Улучшение характеристик электроизоляционных материалов обмоток электрических машин

А.Ф. БУРКОВ 
Д.С. НИКОЛАЕВ 
В.Н. ЮРИН

Москва
ИНФРА-М
2022

УЛУЧШЕНИЕ 
ХАРАКТЕРИСТИК 
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ ОБМОТОК 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Под общей редакцией А.Ф. Буркова

МОНОГРАФИЯ

УДК 621.3.045(075.4)
ББК 31.234
 
Б91

Бурков А.Ф.

Б91  
Улучшение характеристик электроизоляционных материалов обмо
ток электрических машин : монография / А.Ф. Бурков, Д.С. Николаев, В.Н. Юрин ; под общ. ред. А.Ф. Буркова. — Москва : ИНФРА-М, 
2022. — 156 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1859961.

ISBN 978-5-16-017528-7 (print)
ISBN 978-5-16-110049-3 (online)

В монографии изложены вопросы теории, рассмотрены методы и сред
ства улучшения качественных характеристик изоляции электрических 
машин, приведены результаты разработки эффективных научно-технических решений, направленных на улучшение качества технических характеристик электрических изоляций судовых электрических машин, на основе 
теоретических исследований и обобщенного анализа мониторинга эксплуатационных испытаний судового электрооборудования, модернизации 
технических реализаций, экспериментальных исследований и сравнительных оценок.

Для специалистов в области электротехники, в частности судового 

электрооборудования. Может быть использована аспирантами, курсантами и студентами в системе специального образования.

УДК 621.3.045(075.4)

ББК 31.234

Р е ц е н з е н т ы:

Глушков С.В., доктор технических наук, профессор Морского госу
дарственного университета имени адмирала Г.И. Невельского;

Силин Н.В., доктор технических наук, профессор Дальневосточного 

федерального университета

ISBN 978-5-16-017528-7 (print)
ISBN 978-5-16-110049-3 (online)

© Бурков А.Ф., Николаев Д.С., 

Юрин В.Н., 2022

Список сокращений 
и условных обозначений

АД — асинхронный двигатель
ВПМ — УВИ — РТ — «выделение потерь в магнитопроводе — удаление влаги из электрической изоляции — регулирование теплообменов» (процесс)
И — НО — «индуктор — намагничивающая обмотка» 
(система)
И — СЭМ — «индуктор — статор электрической машины» 
(система)
ИТУН — источник тока, управляемый напряжением
КПД — коэффициент полезного действия
МДС — магнитодвижущая сила
ППР — полупроводниковый регулятор
ППР — И — «полупроводниковый регулятор — индуктор» 
(система)
Правила — Правила технической эксплуатации судовых 
технических средств и конструкций
Регистр — Российский морской регистр судоходства
РЭ — регулирующий элемент
СГ — синхронный генератор
С — НО — «статор — намагничивающая обмотка» (система)
ТО — техническое обслуживание
ТП — технологический процесс
ТС — техническое состояние
ТЭ — техническая эксплуатация
ШИП — ИН — МП — «широкополосный источник питания — индуктор — магнитопровод» (система)
ЭД — электрический двигатель
ЭДС — электродвижущая сила
ЭИ — электрическая изоляция
ЭМ — электрическая машина

Бурков А.Ф., Николаев Д.С., Юрин В.Н.

ЭО — электрическое оборудование
ЭП — электрический привод
ЭЭ — электрическая энергия

