8.1 LTY Juha Pyrhönen 8. PYÖRIVIEN SÄHKÖKONEIDEN ERISTYKSET Eristeellä tarkoitetaan tässä yhteydessä sähköä johtamatonta tai erittäin huonosti johtavaa eristeainetta. Eristyssysteemi muodostuu eristeaineiden ja eristysvälien muodostamasta kokonaisuudesta. Eristyksen päätehtävänä on erottaa erijännitteiset tai eri virtapiireihin kuuluvat osat toisistaan. Tämän ohella eristykset lisäävät rakenteiden lujuutta, toimivat lämmönjohteina käämin ja ympäristön välillä, sekä suojaavat käämiä ulkoisilta rasituksilta, kuten lialta, kosteudelta ja kemikaaleilta. Sähkökoneissa esiintyy pääasiassa kolmenlaisia eristysvälejä. Ilmaeristysväli on pelkkä kappaleiden välinen ilmaväli, jonka eristyslujuuden määrittää kappaleiden välinen etäisyys, niiden muoto ja ilman tila. Ilmaeristysväli voi rajoittua eristettyihin tai eristämättömiin pintoihin. Joissakin tapauksissa eristysvälin väliaineena, ja samalla myös jäähdytysaineena, voi toimia myös jokin muu kaasu kuin ilma. Homogeenisen sähkökentän tapauksessa ilman läpilyöntijännite riippuu ilmavälin suuruudesta Paschenin lain mukaisesti, kuva 8.1. û / V 10000 5000 1000 500 min 320 V 100 1 5 10 50 100 500 1000 l/μm Kuva 8.1. Paschenin laki, joka kuvaa homogeenisen ilmavälin muodostaman eristysvälin jännitelujuutta. l on elektrodien välimatka. Paschenin laki pätee vain homogeeniselle sähkökentälle. Mitä terävämpiä muotoja eristettävissä kappaleissa on, sitä pienemmäksi läpilyöntijännite muodostuu, koska terävien kulmien läheisyyteen syntyy kentänvoimakkuushuippuja. Eristyksessä oleva ilma on usein herkkää osittaispurkauksille, joita tapahtuu eristyksen sisällä. Erityisesti osittaispurkauksia tapahtuu kohdissa, joissa materiaaleja, joilla on erilaiset permittiivisyydet, kytkeytyy rinnan. Juuri näin tapahtuu ilmakuplille, joita on hartsin sisällä. Ilmakuplan dielektrinen kestokyky on merkittävästi heikompi kuin hartsin ja pieniä purkauksia voi tapahtua kuplan sisällä. Osittaispurkausherkkyyttä voi yrittää estimoida Paschenin käyrän avulla. Mikäli meillä on 500 V:n jännite 10 μm:n ilmakuplan yli (E = 50 MV/m), osittaispurkauksia tapahtuu. Eristys alkaa heiketä ja tuhoutuu lopulta, mikäli materiaalit eivät kestä osittaispurkauksia. Kiillettä käytetään tästä syystä suurjännite-eristyksissä. Nykyajan taajuusmuuttajakäytöissä osittaispurkauksia voi esiintyä myös pienjännitekoneissa, erityisesti käämityksen ensikierroksilla, sillä jännite jakautuu erittäin epätasaisesti käämitykseen jännitteen nopean nousureunan aikana.
8.2 LTY Juha Pyrhönen Kiinteän eristyksen muodostama eristysväli koostuu pääasiassa kiinteistä eristeistä, joissa sähkökenttä ei mainittavasti suuntaudu eristeiden rajapintoja pitkin. Tällaisessa tapauksessa eristyslujuus määräytyy eristemateriaalin paksuuden ja permittiivisyyden perusteella. Pintaeristysväli on kyseessä, kun paljaasta jännitteisestä osasta on eristeen pintaa pitkin yhteys johtavaan tai eristettyyn, toisessa potentiaalissa olevaan osaan, esim. koneen maadoitettuun runkoon. Pintaeristysväli muodostuu myös silloin, kun jännitteinen osa on vain heikosti eristetty. Pintaeristysvälissä voi tapahtua pintapurkauksia tai ylilyönti, kun vaikuttavalla sähkökentällä on kyseisen pinnan suuntainen komponentti. Tyypillinen tällainen kohta on sähkökoneessa uraeristyksen pinnalla juuri levypaketin ulkopuolella. Avoimelle pintaeristysvälille voi kertyä ympäristöstä likaa ja kosteutta, jotka voivat aiheuttaa pintavirtoja ja pintapurkauksia eristyksen pinnalle. Alle 1000 V:n koneilla lähinnä pintavirrat muodostavat vaaratekijän. Suurilla jännitteillä myös pintapurkaukset voivat aiheuttaa eristyksen vaurioitumista. Materiaalin pintavirtakestoisuutta kuvaava suure on ns. pintavirtaindeksi (CTI, Comparative Tracking Index). Pintavirtakestoisuutta kuvataan kuitenkin jännitteen avulla ja yksikkönä on Voltti. Mittaustapa on määritelty esimerkiksi standardissa IEC 600112. Sähköpiirissä on aina oltava eristys, joka tarvitsee tilaa. Tämä on muistettava ottaa huomioon koneen magneettipiirin ja käämityksen mitoituksen yhteydessä. Todellinen eristys johtaa aina hieman sähköä ja se voi vahingoittua termisen, sähköisen, mekaanisen, muun ympäristön aiheuttaman tai kemiallisen rasituksen vuoksi. Ympäristön aiheuttamat rasitukset voivat olla esimerkiksi kosteutta, ilmavirrassa olevia hiovia komponentteja, likaa tai säteilyä. Eristeellä on oltava riittävän suuri jännitekestoisuus, jotta läpilyöntejä ei pääse tapahtumaan jännitekokeessa tai esimerkiksi ilmastollisten ylijännitteiden seurauksena. Näiden, eristyksen elinaikanaan kohtaamien mahdollisten rasitusten, arviointia ja niiden mukaista eristysten mitoittamista kutsutaan eristyskoordinaatioksi (insulation co-ordination). Eristyksen johtokyvyn ja dielektristen häviöiden tulisi käytön aikana pysyä pieninä. Eristyksen on kestettävä termisesti myös käytössä esiintyvät lyhytaikaiset ylikuormitukset sekä kumulatiivinen yllämainittujen rasitusten aiheuttama vanheneminen. Vaikka nykyisin on olemassa satoja, ehkä tuhansia, eristeeksi sopivia materiaaleja, ovat sähkökoneissa käytettävät yleisimmät eristeet helposti lueteltavissa: kiille, polyesterikalvot, aramidipaperi ja epoksi- tai polyesterihartsit. Hieman harvinaisempia eristemateriaaleja ovat polyesterikuiduista valmistetut eristeet (Dacron, Terylene, Diolen, Mylar etc.), polyimidikalvot (Kapton ) ja silikonihartsit. EPOKSI- JA POLYESTERI- HARTSIT ovat välttämättömiä käämitysten kyllästyksessä ja eristyksen tiivistämisessä. Edellämainittuja materiaaleja hieman harvinaisempia sähkökoneen eristeaineita ovat polyesterikuiduista valmistetut materiaalit (Dacron, Terylene, Diolen yms.), polyimidikalvot (Kapton ) ja kyllästyksissä käytettävät silikonihartsit. 8.1 Pyörivän sähkökoneen eristykset Eristykset voidaan karkeasti jakaa kahteen luokkaan: pää- ja johdineristyksiin. Pääeristysten tehtävänä on erottaa osat, joilla ei saa olla galvaanista yhteyttä. Pääeristys erottaa galvaanisesti esimerkiksi johdinvyyhdin koneen magneettipiiristä. Johdineristyksen on puolestaan erotettava käämiin tai vyyhtiin kuuluvat langat ja kierrokset toisistaan. Johdineristykselle ei aseteta samansuuruisia vaatimuksia kuin pääeristykselle, joten se on yleensä pääeristystä huomattavasti ohuempi. Yleensä johdineristys muodostuukin, varsinkin pienillä koneilla, käämilangan ympärillä olevasta lakkakerroksesta. Pääeristyksiä ovat:
