 70 до 150° С;
- Теплопроводность должна обеспечивать отвод тепла от лобовых частей обмотки без увеличения теплового сопротивления;
- Технология применения не должна увеличивать себестоимость изготовления ВЗЭД более чем на 5 — 7 %.
Известные эпоксидные компаунды имеют высокий коэффициент линейного расширения и низкую теплопроводность. Перечисленным выше требованиям удовлетворяют компаунды горячего отверждения с высокотеплопроводными наполнителями [2].
Разработанная технология применения компаундов при изготовлении ВЗЭД позволила решить следующие вопросы:
- Оградить электрическую изоляцию обмоток статора от воздействия внешней среды;
- Повысить механическую прочность обмотки, особенно её лобовой части и в месте выхода проводников из пакета статора, а также существенно снизить на этой основе влияние вибромеханического износа на срок службы электрической изоляции;
- Снизить температуру нагрева электродвигателей за счет повышения интенсивности отвода тепла высоко теплопроводным компаундом и уменьшить влияние теплового износа электрической изоляции на их срок службы;
- Свести к минимуму свободный объем в оболочке и повысить на этой основе свойства безопасности ВЗЭД.
Применение компаундов в качестве конструктивного элемента во ВЗЭД позволило разработать и осуществить предложения по созданию принципиально нового вида взрывозащиты, основанного на диссипативных свойствах взрывчатых смесей (свойствах затухания взрыва). Реализация этого принципиально нового подхода привела не только к существенному (в 1,7 — 2,5 раз) повышению надежности ВЗЭД, но и к созданию взрывозащищенных электродвигателей путем простой переделки общепромышленных образцов. На рисунке показан разрез ВЗЭД со специальным видом взрывозащиты.
Для определения реальной эксплуатационной надежности были изготовлены и направлены на ряд угольных шахт и химических предприятий Кузбасса ВЗЭД с залитыми теплопроводным компаундом обмотками и со специальным видом взрывозащиты.
На шахте «Ягуновская» электродвигатель ВРП160 S4 мощностью 15 кВт был установлен на насосе 1Б20х10 в обводненной выработке с углом наклона 70° с притоком воды 18 м3 /ч и находился в эксплуатации без постоянного наблюдения в течение трех месяцев, после чего из — за отказа насоса был затоплен столбом воды высотой 25 м; он находился под водой 4,5 месяца. После откачки воды из выработки электродвигатель был включен в работу без выдачи на поверхность и без просушки изоляции и проработал 2,5 месяца. Общая продолжительность эксплуатации этого ВЗЭД составила 4704 ч, из которых 2856 ч он работал под нагрузкой, а 1848 ч находился под водой в затопленной выработке. Наработка серийных электродвигателей без заливки обмотки компаундом в аналогичных условиях составляла 360 — 840 ч и при их эксплуатации не допускалось даже кратковременное попадание воды на воды.
Электродвигатель ВРП180М4 мощностью 30 кВт был введен в эксплуатацию на насосе К-60 в мульде вентиляционного штрека очистного забоя на шахте им. Волкова. Насос по мере накопления воды периодически включал дежурный электрослесарь. В результате того, что регулярного обслуживания не было, электродвигатель несколько раз затапливали и после каждого затопления включали под водой.
Через девять месяцев такой эксплуатации (около 4000 ч) электродвигатель отказал из того, что рассыпался подшипник, из которого водой вымыло смазку. Другой такой же электродвигатель на этом же насосе был затоплен восемь раз, но здесь после каждого включения под водой и после её откачки заменяли смазку подшипников. Общая наработка этого электродвигателя составила около 9000 ч. Сопротивление изоляции за все время эксплуатации оставалось стабильным и составляло 1 МОм, что практически в два раза выше нормы.
Два электродвигателя ВРП200 L4 мощностью 45 кВт, в которых жесткие секции обмоток были заменены на мягкие (всыпные) и затем залиты компаундом, были установлены на конвейере 1ЛТ — 80 на шахте им. Волкова. Общая продолжительность их эксплуатации до проведения осмотра с разборкой составила 15 000 ч. На протяжении этого времени сопротивление изоляции оставалось неизменным и составляло 1 МОм, компаунд не имел трещин и видимых следов износа. После замены смазки в подшипниках электродвигатели были вновь введены в эксплуатации и демонтированы через 15 лет эксплуатации в связи с прекращением работ на шахте.
Опытная партия из шести общепромышленных электродвигателей 4А 160М4 мощностью 18,5 кВт со специальным видом взрывозащиты (им было присвоено наименование В4А160М4) после успешных испытаний в НЦ ВостНИИ были направлены в ПО «Азот». Четыре из них были установлены на ленточных конвейерах с режимом работы S1 по ГОСТ 183 -74 с числом включений 3 — 4 и продолжительностью работы 16 — 19 ч в сутки. Один электродвигатель установлен на вентиляторе также с режимом S1 и продолжительностью работы 24 ч в сутки с остановкой на проведение технического обслуживания один раз в месяц. Средний срок службы составил более 12 лет. Основной причиной отказов служит заклинивание подшипников.
Опыт длительной эксплуатации электродвигателей с залитыми эпоксидным компаундом обмотками показал их высокую эксплуатационную надежность в самых тяжелых условиях, в том числе под водой при их затоплении. В нормальных же условиях безотказная наработка составляет 18 лет и более при нормативном сроке службы до списания 10 лет, то есть срок службы увеличился в 1,8 раза.
Список литературы
- Надежность асинхронных электродвигателей/ Под ред. Б.Н. Ванеева. — Киев: Техника, 1983 г. — 143 с.
- Разгильдеев Г.И., Баранов С.Д. Взрывозащищенные рудничные электродвигатели: эксплуатация и ремонт: справочное пособие — М.: Недра, 1991. — 180 с.
- Разгильдеев Г.И., Баранов С.Д. Повышение безопасности взрывозащищенного электрооборудования. — Уголь, 1990, № 9, с. 45 — 47.
Источник: Взрывозащищенные электродвигатели высокой эксплуатационной надежности / Г.И. Разгильдеев, В.М. Ефременко, С.Д. Баранов // Вестник КузГТУ. — 2004. — №5. — C. 50-52.
