Влагообмен между изоляцией электродвигателей и окружающей средой

Между изоляцией электродвигателя и окружающей средой практически постоянно происходит влагообмен. Способность поглощать или отдавать влагу зависит от конструкции электродвигателя, его состояния (под нагрузкой, холостой ход, нерабочая пауза), структуры и состава изоляции.
Влага в изоляционных материалах может находиться в виде растворов, коллоидов, абсорбционного слоя на поверхности изоляции и т. д.
Для упрощения при рассмотрении физики процесса влагообмена влагу, которая находится в изоляции, делят на два вида: свободную и связанную.
В электродвигателях закрытого типа свободная влага отсутствует, так как непосредственного соприкосновения изоляции с водой нет.
Связанная влага есть в гигроскопичных изоляционных материалах (влага макро- и микрокапилляров, влага в крупных порах и пустотах, влага смачивания).
Однако электродвигатели закрытого обдуваемого исполнения не являются герметичными, и влажный воздух из окружающей среды контактирует с изоляцией электродвигателя. При этом может происходить как увлажнение изоляции, так и ее осушение в зависимости от режима работы электродвигателя.
Рассмотрим этот процесс влагообмена.
Испарение влаги из материала обусловливается диффузией пара с поверхности материала в окружающую среду (внешняя диффузия). Диффузия происходит тем интенсивнее, чем больше разность между парциальным давлением пара у поверхности материала и давлением в окружающей среде. В зависимости от значения градиента давления (соотношения между давлениями пара у поверхности материала и в окружающей среде) определяется направление диффузии, то есть ход процесса в сторону сушки или увлажнения.
Внутренняя диффузия наблюдается в виде движения влаги в жидком или газообразном состоянии от внутренних увлажненных слоев изоляции к ее подсушенной поверхности. При этом влага перемещается от мест с большей влажностью в места с меньшей влажностью (влагопроводимость).
Кроме этого, существует так называемая термодиффузия влаги от слоев изоляции более нагретых к менее нагретым. Следовательно, полный поток влаги определяется следующим образом:

m = mр + mw + mt,

где тР, ту и mt — масса влаги, проходящей через единицу сечения в единицу времени под воздействием соответствующего градиента.

Каждый из этих компонентов выражается известными соотношениями

где kp, kv и k1 — соответственно коэффициенты молярного переноса пара, влагопроводностн и термовлагообмена (термодиффузии).
Изменение влагосодержания изоляции обмотки в процессе эксплуатации электродвигателя можно проследить по изменению сопротивления изоляции.
Проанализируем процесс влагообмена в изоляции электродвигателя, работающего в тяжелых условиях сельскохозяйственного производства при повышенной (до 100%) влажности окружающей среды.
Когда электродвигатель находится в нерабочем состоянии в помещении с высокой относительной влажностью, на его изоляцию воздействует только градиент влажности. Изоляция электродвигателя поглощает влагу из воздуха — происходит процесс увлажнения. Вначале увлажняются наружные слои изоляции, далее процесс продолжается и увлажняются внутренние слои изоляции. Процесс увлажнения продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесное состояние увлажненности изоляции и окружающей среды. Увлажнение изоляции обмотки приводит к резкому снижению ее диэлектрических характеристик: сопротивления изоляции, электрической прочности и др. Характер изменения сопротивления изоляции обмотки неработающего электродвигателя и его влагосодержания во времени показан на рисунке 2.

Рис. 2. Изменение сопротивления изоляции неработающего электродвигателя и его влагосодержания во времени:
1 — изменение влагосодержания во времени; 2 — изменение сопротивления изоляции во времени.

При установившемся равновесии происходит стабилизация сопротивления изоляции электродвигателя. После включения электродвигателя в работу начинает нагреваться его обмотка. В начальный период после пуска более нагретой оказывается витковая изоляция обмотки и изоляция паза, ближе расположенная к виткам обмотки, в результате чего создается положительный градиент температуры — поток тепла направлен от центра изоляции к периферии. Под воздействием градиента температуры начинается перемещение влаги.

По мере роста температуры обмотки влага, находящаяся в порах изоляции, начинает переходить в парообразное состояние — изоляция «распаривается», пары влаги проникают в мельчайшие поры изоляции, и сопротивление изоляции обмотки снижается. В зависимости от начального влагосодержания и структуры изоляции снижение сопротивления изоляции при ее разогреве будет различным. В одних случаях (при относительно сухой изоляции) снижение сопротивления изоляции невелико, в других случаях (сильно увлажненная изоляция) — значительно и представляет опасность для электрической прочности изоляции. Последнее необходимо учитывать эксплуатационному персоналу сельских установок.
При дальнейшем росте температуры обмотки влага начинает испаряться вначале с поверхности обмотки, при этом направления потоков тепла и влаги совпадают. Наложение процессов влаго- и теплопроводности приводит к возникновению термо- и влагопроводности.
Возрастание температуры влаги и воздуха, находящихся в порах изоляции, вызывает повышение их давления — возникает градиент давления, различно направленный в разных зонах паза.
В этот период происходит перемещение паров влаги из изоляции в окружающую среду, то есть процесс сушки. Сопротивление изоляции электродвигателя возрастает.

При длительной работе электродвигателя влага, находящаяся в его изоляции, будет удалена — произойдет процесс осушения. При этом сопротивление изоляции достигнет установившегося значения для данной температуры. После отключения электродвигателя он начнет охлаждаться и в изоляции его обмотки возникнут обратные процессы — изоляция обмотки начнет увлажняться.