8.3 LTY Juha Pyrhönen uraeristys ja uran sulkija, vaihe-eristykset urassa ja vyyhdenpäässä, napaeristykset, kytkentäjohtimien ja liitäntöjen eristykset, kyllästyslakka ja -hartsi, pintalakka ja suojamaali. Uraeristeen uloimmalta kerrokselta vaaditaan mekaanista lujuutta, sillä urassa voi olla teräviä särmiä. Sopiva aine on esimerkiksi polyesterikalvo. Jos urassa käytetään kahta eristeainetta, on sisempi kerros yleensä sitä paremmin lämpöä kestävää ja kyllästyvää aramid-paperia. Vaiheväleissä käämin päissä käytetään taipuisia kangasmaisia eristeaineita. Suurta jännitelujuutta vaadittaessa käytetään kiillettä sisältäviä kertamuoveja. Mekaanista lujuutta saadaan esim. lasikuitusidosnauhoja käyttämällä. Aramid paperin kyllästyvyys on hyvä, sillä hartsi tunkeutuu sen huokosiin ja pysyy tiukasti kiinni toisin kuin vaikkapa kiiltävässä polyesteripinnassa. Kiille (mica) on epäorgaaninen luonnontuote, jota esiintyy yleisesti kallioperässä ja joka on jo sadan vuoden ajan ollut tärkeimpänä ainesosana suurjännitekoneiden eristyksissä, lähinnä sen erinomaisen osittaispurkauskestävyyden ansiosta. Kemialliselta rakenteeltaan kiille on kaliumalumiinisilikaattia tai jotain sen lähisukuista ainetta. Kiilteen kiteet muodostavat ohuita suomuja päällekkäisinä kerroksina, jotka irtoavat helposti toisistaan. Tämä mahdollistaa kiillesuomujen halkaisun varsin ohuiksi liuskoiksi, jotka ovat taipuisia ja siten sopivia sähkökoneiden eristemateriaalien osaksi. Kiillemineraalit luonnossa ovat verkkosilikaatteihin kuuluvia mineraaleja, joilla kaikilla on yksi erittäin hyvä lohkosuunta. Ohuet lohkosuomut ovat kimmoisia ja läpikuultavia. Kaikki kiilteet kuuluvat monokliiniseen kidejärjestelmään, ja niiden kiteet ovat kuusikulmaisia suomupinkkoja. Kiilteen lämpökestoisuus on hyvin korkea. Alhaisimmillaan kiillelaadut alkavat menettää kidevettään noin 500 C:een lämpötilassa, mutta jotkut kiillelaadut kestävät jopa 1100 C. Sähkökoneisiin nämä arvot ovat moninkertaisesti riittäviä, koska niiden osien korkeimmat lämpötilat saavat yleensä olla enintään n. 200 C. Kiille on myös kemiallisesti erittäin vastustuskykyinen ja kestää veden, emästen ja monien happojen sekä tavallisten liuottimien vaikutusta. Vain rikkihappo ja fosforivetyhappo liuottavat kiillettä. Kiille ei kuitenkaan kestä öljyä, koska se tunkeutuu kiillesuomujen väliin irrottaen ne toisistaan. Kiilteen läpilyöntilujuus on suuri, dielektriset häviöt pienet ja pintavastus suuri. Pintavirrat eivät vahingoita kiillettä, ja kiille kestää osittaispurkausten vaikutusta monin verroin paremmin kuin parhaat orgaaniset eristeet. Tämän vuoksi kiille on lähes korvaamaton eristemateriaali suurjännitesähkökoneissa, joissa tapahtuu aina jonkin verran osittaispurkauksia. Yleensä koneissa, joiden nimellisjännite ylittää 4 kv, esiintyy normaalikäytössä osittaispurkauksia. Kiille-eristys kestää tämän. Myös suurissa pienjännitekoneissa on mahdollista törmätä osittaispurkausilmiöön käytettäessä taajuusmuuttajasyöttöä. Tämä johtuu siitä, että nopeiden kytkimien synnyttämät jyrkkäreunaiset jännitepulssit eivät jakaudu tasaisesti käämikierrosten kesken, vaan rasittavat eniten ensimmäistä kierrosta. Tällaisissa tapauksissa sähkökentänvoimakkuus voi ylittää osittaispurkauksen vaatiman kentänvoimakkuusarvon ja mikäli eristyksessä ei ole kiillettä se hajoaa jatkuvassa käytössä ennemmin tai myöhemmin. Kiille-eristeessä kiillesuomut sidotaan jonkin sopivan sideaineen avulla. Lisäksi tarvitaan sopivia apuainekerroksia, kuten lasikuitukangasta tai polyesterikalvoa antamaan eristeelle vetolujuutta. Nykyisin kiillettä käytetään pääasiassa kiillepaperina sähkökoneiden eristeissä. Kiillepaperi on hyvin pienistä kiillesuomuista koostuva eriste, jota valmistetaan paperin tapaan, mistä eristeen nimikin johtuu. Se ei siis sisällä selluloosakuituja. Luonnonkiille murskataan joko mekaanisesti tai lämmön
8.4 LTY Juha Pyrhönen avulla pieniksi suomuiksi, jotka liimataan taipuisaksi paperin kaltaiseksi materiaaliksi hartsin avulla. Kiille-eristeiden ominaisuuksia esittelee taulukko 8.2. Eristyskalvot poikkeavat varsin paljon toisistaan (taulukko 8.3). Kalvot ovat yleensä kestomuoveja, joiden lämpötilakestoisuutta rajoittaa sulamislämpötila ja nopea vanheneminen jo tätä huomattavasti alhaisemmissa lämpötiloissa. Polyesterikalvo (PETP-kalvo), on sitkeä kalvo, jota sellaisenaan tai kerroseristeenä käytetään yleisesti pienten ja keskikokoisten koneiden ura- ja vaihevälieristeenä. Polyesteriä valmistetaan moniin tarkoituksiin nimellispaksuudeltaan 6μm 0,4 mm. Tämä on mekaanisesti lujin käytettävistä eristyskalvoista; sen myötöraja ja vetolujuus lähestyvät pehmeän kuparin arvoja. Kalvoja käytetään pienten koneiden uraeristyksissä sellaisenaan ja suurten koneiden urissa yhdessä kuitueristeen (esim. aramid-paperi tai polyesteripaperi) kanssa. Polyesterikalvojen sulamislämpötila on noin 250 C. Aromaattiset polyamidi- eli ARAMID-kuidut (kauppanimi NOMEX ) ovat edellistä lämmönkestävämpiä, mutta eivät aivan yhtä sitkeitä. Tämän vuoksi niitä käytetään usein kerroseristeinä polyesterikalvojen kanssa. Korkeissa lämpötiloissa polyesteri ei kestä kosteutta. Käytöissä, joissa materiaali altistuu kuumalle kosteudelle, käytetään pelkästään aramid-eristeitä. Polyimidikalvo kestää jopa 220 C lämpötiloja jatkuvasti ja sen hetkellinen lämpökestoisuus on jopa 400 C. Kalvo on lisäksi mekaanisilta ominaisuuksiltaan kohtalaisen hyvää, sen läpilyöntijännite on korkea, eivätkä orgaaniset liuottimet vaikuta siihen. Kalvon paksuudet vaihtelevat yleensä välillä 0,01 0,12 mm. Polyimidieristys on varsin kallis, mutta ohuena eristeenä se antaa lisätilaa esim. käämityksille, joten sen käyttö on kannattavaa erityistapauksissa. Johdinlankojen eristys muodostaa sähkökoneen eristysrakenteessa teknisesti vaikeimman kohdan, koska se sijaitsee lähinnä kuumaa johdinkuparia ja on vielä ohuin eristyskomponentti. Lankaeristys on usein lakkamaista kertamuovia. Lakassa on sekä kiteisiä että amorfisia alueita. Kiteisyys kohottaa lämmönkestävyyttä, muodostaa tiiviin suojan liuottimia vastaan sekä parantaa eristeen mekaanisia ominaisuuksia. Amorfisuus taas tekee eristeestä taipuisan. Sähkökoneissa yleisimmin käytetyt lankalakat ovat kemialliselta rakenteeltaan ester-imidejä. Ne ovat näin sukua sekä polyesterikalvolle että polyimidikalvolle. Ester-imidien korkeimmat käyttölämpötilat ovat luokkaa 180 200 C. Johdineristys voi muodostua kahdesta tai useammasta eri lakkatyypistä. Kahden eri lakan käytöllä pyritään yhden materiaalin antamaa eristystä parempaan tulokseen lämmönkestoisuuden, mekaanisten ominaisuuksien ja hinnan suhteen. Käytännössä lakkapinta tehdään useista kerroksista, vaikka käytettäisiin vain yhtä lakkamateriaalia. Pinnoituksessa paljas johdin lämpökäsitellään ja sivellään lakalla. Tämän jälkeen liuotin haihdutetaan kuumentamalla lankaa uunissa, minkä jälkeen pintaan sivellään uusi lakkakerros. Menettely toistetaan 4 12 kertaa. Lakkakerroksen paksuuden mukaan langat jaetaan kolmeen ryhmään: 'yksinkertainen' (Grade 1), 'kaksinkertainen' (Grade 2) ja 'kolminkertainen' (Grade 3). Todellisuudessa, kuten edellä mainittiin, lakkakerroksia on aina useita. Lisäksi kunkin ryhmän lakkakerroksen paksuus on verrannollinen johdinkuparin läpimittaan. Usein arkikielessä käytetään nimitystä emalilanka tai dynamolanka, kun tarkoitetaan lakattua kuparijohdinta. Näistä ensimmäinen onkin vakiintunut, tosin hieman harhaanjohtava, käännös sanoista enamelled copper. Myös polyimidikalvoja ja aramidpapereita voidaan käyttää johdineristeinä. Ne kiedotaan johtimen ympärille teipin tavoin. Niitä sovelletaan lähinnä erikoisen vaativissa käytöissä kalliin hintansa johdosta. Erityisen vaativissa esim. kuumissa ja kosteissa käytöissä voidaan harkita fluoropolymeerien (teflon) käyttöä lankaeristeenä. Valmistettaessa tefloneristys pursotetaan langan ympäri ekstruderissa. Fluoropolymeerit kestävät erinomaisesti kosteutta jopa korkeissa lämpötiloissa. Niiden heikkona puolena on heikohko jännitelujuus, joka on vain noin neljänneksen polyesterin tai polyamidi-imidikalvojen jännitelujuuteen verrattuna.