Введение

Повышение ресурса судового электрооборудования (ЭО) 
имеет большое значение для эффективной работы судовых 
энергетических установок и эксплуатации судов в целом. Надежность судового ЭО в значительной степени зависит от состояния его изоляции, по это му вопросам, связанным с эксплуатацией и диагностикой состояния изоляции судового ЭО, 
уделяется повышенное внимание. Необходимость решения 
задач, связанных с повышением ресурсов, отражена в государственной программе «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года», утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 № 2446-р.
Эксплуатация судового ЭО происходит в специфических 
условиях, связанных с повышенной влажностью, изменениями температур в широком диапазоне, агрессивностью 
окружающей среды, с изменениями положений частей ЭО, 
обусловленных качкой, повышенной вибрацией и др. Создание необходимых условий для эффективной эксплуатации 
судов и жизнедеятельности экипажа во многом зависит от надежной работы судовых систем, генерирующих электрическую 
энергию и потребляющих ее, к основным составным частям 
которых относятся судовые электрические машины (ЭМ) — 
генераторы и электродвигатели (ЭД). Установленное число 
ЭМ на одном судне достигает сотни единиц.
В процессе эксплуатации судовых ЭМ состояние их изоляции под действием внешних факторов или в результате 
критических ситуаций изменяется, что приводит, как правило, к снижению сопротивления изоляции. Ухудшение состояния изоляции ЭМ приводит к необходимости принятия 
эффективных мер к ее восстановлению. Во многих случаях 
важным технологическим процессом (ТП) является уда

Бурков А.Ф., Николаев Д.С., Юрин В.Н.

ление влаги из изоляционного слоя, которое можно обеспечить различными известными способами, описанными в литературе.
Для судовых ЭМ на стадии потребления «жизненного 
цикла» выбор варианта определяется техническими возможностями и определенными требованиями к соблюдению ТП. 
Как показывает выполненный анализ, разработаны и широко 
распространены методики повышения сопротивления изоляции в заводских условиях в период плановых ремонтов, 
сопровождающиеся относительно трудоемкими сопутствующими работами, включающими демонтаж ЭМ. Кроме того, 
транспортировка крупногабаритных ЭМ, преимущественно 
судовых генераторов, в ряде случаев требует изготовления 
технологических люков в палубах судов, использования судовых или береговых подъемно-транспортных машин и механизмов. Специфические условия эксплуатации судовых ЭМ 
повышают значимость улучшения качества изоляции ЭМ 
в судовых условиях без их демонтажа и бóльшей части трудозатратных и экономически невыгодных сопутствующих работ.
В общем случае ЭМ относятся к основным составным частям электроприводов (ЭП) и судовых электроэнергетических систем, генерирующих электроэнергию. Исследования, 
разработка и реализация научно-технических мероприятий, 
направленных на повышение качества их изоляции в судовых 
условиях, относятся к перспективным направлениям развития 
судовой электроэнергетики.
В промышленности распространены индукционные нагреватели, работающие от источников синусоидального напряжения повышенной частоты. Для применения в судовых 
условиях представляются наиболее приемлемыми конвекционный, индукционный, электроосмотический и токовый 
способы повышения изоляции. В результате сравнительной 
оценки характеристики определено, что к наиболее целесообразным следует отнести индукционный способ.

Улучшение характеристик электроизоляционных материалов...

Материал монографии содержит: анализ опыта использования технических мероприятий, направленных на улучшения качества изоляции ЭМ с целью выявления вариантов, 
приемлемых в судовых условиях, исследование структур 
и алгоритмов работы изделий; исследование распределения 
тепловых потерь в сложных магнитопроводах ЭМ машин 
с целью оптимизации параметров улучшения технических 
характеристик электрической изоляции в судовых условиях; 
разработку математической модели для аналитических исследований системы «индуктор — статор ЭМ» (И–СЭМ), 
обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий, направленных на повышение сопротивления изоляции судовых ЭМ; физическую реализацию исследований 
ТП повышения качества электрической изоляции ЭМ; сравнительный анализ аналитических и экспериментальных исследований с целью проверки достоверности математического 
моделирования.
В результате выполненных исследований разработаны 
научно-прикладные подходы, на основе которых выполнен 
анализ опыта использования технических мероприятий, направленных на улучшение качества изоляции ЭМ с целью 
выявления вариантов, приемлемых в судовых условиях, проведено исследование структур и алгоритмов работы изделий; 
выполнены теоретические и технические исследования распределения тепловых потерь в сложных магнитопроводах ЭМ 
с целью оптимизации параметров ТП улучшения технических 
характеристик электрической изоляции в судовых условиях; 
разработана на основании обобщенных теоретических исследований математическая модель систем И — СЭМ с учетом 
гистерезиса на основной гармонике и вихревых токов на основной и высших гармониках для аналитических исследований, обусловленных технической реализацией предложенных мероприятий, направленных на повышение сопротивления изоляции судовых ЭМ; выполнена физическая 

Бурков А.Ф., Николаев Д.С., Юрин В.Н.