Таким образом, в изоляции нормально работающего электродвигателя произойдет влагообмен, она осушится или увлажнится.
Скорость удаления влаги из обмотки электродвигателя в процессе его работы зависит от следующих факторов:
а) гигроскопических свойств изоляционного материала;
б) степени увлажнения изоляции;
в) степени загрузки электродвигателя;
г) температуры и влажности окружающей среды.
Обмотки, пропитанные водоэмульсионными лаками, можно осушить электрическим током в течение 1,5...2 ч. Однако нужно иметь в виду, что обмотка в этом случае глубоко увлажнена; она буквально обводнена, так как опускалась при пропитке в водный раствор лака.
Нужно учесть также степень вентиляции при сушке. По сравнению с массой обмотки в целом масса ее изоляции является величиной второго порядка. Обмотка работающего электродвигателя пропитывалась и просушивалась при производстве или ремонте. Поэтому глубокое ее увлажнение маловероятно. Работающий электродвигатель хорошо вентилируется.
Продолжительность осушения изоляции электродвигателя при работе должна быть небольшой и меньше, чем продолжительность его сушки током.

С некоторыми допущениями можно считать продолжительность осушения пропорциональной скорости нарастания температуры. Можно предполагать, что минимально возможная продолжительность осушения близка к продолжительности нагрева электродвигателя до установившегося значения, но с учетом инерционности происходящих процессов всегда больше последней. Чем сильнее увлажнена изоляция, тем длительнее процесс «распаривания», больше сдвиг между нагревом и началом осушения и больше общая продолжительность осушения (рис. 3). После включения электродвигателя в работу сопротивление изоляции его обмоток уменьшается (на 30...50%), а затем возрастает и достигает установившегося значения. Сопротивление изоляции электродвигателя после самоосушения, как показали эксперименты, может быть равно первоначальному сопротивлению изоляции (перед пуском) или же превышать его в 2...8 раз. Чем сильнее был увлажнен электродвигатель перед работой, тем относительно выше значение установившегося сопротивления изоляции.
1 — температура нагрева; 2 — сопротивление изоляции.

Рис. 3. Изменение сопротивления изоляции при осушении сильно увлажненного электродвигателя;

Наблюдения в производственных условиях подтвердили, что в нерабочем режиме сопротивление изоляции электродвигателя снижается. Чем относительно меньше продолжительность работы и больше простой электродвигателя, тем сильнее увлажняется его изоляция и тем меньше значение установившегося сопротивления ее в нерабочем режиме электродвигателя.
Эксплуатация электродвигателя в кратковременном режиме работы значительно ухудшает состояние его изоляции.
В период пуска изоляция подвергается термическому и динамическому удару, затем по мере разогрева электродвигателя проводники его обмотки увеличивают свои размеры, вызывая изменение размеров изоляции проводников. Изоляция проводников вытягивается.
При выключении электродвигателя все процессы протекают в обратном порядке: изоляция испытывает динамический удар, проводники обмотки, охлаждаясь, уменьшаются в своих размерах, достигая исходных; лаковая пленка изоляции, если она эластична, следуя за проводником, также достигает исходного состояния.

Рис. 4. Изменение сопротивления изоляции электродвигателя в течение суток.

Увеличение числа включений и отключений ведет к старению изоляции, ее деструкции, она начинает терять свою эластичность, появляются и возрастают микротрещины на ее поверхности.
Так как под воздействием нагретого проводника изоляция увеличивается в своих размерах, то при охлаждении в период между рабочими паузами она, старея, может занять промежуточное положение, не достигнув исходного. Образуется микрощель между изоляцией и проводом.
Наличие микротрещин на пленке изоляции и микрощелей между изоляцией и проводником создает условия для проникновения влаги в изоляцию обмотки, увеличивает влагосодержание обмотки. Диэлектрические характеристики изоляции электродвигателя резко снижаются, и электродвигатель может выйти из строя.
На рисунке 4 показано изменение сопротивления изоляции электродвигателя А02, установленного на навозоуборочном транспортере с трехкратным включением, в течение суток.

Рис. 5. Зависимость сопротивления изоляции электродвигателя от продолжительности пребывания ее в испытательной камере:
1 и 2 — проводе ПЭТВ; 3 и 4 — провода ПЭВ2.

Анализ приведенных кривых убедительно подтверждает изложенные выше теоретические рассуждения. Появление же микротрещин было подтверждено нами экспериментально.
Любое увлажнение изоляции обмоток электродвигателей нежелательно, так как может достигнуть опасной степени.
Однако еще более нежелателен процесс влагообмена в агрессивной среде, например в среде животноводческих помещений с содержанием аммиака.

В качестве иллюстрации к сказанному на рисунке 5 приведена зависимость сопротивления корпусной изоляции макетов электродвигателей от продолжительности пребывания их в испытательной камере со 100%-ной влажностью без аммиака и с аммиаком. Аналогичные зависимости получены для междуфазовой и витковой изоляции макетов, при этом зависимость сопротивления изоляционной конструкции от продолжительности пребывания в испытательной камере имеет вид гиперболы.
Таким образом, электродвигатели с кратковременным режимом работы, особенно во влажной агрессивной среде, интенсивнее увлажняются и старятся, что необходимо учитывать эксплуатационному персоналу.