8.5 LTY Juha Pyrhönen 8.2 Kyllästyslakat ja -hartsit Kyllästyslakan tai -hartsin tehtävänä on lujittaa käämitystä mekaanisesti, toimia suojana kosteudelta, lialta ja kemikaaleilta sekä parantaa lämmönjohtavuutta. Toisaalta runsas lakkaus voi huonontaa lämmönjohtavuutta esimerkiksi vyyhdenpäissä. Kyllästyslakka muodostuu perusaineesta (lineaarinen polymeeri), monomeerista (ristisidoksia muodostava aine) sekä liuottimista ja mahdollisesti öljyistä. Sen mukaan sisältääkö lakka öljyä vai ei, voidaan lakat jakaa öljypohjaisiin ja polyesterilakkoihin. Öljypohjaisten lakkojen kovettuminen vaatii hapen läsnäoloa, minkä johdosta niitä ei pidä käyttää tiiviiden ja paksujen käämitysten yhteydessä. Öljypohjaisten lakkojen sähköiset ominaisuudet ovat hyviä, mutta mekaaninen lujuus huonohko. Polyesterilakat ovat nykyisin eniten käytettyjä. Ne ovat yksi- tai kaksikomponenttisia ja niiden kovettuminen vaatii yleensä lämpökäsittelyä. Uunitusvaiheessa liuotin haihtuu, monomeeri tarttuu kummastakin päästään perusaineen reaktiiviseen komponenttiin. Tätä kutsutaan ristisilloittamiseksi, koska monomeeriketju asettuu poikittain perusaineketjuun nähden. Tällä tavoin muodostuu monimutkainen kolmiulotteinen rakenne. Näin synnytettyä muovia kutsutaan kestomuoviksi. Ristiin sidottu kestomuovi on kertamuovi, jota ei siis enää voi sulattaa. Kyllästyslakat sisältävät yleensä noin puolet tilavuudestaan haihtuvaa liuotinta, jonka tilalle tulee kuivumisen yhteydessä ilmaa. Liuottimia sisältävät alkydi- tai polyesteriperustaiset lakat onkin tämän vuoksi korvattu suureksi osaksi kyllästyshartseilla, jotka ovat polyesteri- tai epoksipohjaisia, liuotteettomia kemiallisesti kovettuvia kyllästysaineita. Tavallisissa koneissa käytetään usein polyesterihartseja niiden helpon käsiteltävyyden, sopivien ominaisuuksien ja edullisen hinnan vuoksi. Polyesterihartseissa perusaine ja monomeeri ovat melko samankaltaisia luonteeltaan ja viskositeetiltaan, joten ne sekoittuvat helposti. Lisäksi on mahdollista käyttää helppoja sekoitussuhteita kuten 1:1. Epoksihartsien haittana on niiden kalleus verrattuna polyesterihartseihin, mutta yleensä yli 250 kw:n koneissa käytetään epoksihartseja niiden hyvän mekaanisen lujuuden ja tarttuvuuden sekä pienen kutistuvuuden vuoksi. Toimittaessa vaikeissa ympäristöissä epoksit ovat suosittuja kyllästyshartseja. Ne kestävät hyvin erilaisia kemikaaleja, kosteutta ja säteilyä. Toisaalta polyesterikalvot kestävät paremmin öljyrasitusta esimerkiksi muuntajaöljyn läsnäoloa. Erikoistapauksissa, esimerkiksi ajomoottoreissa, jotka saattavat hetkittäin käydä erittäin kuumina (yli 200 ºC), voidaan käyttää silikonihartseja. Ne tarjoavat erinomaiset lämmönkesto-ominaisuudet, mutta ovat mekaanisesti heikohkoja Pintalakalla parannetaan eristyksen pinnanlaatua. Pintalakka muodostaa tiiviin kalvon, joka on helppo puhdistaa ja joka parantaa eristyksen pintavirtakestoisuutta. Taulukko 8.4 esittelee eristyslakkojen, -hartsien ja pintalakkojen ominaisuuksia. Eristyksen kyllästämisellä on merkitystä sen sähkölujuuteen. Koska eristykset muodostuvat usein monesta eri komponentista, on yhtenä komponenttina monesti ilmaväli. Ilmavälejä voi jäädä myös sellaisiin paikkoihin, joissa niitä ei saisi olla. Esim. urassa, kun kyllästyslakka ei ole tunkeutunut kaikkialle tai siihen on jäänyt ilmakuplia. Tämä on otettava erityisesti huomioon eristystä mitoitettaessa ja kyllästysmenetelmää valittaessa. Kentänvoimakkuus E yhtä eristettä olevassa materiaalissa, jonka paksuus on d i on U E =. (8.1) d i Eristerakenteen läpäisee sähkövuontiheys D, joka on luonnollisesti vakio kulkiessaan rakenteen läpi.
8.6 LTY Juha Pyrhönen E ε = D. (8.2) Kahden eri materiaalista olevan eristeen 1 ja 2 (paksuudet d 1 ja d 2 ) ollessa samassa ulkoisessa sähkökentässä saadaan eri eristysmateriaalia olevien eristeiden kentänvoimakkuudet E 1 ja E 2 sekä eristeiden yli vaikuttavat jännitteet U 1 ja U 2 yhtälöiden (8.1) ja (8.2) avulla verrantoina ja E 1 ε = 2, (8.3) E 2 U U 2 ε 1 d d 1 i1 2 =. (8.4) i2 ε ε 1 Kun rakenteen yli vaikuttaa jännite U = U 1 + U 2, voidaan jännitteenjaon avulla jännitteet eristeiden yli laskea seuraavasti ja U U 1 1 = U (8.5) di1 di2 ε 1 1 d ε + i1 i2 ε 2 2 2 = U. (8.6) di1 di2 ε d ε + ε 2 Oletetaan, että meillä on eristerakenne joka koostuu 4 mm:n paksuisesta eristemateriaalista, jonka suhteellinen eristevakio ε = 1 5 sekä 0.25 mm:n ilmavälistä, jonka ε = 2 1. Eristerakenteen yli vaikuttaa jännite U = 12 kv. Sijoittamalla yhtälöihin (8.5) ja (8.6) annetut arvot, saadaan eristeiden yli vaikuttaviksi jännitteiksi U 1 = 9.14 kv ja U 2 = 2.86 kv. Ilmavälin sähkökentänvoimakkuudeksi tulee siis E = 11.44 kv/mm, joka saattaa ylittää läpilyöntikestoisuuden. Tämä osoittaa siis, että pienikin ilmaväli eristeessä saattaa suurilla jännitteillä aiheuttaa läpilyöntejä, jotka vanhentavat eristettä. Vaikka ylilyönti tässä pienessä eristyksen sisään jäävässä ilmatilassa ei heti johtaisikaan koko erityksen läpilyöntiin, voi se hyvinkin nopeasti aiheuttaa paikallisen kuumenemisen ja kulumisen kautta koko eristerakenteen läpilyönnin. Esimerkkinä voidaan miettiä kahta epoksilla pinnoitettua polyesterikalvoa, jotka kestävät kohtalaisesti lämpöä silloin, kun ne eivät pääse kosketuksiin ilman kanssa. Tällaisen rakenteen läpilyöntilujuus voi olla jopa monikymmenkertainen verrattuna siihen jännitteeseen, jolla ilmaväli kalvojen välissä alkaa kipinöidä ja kuluttaa pinnoitusta ja eristekalvoja. Kuitenkin tämän kipinöinnin syttymisjännitteen ylittäminen romahduttaa eristyksen eliniän, kun taas läpilyöntijännitteellä ei ole juuri tekemistä eristyksen eliniän kanssa. Tästä johtuen nykyisin käytetään eristysten kyllästyksessä menetelmiä, jotka takaavat kyllästysaineen hyvän tunkeutumisen ja tiiviin rakenteen. Yksi tällainen menetelmä on painetyhjökyllästäminen. (VPI - Technology, Vacuum pressure impregnation.) Tätä menetelmää käytetään sekä pienillä että suurilla jännitteillä lämpötilaluokissa F C (katso taulukko 8.1).