реализация исследований ТП повышения качества электрической изоляции ЭМ.
Полученные обобщенные результаты опыта использования 
технических мероприятий направлены на улучшение качества 
изоляции ЭМ.
Универсальность предложенных технических решений 
и мероприятий заключается в возможности их использования 
как на судах, так и в береговых условиях.
Авторы выражают благодарность кандидату технических 
наук, профессору Сологубу Николаю Прохоровичу, с благодарностью вспоминают кандидата технических наук, доцента 
Шаталова Валерия Васильевича.

Глава 1. 
АНАЛИЗ ОПЫТА ТЕХНИЧЕСКОЙ 
ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В современной динамично развивающейся промышленности и на транспорте, а также в его инфраструктуре неуклонно 
возрастает потребность в ЭО, которая не может быть полностью удовлетворена без организации грамотной технической 
эксплуатации (ТЭ), диагностики состояния и своевременных 
ремонтных работ. Актуальной является разработка организационных и технических мероприятий, направленных на повышение надежности и увеличение срока эксплуатации ЭО.
ЭО, применяемое в промышленности и транспортных установках, при разукрупнении можно условно разделить на две 
основные части: силовое ЭО исполнительных механизмов 
и устройства для управления силовым ЭО.
В состав силового ЭО входят источники электрической 
энергии (ЭЭ) (генераторы и др.), силовые преобразователи 
(трансформаторы, полупроводниковые выпрямители и т.п.), 
потребители ЭЭ (ЭД, системы освещения и т.д.). К устройствам управления относятся различные изделия (магнитные 
контроллеры и др.), основной элементной базой которых являются контактные и бесконтактные коммутационные аппараты и пр.
Анализ опыта эксплуатации ЭО показывает, что количество отказов силового ЭО составляет до 48%, устройств 
управления — около 52% [1, 2, 3]. Принципиальное различие в устранении неисправностей заключается в том, что 
если ремонты устройств управления выполняются, как правило, путем частичной или полной замены элементной базы, 

Бурков А.Ф., Николаев Д.С., Юрин В.Н.

то силовое ЭО подлежит ремонтным работам, сопровождающимся восстановлением поврежденных составных частей. 
Суммарные затраты на такие ремонты относительно высокие 
и часто соизмеримы со стоимостью нового ЭО.
В настоящее время в большинстве промышленных и транспортных механизмов используются ЭП. Согласно статистическим данным, ЭП оснащены примерно 85% всех двигательных 
и силовых механизмов [4, 5]. Основной составной частью 
ЭП являются ЭД, которые потреб ляют ориентировочно 75% 
от всей ЭЭ, вырабатываемой в мире.
Для обеспечения безаварийной и эффективной эксплуатации ЭМ необходимо уделять большое внимание важным вопросам диагностики состояния, техническому обслуживанию 
(ТО), определению и устранению выявленных дефектов [2, 
6, 7]. В частности, своевременное выявление ухудшения диэлектрических характеристик электрических изоляций, к которым в первую очередь относятся сопротивление изоляции 
Rиз и электрическая прочность обмоток ЭМ, и принятие мер 
к их восстановлению требуют гораздо меньших средств, чем 
замена обмоток после их разрушения.
В теории и на практике различают понятия конструктивной, технологической и эксплуатационной надежности 
[2]. Исследование надежности ЭМ основывается в том 
числе на статических данных об отказах [1]. При этом выявляются элемен ты в составе ЭМ, имеющие наименьшую 
надежность.
В процессе эксплуатации ЭМ находятся под влиянием 
различных факторов (тепловой и электрической энергии, 
вибрации, влажности, химически агрессивных сред и др.), 
оказывающих влияние на надежность ЭО. Наиболее разрушительное действие этих факторов оказывается на электрическую изоляцию (ЭИ) ЭО [6, 8]. Одним из важных последствий воздействия указанных факторов на ЭО является старение ЭИ. Кроме того, по результатам выполненного анализа 
отказов ЭМ установлено, что на время безотказной работы