8.7 LTY Juha Pyrhönen Erityisolosuhteita varten voidaan käämitykset valaa muoviin. Menetelmän etu on, että käämi tulee täydellisesti suojatuksi vedeltä. Lisäksi käämityksen mekaaninen lujuus kasvaa. Haittapuolena on menetelmän kalleus. Muoveina käytetään liuottimettomia polyesteri- tai epoksimuoveja. Menetelmä on varsin harvinainen Suomessa käytössä olevissa teollisuusmoottoreissa. Koska eristeistä irtoaa ajan mittaan aina kemikaaleja, on varmistuttava siitä, etteivät nämä kemikaalit vaikuta haitallisesti toisiin eristysaineisiin. Myös osittaispurkauksissa otsonia muodostavat hajonneet happimolekyylit haurastuttavat nopeasti monia polymeerejä. Varsinkin kyllästyslakan on sovelluttava yhteen muiden eristeiden kanssa. Eristevalmistajat suosittelevat testattuja eristemateriaaliyhdistelmiä, joiden yhteensopivuus on varmaa. 8.3 Eristyksen mitoittaminen Sähkökoneen eristyksen mitoituksessa on otettava huomioon ne mekaaniset, sähköiset ja termiset rasitukset, joita eristys joutuu kestämään. Nämä kaikki rasitukset aiheuttavat eristyksen ominaisuuksien heikkenemistä. Lisäksi eristeaineen valinnassa on otettava huomioon käyttöolosuhteista aiheutuvat rasitukset, kuten lika kemikaalit, öljyt, säteily ja kosteus. Eristysrakenteen puristuslujuus on yleensä vetolujuutta suurempi, joten on usein hyvä pyrkiä rakenteisiin, joissa eristyksiin kohdistuu puristusta vedon asemesta. Vetorasituksia vastaanottamaan voidaan käyttää esimerkiksi lasikuituvanteita. (Esim. tasavirtakoneen roottorin sidonta.) Vyyhdenpäissä kohdistuu eristyksiin myös leikkausrasituksia. Eristys on mitoitettava näiden rasitusten mukaisesti. Vaikka eristykseltä vaaditaan jäykkyyttä, on sen myös tarvittaessa oltava myötäävä. Yleensä varsinkin pienjännitekoneissa riittää, että eristys mukautuu johdinkuparin lämpölaajenemisen aiheuttamaan muodonmuutokseen. Eristysrakennetta käytetään usein myös käämityksen tukemiseen. Tällöin rakenteen täytyy kestää värinää ja sähködynaamisia voimia, kuten käynnistys- ja oikosulkuvirtoja. Mitä paremmin vyyhdenpää on tuettu, sitä suuremmaksi sen ominaistaajuus tulee. Tavoitteena on nostaa eristysrakenteen ominaistaajuus sähködynaamisten voimien taajuusaluetta ylemmäs. Tärkein vältettävä ominaistaajuus on syöttötaajuuteen nähden kaksinkertainen taajuus. Tämä voima syntyy magneettivuon ja käämivirran vaikutuksesta. Voiman suuntaa on tarkasteltu kuvassa 8.2. F F I 0 π 2π B Kuva 8.2. Vuon virtajohtimeen aiheuttama Lorentzin voima käämiurassa koneen kehällä. Sähkökoneen eristysrakenteen on kestettävä normaalin käyttöjännitteen lisäksi myös tilapäisiä käyttötaajuisia ylijännitteitä, kytkentäylijännitteitä ja ilmastollisia ylijännitteitä. Nämä lyhytaikaiset ylijännitteet on otettava huomioon erityisesti ilmavälejä mitoitettaessa, sillä kiinteistä eristeistä rakentuva eristys sietää lyhytaikaisesti varsin suuria jänniterasituksia. Käytännössä suurjännite-eristys suunnitellaan siten, että eristeessä vaikuttava kentänvoimakkuus on välillä 2 3 kv/mm. Arvio eristekerroksen minimipaksuudelle saadaan, kun sovelletaan yhtälöä (8.1)
8.8 LTY Juha Pyrhönen d = U / E max, (8.7) missä d on eristekerroksen paksuus, U jännite-ero eristyksen yli ja E max suurin sallittu kentänvoimakkuus. Jos eristys muodostuu useammasta kerroksesta, voidaan kerrosten paksuudet arvioida seuraavasta d 1 d2 U = E + = + 1d1 E2d2 D. (8.8) ε1 ε 2 Sähkökoneiden koestamista koskevissa normeissa (IEC 34) määrätään, että jännitekoe on suoritettava vaihtojännitteellä, jonka taajuus on 50 tai 60 Hz. Koejännitteen on pienjännitteisillä kolmivaihemoottoreilla oltava alle 1 kw:n moottoreilla: U = U 500 V. (8.9) test 2 N + ja yli 1 kw:n moottoreilla: U = U 1000 V (kuitenkin vähintään 1500 V), (8.10) test 2 N + missä U N on koneen nimellispääjännite ja U test on koestusjännite. Koeaika on 5 sekuntia enintään 5 kw:n, käytössä olleille moottoreille ja uusille moottoreille 1 min. Tasavirtakoneilla eristystaso koestetaan käämin ja rungon väliltä 50 Hz:n vaihtojännitteellä, jonka suuruus on 1,5 kv, kun nimellisjännite on 50 380 V ja 2,5 kv, kun nimellisjännite on 380 1000 V. Erityisesti on otettava huomioon, että jos koeaika on 1 min, ei jännite kytkettäessä saa olla suurempi kuin 50 % koejännitteestä. Tämän jälkeen koejännite voidaan 10 s:n kuluessa nostaa täyteen arvoonsa. Suurjännitekoneiden tulee kestää myös syöksyaaltoja. Syöksyjännitekestoisuustaso on vähintään U sj = 4. U N + 5 kv. (8.11) Tässä U sj on syöksyjännitteen huippuarvo. Uutta kokonaista konetta ei vauriovaaran vuoksi koesteta tällä jännitteellä, mutta laboratoriossa voidaan tehdä kokeet erillisille vyyhdeille. Syöksyjännite säädetään sellaiseksi, että sen nousuaika on 1,2 μs ja puoliintumisaika 50 μs. yhtälö (8.11) antaa suurjännitekoneille ylijännitteen huippuarvon, joka on kierroseristyksen mitoituksen perustana. Lisäksi eristyksen mitoituksessa on ylijännitekestoisuuden lisäksi otettava huomioon eristyksessä vaikuttavan sähkökentän eristerakennetta vanhentava vaikutus. Pitkäaikaiseen kestävyyden varmistamiseksi tulisi eristerakenteen osittaispurkaustason pysyä mahdollisimman pienenä. Tämän vaatimuksen toteamiseen voidaan käyttää tanδ-mittausta. Tanδ-arvo nousee koejännitettä nostettaessa, koska osittaispurkausten määrä kasvaa. Tästä johtuen tanδ-jännitekäyrän jyrkkyyttä voidaan pitää epäsuorana osittaispurkaustason mittana. Eristysaineet luokitellaan sen mukaan, miten ne kestävät korkeita lämpötiloja ilman, että niissä tapahtuu vahingollisia muutoksia. Taulukossa 8.1 on esitetty IEC - normin mukaiset lämpötilat ja aiemmin käytössä olleet, joskin vielä yleiset, lämpötilaluokat kirjaimin. Rajalämpötila ilmaisee korkeimman lämpötilan, jonka eristyksen lämpimin osa saa saavuttaa. Lämpenemä tarkoittaa suurinta käämitykselle sallittua lämpötilannousua nimelliskuormituksella.
8.9 LTY Juha Pyrhönen Yleisimmin käytetty lämpötilaluokka sähkökoneissa on 155 (F). Myös 130 (B) ja 180 (H) luokkia käytetään varsin paljon. Taulukko 8.1. Eristeaineiden lämpötilaluokat (IEC 34-1:n mukaan) Lämpöluokka Aiempi määritelmä kuumimman pisteen rajalämpötila / C sallittu suunnittelulämpenemä / C, kun ympäristön lämpötila on 40 C 90 Y 90 105 A 105 60 120 E 120 75 130 B 130 80 120 155 F 155 100 140 180 H 180 125 165 200 200 220 220 250 250 Sallittu vastusmittauksella määritetty käämityksen keskilämpötila / C Eristyksen vanheneminen asettaa rajan sen pitkäaikaiselle lämmönkestoisuudelle eli rajalämpötilalle. Yksittäisen eristeen pitkäaikaista lämmönkestoisuutta arvioitaessa käytetään käsitettä lämpöindeksi. Indeksi on se lämpötila, jossa eristeen elinikä koeolosuhteissa on keskimäärin 20 000 tuntia. Lyhytaikaisella lämmönkestoisuudella tarkoitetaan korkeintaan muutaman tunnin pituisia termisiä rasituksia. Tämän rasituksen aikana eriste saattaa sulaa, kuplia turvota, kutistua tai hiiltyä. Eristys ei saisi edellä mainituilla tavoilla vahingoittua missään normaalikäytössä mahdollisessa tilanteessa syntyvän kohtuullisen ylilämpötilan yllättäessä. Taulukossa 8.1 lämpenemällä tarkoitetaan käämitykselle sallittua lämpötilannousua nimelliskuormituksella. Tämän vaikutuksesta eriste ei vielä ennenaikaisesti vanhene. Liian suuri lämpötilavaihtelu saattaa aiheuttaa eristeen haurastumista ja halkeilua. Pitää myös muistaa, että mikäli samanaikaisesti eristettä rasittavat useat tekijät, kuten vaikkapa lämpö ja kosteus kriittinen lämpötila voi olla matalampi ja täytyy arvioida tapauskohtaisesti. Joissakin käyttötilanteissa myös eristeen pakkaskestävyys saattaa vaikuttaa eristemateriaalin valintaan. Lämpövanhenemisen arviointiin käytetään yleisesti Arrheniuksen reaktionopeusyhtälöä k = Ea / R T η e (8.12) missä η on kokemusperäinen vakio, E a on aktivaatioenergia, R on kaasuvakio ja T on lämpötila Käytännön eristerakenteilla on kokeellisesti havaittu, että 8 10 K lämpötilan nousu puolittaa odotettavissa olevan eliniän. 8.4 Eristystä vanhentavat sähköiset reaktiot Osittaispurkaus on läpilyönti ilmatilassa, joka ainakin toiselta sivultaan rajoittuu eristeeseen. Osittaispurkaus ei siis välittömästi johda koko eristyksen läpilyöntiin. Osittaispurkauksessa vapautuva energia on aina melko pieni, vastaten ko. ilmatilassa purkautuvan pienen kapasitanssin energiaa plus sen kanssa sarjassa olevan eristyksen osan kapasitanssin latausenergiaa. Yksi osittaispurkaus ei ole vaarallinen eristykselle. Se voi rikkoa muutamia polymeerirakenteen sidoksia. Jatkuessaan ilmatilat laajenevat ja yhtyvät toisiinsa. Näin eristeeseen syntyy vähitellen pitkiä kanavia, niin kutsuttuja puita. Kanavien seinämät ovat ainakin osittain johtavia. Kun puurakenne on riittävän pitkä ulottuakseen staattoripellistä johtimeen, tapahtuu viimein läpilyönti ja eristys on pilalla. Tällätavoin jatkuva osittaispurkausten aiheuttama altistus vanhentaa ja heikentää eristystä sekä lopulta tuhoaa sen. Kiil-
8.10 LTY Juha Pyrhönen le on materiaali, jota osittaispurkaukset eivät voi vahingoittaa ja näin kiillettä käytetäänkin kaikissa koneissa, joissa osittaispurkaukset kuuluvat normaaliin toimintaan. Jos pintaeristysvälissä kulkee huomattavan suuri pintavirta, voi eristys vähitellen vaurioitua. Virran vaikutuksesta alkaa kostea pintakerros kuivua. Kuivuminen jakautuu epätasaisesti. Katketessaan pintavirta aiheuttaa kipinöintiä ilmassa lähellä eristeen pintaa. Suurjännitekoneissa on jännite maata vasten niin korkea, että ilman läpilyöntilujuus levypaketin kulmassa saattaa ylittyä, ja ilmatilassa syntynyt purkaus etenee pitkin eristyksen pintaa, kunnes pinnan suuntainen kenttä on liian pieni ja purkaus sammuu. Purkausenergia on paljon pienempi kuin pintavirtojen kipinöinnissä, mutta toistuvasti tapahtuessaan pintapurkauksetkin saattavat vahingoittaa eristettä. Kun jännite pintapurkauksessa nousee yli liukupurkausrajajännitteen, suurenee purkausten energia äkillisesti ja purkaus alkaa liukua pitkin eristyksen pintaa jopa kymmeniä senttimetrejä ja jännitteen edelleen noustessa ne lopulta saavuttavat vyyhden päästä heikomman eristyksen tai eristämättömän kohdan, jolloin syntyy läpilyönti. Sekä liuku- että pintapurkauksia voidaan vähentää käyttämällä eristeessä esim. piikarbidia sisältävää kerrosta. Piikarbidin sähkönjohtokyky on voimakkaasti sähkökentästä riippuvainen ja kasvaa esim. verrannollisesti kentänvoimakkuuden viidenteen potenssiin. Seurauksena on kentänvoimakkuushuippujen huomattava tasoittuminen eristyksen pinnalla. Sähkövanhenemisen mallintaminen matemaattisesti on haasteellista, koska ainakin purkausten syttymisjännite muodostaa selvän epäjatkuvuuskohdan. Yleensä sähköisen rasituksen aiheuttamaa vanhenemista kuvataan potenssiyhtälöllä, joka kertoo elinajan t sähkökentänvoimakkuuden, E, funktiona. t n = k E (8.13) Tällöin läpilyöntiajan on todettu noudattavan Weibull-jakaumaa. Eristysrakenteen eliniän arviointi on käytännössä kuitenkin aina koesarjoja vaativa tilastollinen tehtävä. Silloinkin monen eri rasituksen yhtäaikainen vaikutus on yritettävä mahdollisuuksien mukaan ottaa huomioon. Varsinkin silloin tämä on tärkeää, kun halutaan nopeasti tuloksia kiihdytetyillä rasituskokeilla. 8.5 Käytännön eristysrakenteita Käytännössä tärkein eristyksen rakenteeseen vaikuttavista tekijöistä on koneen nimellisjännite. Sen perusteella sähkökoneet voidaan jakaa suur- ja pienjännitekoneisiin. Pienjännitekoneiksi katsotaan koneet, joiden nimellisjännite on pienempi kuin 1 kv. Pienjännitekoneissa yleensä eristyksen jännitekestoisuus ei ole tärkeä suunnitteluperuste. Jos eristerakenne on mekaanisesti riittävän luja niin, että se kestää asennuksen ja eristysrakenteen pintavirrat ovat hallinnassa, on eristyksen jännitelujuus yleensä jo tällöin riittävä. Kipinöimättömyys käytössä on kuitenkin muistettava varmistaa, sillä yleisimmin käytetyt orgaaniset materiaalit eivät kestä kipinöintiä. Suurjännitteisissä koneissa sen sijaan jännitelujuus ja osittaispurkausten hallinta tulevat tärkeiksi rakenteen suunnittelun kannalta. Seuraavassa tarkastellaan esimerkkejä käytännön eristerakenteista. 8.5.1 Pienjännitekoneen uraeristykset Uraeristys muodostuu yleensä kahdesta kerroksesta, ulommasta ja sisemmästä eristyksestä. Kuva 8.3 esittää eristeiden asettumista uraan. Sisempi eristys muodostaa asennuksen aikana suppilon muotoisen ohjaimen, joka helpottaa lankojen asettamista. Lopuksi staattoriura suljetaan työntämällä päädystä uran päälle urakiila tai sulkuliuska.
8.11 LTY Juha Pyrhönen sisempi uraeristys Kuva 8.3. Pienenjännitteisen vaihtosähkökoneen staattoriuran eristys. Eristykselle on varattava yleensä vähintään noin 0,2 0,3 mm uran seinämästä. Uran eristys tehdään siis valmiiksi ennen käämivyyhdin sijoittamista uraan. Vyyhdit ahdetaan uriin lanka tai muutama lanka kerrallaan. ulompi uraeristys Jos käämitys tehdään siten, että kuhunkin uraan tulee useampia kuin kaksi vyyhdensivua, tarvitaan lisäksi eristys vyyhdensivujen väliin. Tämänkään eristeen mitoittaminen ei alle 1 kv:n koneissa useimmiten ole ongelmallista. Eri vyyhdensivujen välinen potentiaaliero on korkeintaan pääjännitteen suuruinen. Kuvassa 8.4 on urakiilalla suljettu ura, jossa on kaksi vyyhdensivua. Eristyksen tulee ulottua päädyissä uraa pidemmälle. Esim. ulkonema vähintään 5 mm, kun nimellisjännite on enintään 500 V. Tämä ulkonema on tärkeä, koska kohtaan, jossa ura loppuu, muodostuu paikallinen sähkökentänvoimakkuuden maksimi, joka aiheuttaa pintavirtoja. Nykyisin löytyy vahvoja ja jännitelujuudeltaan riittävän hyviä materiaaleja, (esimerkiksi polyesterikalvot) joita käyttäen uraeristys voidaan rakentaa yksikerroksiseksi. Tällöin vyyhtien asettamisessa uriin käytetään apuna apuliuskoja tai ylileveitä uraeristeitä, jotka ohjaavat langat uraan naarmuitta. Kun vyyhdit on saatu uraan, apuliuskat tai ylimääräinen eristekalvo poistetaan ja ura suljetaan urakannella. urakiila eristyksen taitto vyyhdensivujen välinen eristys Kuva 8.4. Urakiilalla suljettu ahtokäämitty ura, jossa kaksi vyyhdensivua. Käämitys valmistetaan kelaamalla langat lestille järjestyksestä piittaamatta. Kun vyyhti ahdetaan staattorin uriin, voi lankojen järjestys edelleen sekoittua, minkä vuoksi käämitystä nimitetään vilskekäämitykseksi. Mitoitettaessa uran poikkipinta-alaa on otettava huomioon, että pyörölankakäämityksellä suurin mahdollinen uran vapaan pinta-alan käytännön täytekerroin k Cu (ks. yht. 7.14) lankaeristeineen on n. 0,66 (teoreettinen raja-arvo π/4 = 0,785). Tavallisesti täytekerroin vaihtelee välillä 0,6 0,66 Kun
8.12 LTY Juha Pyrhönen otetaan lisäksi huomioon uraeristyksen vaatima tila, huomataan, että varsinaista johdinkuparia uraan mahtuu vain reilusti alle puolet uran kokonaispinta-alasta. Eristyksellä on siten suuri merkitys koneen kuparihäviöiden määräytymisen kannalta. Pienissä koneissa kuparihäviöiden osuus on varsin suuri, joten koneen hyötysuhteen kannalta uran täyttöön kannattaa kiinnittää erityistä huomiota. 8.5.2 Pienjännitekoneen vaihevälieristykset Edellisessä kappaleessa kerrottiin vaihevälieristyksistä urassa. Myös vyyhdenpäissä eri vaiheet on eristettävä toisistaan. Vaihevälieristeenä käytetään eristyskankaasta leikattuja paloja, jotka käämien asettamisen jälkeen työnnetään paikoilleen. Vyyhdenpää sidotaan vielä lasikuitunauhalla tai köydellä ja lopuksi koko eristysrakenne kovetetaan kyllästysaineella. Edellisten eristysten lisäksi ovat liitäntäjohdot eristettävä läpivienneissä käyttäen sopivan paksuista eristyssukkaa. Lopuksi ennen kyllästämistä vyyhdit sidotaan nauhoilla. Erityistä huomiota tulee kiinnittää liitäntälankojen ja -johtimien sidonnan luotettavuuteen, jotta käämitys ei pääse liikkumaan ja siten kulumaan mekaanisesti. 8.5.3 Napaeristykset Tasavirta- ja tahtikoneissa käytetään tasavirtakäämejä, joita kutsutaan napakäämeiksi. Nämä navat käämitään usein muotokuparista, joka on poikkileikkaukseltaan suorakaiteen muotoista, mutta myös pyörölankakäämejä käytetään. Molemmissa tapauksissa tavallisin johdineristys on lakkapinnoite. Käämi asennetaan sisäpuolelta eristettynä rautasydämen ympärille. Normaalisti napakäämityksen mitoituksessa ei ole tilaongelmia, joten eristeen paksuus ei muodostu rajoitukseksi. Tasavirtakoneiden kääntönavat käämitään irrallisina, kuten kelat. Alimmaiseksi asennetaan eristekerros ja käämi pyöritetään päälle. 8.5.4 Pienjännitekoneiden kyllästäminen Pienjännitekoneet kyllästetään usein upotus-uunitusmenetlmällä. Käämi upotetaan kyllästyshartsiin ja ilman poistuttua vapaasti eristysrakenteesta käämitys nostetaan tippumaan ja viedään lopulta uuniin kovetettavaksi. Tämä tehdään tapauksesta riippuen yleensä kaksi tai kolme kertaa. Tämä on hyvin perinteinen menetelmä, jota on käytetty sähkökoneiden rakentamisen alkuajoista asti. Kuitenkin sitä käytetään edelleen paljon, sillä se ei vaadi mitään kovin erikoisia työvälineitä kuten tyhjöastioita ja -pumppuja. Tyhjökyllästystäkin (VPI, vacuum pressure impregnation) käytetään silloin tällöin erikoiskoneiden tapauksissa, esimerkiksi taajuusmuuttajakäyttöön tarkoitetuissa käämityksissä, kun halutaan varmistua eristyksen ilmattomuudesta. Tätä menetelmää käsitellään hieman lisää myöhemmin. Pieniä koneita kyllästetään usein tiputusmenetelmällä, sillä menetelmä on helppo automatisoida ja on siisti. Käämi lämmitetään virralla ja staattori asetetaan kaltevalle akselille pyörimään. Esikuumennettua hartsia tiputetaan ylempänä pyörivään vyyhdenpäähän. Hartsi valuu staattoriurien kautta toiseen vyyhdenpäähän. Kun hartsia alkaa tippua alapäästä, käännetään kone ja hartia valutetaan päinvastaiseen suuntaan. Kun haluttu kyllästys on saavutettu, staattoripaketti paistetaan uunissa. 8.5.4 Suurjännitekoneen eristykset Suurjännitekoneiden eristyksissä osittaispurkausrasitukset voivat tulla yhdeksi eristyksiä vanhentavista rasituksista. Suurjännitekoneita voidaan käämiä pyörölangasta, kun nimellisjännite on 3 kv tai alle sen. Tätä suuremmilla jännitteillä käytetään lähes aina valmiita muotokuparista muotoiltuja vyyhtejä. Kuvassa 8.5 on kuvattu muotokuparikäämin uran poikkileikkaus. Yleensä kuudesta kilovoltista alkaen käytetään urassa myös eristeen ja staattoripakan välissä johtavaa, ns. hohtosuojaa (Corona protection). Tämän kerroksen tarkoituksena on estää kipinöinti eristeen ja levypaketin väliin jäävissä koloissa. Puolijohtavia tai johtavia aineita voidaan myös käyttää uran täytteenä. Yleisin
8.13 LTY Juha Pyrhönen suurjännitekoneen vyyhden eristeaine on johtimien ympärille kerroksittain kierretty kiillenauha. Kiille on erinomaisen osittaispurkauskestoisuutensa ja käyttöominaisuuksiensa ansiosta säilyttänyt asemansa suurjännite-eristysten pääaineena jo sadan vuoden ajan. Suurjännitekoneen eristyksissä vaaditaan kyllästykseltä rakennetta, jossa on mahdollisimman vähän onteloita. Tämän johdosta käytetään pääasiassa vain kahta eri kyllästysmenetelmää VPI- (Vacuum Pressure Impregnation) tai RRmenetelmää (Resin Rich - menetelmä). VPI-menetelmässä kyllästettävä kappale asetetaan paineastiaan, joka suljetaan ja josta ilma pumpataan pois tyypillisesti noin yhden millibarin paineeseen. Tämän jälkeen erillisessä astiassa käsitelty (viskositeetti tarkistettu, kiihdytinaine lisätty ja hartsi jäähdytetty) ja kaasunpoiston kokenut hartsi lasketaan tai pumpataan lämmönvaihtimen läpi varsinaiseen kyllästysastiaan niin, että kyllästettävä kappale peittyy sopivasti lämmitettyyn hartsiin. Hartsin esilämmitys on tärkeä vaihe, sillä lämmitetyn hartsin viskositeetti laskee sopivaksi, jotta se voi tehokkaasti tunkeutua kaikkiin eristyksen huokosiin. Tämän jälkeen paineastiaan ohjataan 3 5 barin paine, jonka annetaan vaikuttaa tunteja. Lopulta hartsi pumpataan lämmönvaihtimen läpi takaisin säilytyssäiliöön. Jäähdytetty hartsi säilyy pitkään varastoinnissa kovettumatta. Kyllästettävä kappale asetetaan valutuksen jälkeen uuniin, jossa hartsi lopullisesti kovetetaan. VPImenetelmä sopii parhaiten muotokuparikäämityksille, jossa eristepaksuudet ovat tarkasti mitoitettavissa. Näin myös hartsin täyttämien tilojen paksuudet pysyvät hallinnassa. Urakiila Johtavia täyteaineita tai bakeliittia pääeristys hohtosuoja Kuva 8.5. Suurjännitekoneen staattoriuran eristysrakenne. Rakenteesta havaitaan, että eristyksen suhteellinen osuus on huomattavasti suurempi kuin kuvan 8.4 pienjännitekoneen urassa. Toisaalta urassa on käytetty muotokuparia, joten urassa olevan kuparin täytekerroin saadaan melko suureksi. RR - menetelmässä lähes kaikki käytettävät eristeet ja muut aineet ovat esikyllästettyjä. Sideaineena on usein epoksihartsi ns. esikovetetussa tilassa, jolloin hartsi on kiinteätä, mutta pehmeää ja eriste siten helposti muokattavissa. Vyyhdit eristetään kiillenauhalla, jota kiedotaan vyyhden ympärille päästä päähän useita kerroksia. Näin muodostuu vyyhdin pääeristys. Lopuksi eristyksen epoksihartsi kovetetaan korkeassa lämpötilassa (noin 160 C) ja paineessa. Yleensä tällainen eristys täyttää vähintään lämpöluokan F vaatimukset. VPI - menetelmä poikkeaa RR - menetelmästä siinä, että käytettävät eristeaineet ovat huokoisia ja sisältävät vain hyvin vähän sideaineita. Kun eristys on saatu paikalleen, kyllästetään sen ilmatilat tarkoin kyllästyshartsilla. VPI-menetelmää käytettäessä voidaan tarkalla mitoituksella vähentää kiilauksessa tarvittavien täyteaineiden määrää. Valmis eristys on kaikissa suhteissa samanarvoinen, riippumatta siitä kummalla menetelmällä se on tehty.
8.14 LTY Juha Pyrhönen Kuten kuvasta 8.5 näkyy, voidaan urassa käyttää, etenkin RR-menetelmän yhteydessä, täyteliuskoja. Näiden yksi tarkoitus on varmistaa se, että urakiila puristaa sauvaa tasaisesti. On jopa käytetty joustavia täyteliuskoja, joilla vyyhtien löystyminen voidaan välttää. Vyyhtien löystyminen voidaan myös välttää käyttämällä menetelmää, jossa käämiä vanhennetaan mekaanista voimaa ja lämmitystä käyttäen (hot pre-wedging). Tällä menetelmällä saavutetaan suuri ja pysyvä puristusvoima kiilaukselle. Käämien päiden eristys tehdään kuten uraosuudellakin paitsi, että täyteliuskoja ei käytetä. Myöskään johtavaa materiaalia ei käytetä, kuten uraosuudella. Sen sijaan kohdassa, jossa staattoripakka loppuu, voidaan käyttää puolijohtavia pinnoitusaineita johtimen päällä. Yleisimpinä kentäntasausmateriaaleina käytetään puolijohtavaa piikarbidi-nauhaa tai -maalia. 8.6 Eristysten kunnonvalvonta Eristeaineet menettävät eristysominaisuuksiaan vanhetessaan. Sähkökoneen luotettavan toiminnan takaamiseksi on eristyksille suoritettava säännöllisiä kunnonvalvontamittauksia, jotta eristyskyvyn menetys voidaan ajoissa ennakoida. Yleisimpiä tarkistusmittauksia ovat eristysvastus- ja tanδ-mittaus, mutta myös monet käytönaikaiset mittaustavat ovat jo suurissa koneissa yleisiä. Käämityksen eristysvastus koostuu pintavastuksesta ja tilavuusvastuksesta. Tilavuusvastukselle asetetaan sähkökoneissa varsin pienet vaatimukset, koska dielektrisiä häviöitä voidaan sähkökoneissa sallia varsin paljon verrattuna esimerkiksi kondensaattoreihin. Tilavuusvastuksen arvot eivät juuri riipu ympäristön kosteudesta, ellei eristys ole hygroskooppinen. Tyypillisesti uuden pienjännitekoneen eristysvastus on 5000... 10000 MΩ. Tämä vastaa noin 10 14 Ωm:n ominaisvastusta. Pienjännitteinen kone on kuitenkin vielä täysin hyväksyttävässä kunnossa, kun sen eristysvastus on laskenut 1 MΩ:iin, joka vastaa noin 10 10 Ωm:n ominaisvastusta. Dielektristen häviöiden puolesta voitaisiin hyväksyä vielä tätä huomattavastikin pienempi ominaisvastus, ehkä noin 10 7 Ωm. Näin ollen eristyksen paksuuden mitoittamisessa eristysvastuksen tavoitearvolla ei ole juuri merkitystä. Pintavastus on voimakkaasti riippuvainen eristyksen pinnalle kertyvästä liasta ja kosteudesta. Käämityksen eristetyille pinnoille, jotka toimivat pintaeristysväleinä, kertyy aina käytön aikana likaa, joka on usein ainakin osittain sähköä johtavaa ja lisäksi hygroskooppista. Likaantuneen ja kostean käämityksen eristysvastus voi pudota alle em. 1MΩ:n tason, jolloin käämityksen kestävyys voi joutua vaaraan. Pintaeristysväli muodostuu sähkökoneessa esimerkiksi uraeristeen pään yli johdinkuparista staattoripakettiin. Eristysvälin tehollinen pituus on fyysistä etäisyyttä suurempi, koska johtimet on eristetty ja käämitys kyllästetty. Tosin käämityksen eristyksestä ja kyllästyksestä voi löytyä satunnaisia reikiä. Kaikkein kriittisimpiä eristysvälejä ovat avoimet eristysvälit, esim. tasavirtakoneen kommutaattorilla, johon kertyy käytön aikana hiilipölyä. Eristysvastusmittaus on eniten käytetty mittaus sähkökoneen kunnonvalvonnassa. Eristysvastusmittaus tehdään pienehköllä (500 1500 V) tasajännitteellä. Se on helppo ja nopea suorittaa eikä vaadi kalliita apuvälineitä. Mittaustulosten perusteella ei kuitenkaan voida tehdä kovin pitkälle meneviä johtopäätöksiä eristyksen sisäisestä tilasta. Eristysvastusmittausta voidaankin suositella lähinnä käyttöönoton yhteydessä ja rutiiniluontoisessa eristyksen toimintakunnon testaamisessa. Lämpötilalla on suuri vaikutus eristysvastusmittauksen tuloksiin. Toisin kuin johteiden vastus, eristeaineiden vastus pienenee lämpötilan kasvaessa. Toistoaaltomittausta käytetään kierroseristyksen eheyden ja jännitelujuuden tarkistuksessa. Toistoaaltokoestuslaite aikaansaa jännitelähteen ja koestettavan käämin välille värähtelypiirin, jolloin käämin päiden välille syntyy värähtelevä jännite. Kokeen tulos on luettavissa oskilloskoopin näytöl-
8.15 LTY Juha Pyrhönen tä, kun verrataan kahta identtistä käämitystä toisiinsa. Tällä koestuksella kierrossulku, maasulku ja impedanssiero ovat havaittavissa värähtelyn taajuuden, amplitudin tai vaimenemisajan poikkeamana. Eristeen häviökertoimen mittaaminen on hyvä ja yleisesti käytetty mittausmenetelmä varsinkin suurilla koneilla. tanδ-käyrä piirretään yleensä jännitteen funktiona, jolloin jännite nostetaan ainakin laitteen suurimpaan käyttöjännitteeseen. Kun koetuloksia arvioidaan, voidaan kiinnittää huomiota sekä tanδ-arvon suuruuteen että sen kasvuun jännitettä nostettaessa. Kuvassa 8.6 on esitetty periaatteellinen tanδ(u) - käyrän muoto muutamilla esimerkkitapauksilla. Ihanteellinen käyrä olisi käyrän 1 mukainen. Käytännössä terveellä eristeellä tanδ on kasvaa hieman jännitteen funktiona, kuten käyrä 2 esittää. Käyrän muodosta voi tehdä johtopäätöksiä myös niistä syistä, jotka aiheuttavat tanδarvon nousun. Käyrän 4 mukainen tanδ-käyrä voi kertoa eristeen liiallisesta vanhenemisesta. Käyrä 3 taas kuvaa tilannetta, jossa tanδ-arvo alkaa äkillisesti nousta, kun saavutetaan tietty jänniterasitus. Tämä on merkkinä huomattavien osittaispurkausten syttymisestä eristyksessä. Koska purkaukset ovat paikallisia, on varsinainen osittaispurkausmittaus kuitenkin yleensä huomattavasti herkempi osittaispurkausten ilmaisija. tanδ 4 tanδ 3 1 2 Δ tanδ U 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 a) b) U/U n c) Kuva 8.6. a) erimuotoisia tanδ(u) - käyrän muotoja: 1 ihanteellinen käyrä, 2 tyypillinen terve eristys, käyrä 3 ilmentää ylimääräisiä osittaispurkauksia, käyrä 4 kuvaa ikääntyneen eristeen käytöstä. b) mittaus 0,2U n portain. Jyrkkyys määritellään Δtanδ/0,2U n. c) erään todellisen, kunnossa olevan koneen mittaustulos, joka vastaa a)-kuvan käyrää 2. (lähde: ABB Pitäjänmäki 2005) tanδ-arvo sellaisenaan ilmaisee dielektristen häviöiden suhteellisen suuruuden. Liian suuri dielektrinen häviöteho saattaa johtaa eristeen kuumenemiseen joko paikallisesti tai kauttaaltaan. tanδ - mittauksia suoritettaessa on muistettava, että eristeen lämpötila vaikuttaa saataviin tuloksiin. Joissakin tapauksissa kannattaa suorittaa mittauksia useissa eri lämpötiloissa. Monissa eristysrakenteissa pidetään arvoa Δtanδ = 10 0 /00 suurimpana sallittuna arvona.
8.16 LTY Juha Pyrhönen Häviökulmamittaus suoritetaan siltamittauksena. Siinä pyritään selvittämään eristyksen dielektristen häviöiden suhde kapasitiivisiin häviöihin, kuva 8.7 Mittauskytkentä on kuvassa 8.8. U I C I I R I U δ I R I C Kuva 8.7. Eristerakenteen sijaiskytkentä ja häviökulman laskeminen C n R 3 C 4 R 4 Kuva 8.8. tanδ - mittauskytkentä Scheringin sillalla. C n on normaalikondensaattori. Osittaispurkausmittauksella saadaan selville käämieristyksessä tapahtuvat osittaispurkaukset. Osittaispurkausmittauksen avulla pystytään ennakoimaan eristysvauriot, niiden luonne ja summittainen sijainti. Osittaispurkausmittauksen selvänä etuna on mittaustulosten käyttökelpoisuus eristyksen kunnon arvioinnissa. Osittaispurkaukset mitataan erityisen mittalaitteiston avulla, johon kuuluvat säätömuuntaja, kondensaattori ja mittausimpedanssi Z sekä osittaispurkausmittari, kuva 8.9. Mittaus tehdään vaiheittain staattorin runkoa ja siihen kytkettyjä toisia vaiheita vastaan. Mittausta suoritettaessa on pyrittävä välttämään häiriöitä mittauspiirin komponenttien valinnalla ja valitsemalla mittaustaajuus, joka minimoi radiotaajuiset häiriöt. säätömuuntaja Kuva 8.9. Osittaispurkausmittauskytkentä. Z pc, μv db Mittaustuloksena saadaan osittaispurkauksen arvot jännitteen funktiona. Kuvassa 8.10 on esitetty kaksi tulostusesimerkkiä, joista esimerkki a sisältää mittaustulokset kaikissa kolmessa vaiheessa ja esimerkki b tietyn vaiheen osittaispurkausarvot kolmella eri taajuudella mitattuna.
8.17 LTY Juha Pyrhönen k 1 pd k 2 pd f 1 f 2 k 3 f 3 0 U 0 a) b) U c) Kuva 8.10. Osittaispurkausmittauksen esimerkkituloste. pd on partial-discharge, osittaispurkaustaso. k 1, k 2 ja k 3 kuvaavat eri käämejä ja f 1, f 2 ja f 3 eri mittaustaajuuksia. c) esittelee HAEFELY TRENCH TETTEXinosittaispurkausmittalaitteen antamaa graafista kuvaa kahden minuutin osittaispurkausmittauksesta. (lähde: ABB Pitäjänmäki 2005). Mittausaika on ollut 2 minuuttia. 8 kv:n 50 Hz:n vaihtojännitteellä. Kuva esittää osittaispurkausten määrän, näennäisen purkausvarauksen ja jännitteen vaihekulman, jolla purkauksia on tapahtunut. Huomaa, että negatiivisen puolijakson aikana osittaispurkauksia on enemmän kuin positiivisen puolijakson aikana. Huomaa myös, että symboli Hn(f,q) pystyakselilla kuvaa osittaispurkausten varausten lukumäärää niiden suuruuden ja sijaintivaihekulman funktiona. 8.7 Eristykset taajuusmuuttajakäytöissä Nykyään suuresti yleistyneet taajuusmuuttajakäytöt asettavat omat vaatimuksensa moottoreiden eristysrakenteille. Taajuusmuuttajan jännite sisältää runsaasti yliaaltoja, jotka aiheuttavat käämityksessä lisähäviöitä ja käämitysten lämpötilan nousua. Tämä suurempi lämpenemä aiheuttaa sen, että suoraan verkkokäyttöön mitoitetusta koneesta ei voida ottaa jatkuvasti aivan nimellistehoa, tai sitten on vain hyväksyttävä lämpövanhenemisen kiihtyminen. Nykyaikaisilla suurta kytkentätaajuutta soveltavilla taajuusmuuttajilla synnytetään koneisiin niin sinimuotoinen virta, että koneen hyötysuhde laskee vain noin yhden prosenttiyksikön, joten tässä mielessä taajuusmuuttajakäytössä koneen kuormituskyky ei juuri heikkene. Käytettäessä hyvin alhaista kytkentätaajuutta (< 1 khz) on koneen nimellistehoa tyypillisesti laskettava n. 5 %. Taajuusmuuttajan jännite koostuu pulsseista, joiden huippujännite saattaa huomattavastikin poiketa tavallisen sinimuotoisen jännitteen huippuarvosta. Lisäksi jännitteen nousunopeus voi olla niin suuri, että pulssi käyttäytyy kuten käämitykseen tuleva syöksyaalto, joka jakautuu käämityksessä erittäin epälineaarisesti ja aiheuttaa heijastumisen kautta jännitteen suurenemista.
8.18 LTY Juha Pyrhönen Normaalia käyttötaajuutta oleellisesti suuremmilla taajuuksilla kaapelia ei enää voi kuvata keskitettyjen kaapeliparametrien avulla, vaan on siirryttävä jakautuneiden vakioiden käyttöön. Tällöin kaapelin resistanssi, induktanssi, konduktanssi ja kapasitanssi ajatellaan jakautuneeksi koko kaapelin pituudelle. Induktanssi ja kapasitanssi pituusyksikköä kohti määrittävät kaapelille yksilöllisen ominaisimpedanssin Z 0. l Z0 =. (8.14) c c on kapasitanssi pituusyksikköä kohti l on induktanssi pituusyksikköä kohti Kaapelin rakenne ja eristys määräävät ominaisimpedanssin Z 0 suuruuden ja siten se on riippumaton kaapelin pituudesta. Kaapelin ominaisimpedanssin arvo on tyypillisesti luokkaa 100 Ω. Aallon nopeus kaapelissa riippuu kaapelin eristemateriaaleista. Materiaaleilla tarkoitetaan johdinta ympäröiviä väliaineita eikä itse johdinta. Suurin mahdollinen nopeus on valon nopeus, joka voidaan saavuttaa tyhjiössä. Aallon nopeus v voidaan määrittää kaapelin ominaisarvojen perusteella C 1 v = =. (8.15) με r r l c Koneen ominaisimpedanssi on aina hyvin erilainen verrattuna kaapelin ominaisimpedanssiin, joten heijastumat ovat väistämättömiä. Syöksyaalto etenee moottorikaapelissa tyypillisesti noin 150 m/μs. Täydellisen heijastuksen vaatimalle aallon kulkumatkalle eli kriittiselle kaapelin pituudelle l cr saadaan tällöin trv l cr =. (8.16) 2 t r on jännitepulssin rinnannousuaika v on jännitepulssin etenemisnopeus Jos oletetaan aallolle v = 150 m/μs ja t r = 100 ns (IGBT), saadaan kriittiseksi kaapelin pituudeksi 7,5 m. Heijastuneen ja tulevan pulssin suhdetta kuvataan heijastuskertoimella ρ. Tämä kerroin riippuu moottorikaapelin ominaisimpedanssista Z 0 ja aallon "näkemästä" moottorin (käämityksen) ominaisimpedanssista Z M Z Z M 0 ρ = (8.17) Z M + Z0 Kuten yhtälöstä huomataan, vaihtelee heijastuskertoimen arvo välillä 0 ρ 1, kun Z M Z 0. Moottorin ominaisimpedanssin määrittäminen on lähestulkoon mahdotonta laskennallisesti. Mittaamalla heijastuksia koneen navoissa voidaan päätellä koneen ominaisimpedanssin suuruusluokkaa. Koska Z 0 = l / c, voidaan päätellä, että moottorin ominaisimpedanssi on moottorin suuren induktiivisuuden johdosta korkea.
8.19 LTY Juha Pyrhönen Sähkökoneiden eristyskysymyksissä perustan luovat IEC 34-standardit, jotka perustuvat jo pitkälliseen kokemukseen eristyksissä. Tämän lisäksi kun otetaan huomioon koneen käytön aikaiset rasitukset, kuten lämpötila ja käyttöolosuhteet, voidaan koneen eristysrakenne suunnitella. Yleensä eristysrakenteen sähköiseen varmuuteen ei pienjännitekoneilla ole mekaanisten ja kipinöimättömyysvaatimusten lisäksi tarvetta kiinnittää erityistä huomiota. Suurjännitekoneissa sen sijaan on yleensä suunniteltava suojaus osittaispurkausten vähentämiseksi. Kehityksen suuntana on ollut, että säädetyt käytöt yleistyvät pienjännitteisissä koneissa. Tällöin syöttökaapelin pituuden ollessa suuri ja koneen nimellisjännite esimerkiksi 690 V, voi heijastuvan aallon vaikutuksesta koneen jännite nousta niin suureksi, että käämityksessä syntyy osittaispurkauksia myös samaan vyyhtiin kuuluvien kierrosten välillä. Varsinkin kun tehoelektroniikan kytkimet kaiken aikaa tulevat nopeammiksi, myös pulssien nousuajat lyhenevät. Tämä merkitsee sitä, että käytön, kaapelin ja koneen yhteensovittaminen tulee yhä tärkeämmäksi. Kaapelin suojavaipan 360 asteen maadoittaminen on myös tärkeää. Lisäksi kaapelin tulisi olla mahdollisimman lyhyt. Myös erilaisten alipäästösuodattimien käyttö yleistyy muidenkin kuin eristyksen asettamien rajoitusten vuoksi. Yhdenkin osittaispurkauksen syntymiseen sanotaan tarvittavan useita tuhansia jyrkkäreunaisia jännitepulsseja. Pulssien nousureunan tulee olla alle 200 ns. Tämä vaatimus täyttyy kirkkaasti nykyisten IGB-transistorien osalta. PWM-pulssien määrää voidaan rajoittaa hyvällä säätötekniikalla, mutta aina se ei ole mahdollista. Koneensuunnittelijalla on käytössään joitain menetelmiä osittaispurkausten minimoimiseksi. On mm. mahdollista käyttää osittaispurkauskestoista käämilankaa. Tällaisissa langoissa on eristeeseen lisätty kiillettä tai jotain sopivaa metallioksidia, jotka kestävät osittaispurkauksia. On myös mahdollista käyttää lisäeristystä eri käämikierrosten välillä. Tärkeintä on eristää ensimmäinen käämikierros muista tehokkaasti, jolloin osittaispurkausvaara vähenee olennaisesti. Tyhjökyllästysmenetelmän käyttö vähentää olennaisesti ilmataskuja, jolloin osittaispurkausten vaarakin vähenee. Viitteet: Paloniemi Paavo, Keskinen Eero, "Sähkökoneiden eristykset", luentomoniste TKK 1996. Nousiainen Kirsi, "Suurjännitetekniikan perusteet", opintomoniste 144, TKK 1991. Walker J. H., "Large syncronous machines", Clarendon press Oxford 1981.
Taulukko 8.2. Kiille-eristeiden ominaisuuksia (Paloniemi 1996) 8.20 LTY Juha Pyrhönen ominaisuus kommutaattorimikaniitti Muovailu-mikaniitti Mikafolium Lasi-mikanauha lasivahv. epoksikiillepaperinauha kiillepitoisuus / % 95...98 80... 90 40...50 40 45...55 sideainepitoisuus / % 2...5 10...20 25...40 18...22 35...45 tukiaine - - 20 40 15 puristuslujuus N/mm 2 110...170 - - - - vetolujuus N/mm 2 - - 30...50 40...80 80...120 puristuma / % 2...6-1) - - - jatkuva käyttölämpötila / C, sideaineena -shellakka -alkydit, epoxi -silikoni F 2) H 3) - F 2) H 3) - B130 F155 H180 B130 F155 H180 jännitekestoisuus 25 20 20 16...20 20...30 kv/mm (1 min 50 Hz) 1) Valmistusvaiheessa kiillesuomut liukuvat toistensa suhteen. Sideaineen kovetuttua puristuma on 4...8 % 2) F-luokan koneiden kommutaattorissa 3) H-luokan koneiden kommutaattoreissa Taulukko 8.3. Eristyskalvojen ominaisuuksia (Paloniemi 1996) Ominaisuus Yksikkö Polyesteri PETP Polyimidi Polyhydanfoin Polysulfoni PES Vetolujuus N/mm 2 140...160 180 >100 90 Murtovenymä % 75 70 >100 25 Kimmomoduli N/mm 2 3900 3000-2500 Tiheys g/cm 3 1,38 1,42 1,27 1,37 Sulamispiste C 250 Ei sula - Kutistuminen 150 % 3 - - - C:ssa Palaminen Hidas Ei pala - Ei ylläpidä palamista Kosteudenimevyys paino-% 0.5 3 4.5 1.1 - emäkset 1 0 2 3 - org. liuottimet 4 4 3 1 Jatkuva käyttölämpötila C 130 220 155 180 Hetkellinen lämmönkestoisuus C 190 400 260 210 Pehmenemispiste C 210 530 270 235 Kemiallinen kestoisuus arvosteltu numeroin 0...4 - hapot 2 3 2 3 Ominaisresistiivisyys Ωcm 10 19 10 18 4*10 16 5*10 16 Jännitekestoisuus kv/mm 150 280 >200 175 Kauppanimiä Mylar Melinex Hostaphan F155 Kapton Resistofol Folacron PES