УДК 621.318.132
КОНТРОЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПНОЙ СТАЛИ
Г. С. Корзунин, М.Л. Лобанов, А.А. Редикульцев, Л.В. Лобанова
Тестер Франклина является единственным стандартизированным прибором, используемым для аттестации диэлектрических свойств электроизоляционного покрытия электротехнических сталей. Им измеряют величину силы тока от десяти электродов с равной площадью поверхности, контактирующих с поверхностью материала, после этого ток пересчитывают в коэффициент электросопротивления изоляционного покрытия, служащей основной характеристикой диэлектрических свойств. Показано, что величины, измеряемые тестером Франклина, характеризуют не собственно диэлектрические свойства покрытия, а являются индикаторами наличия мест (дефектов), на которых покрытие отсутствует.
Ключевые слова: электротехническая анизотропная сталь, электроизоляционное покрытие, тестер Франклина, коэффициент электросопротивления изоляции.
ВВЕДЕНИЕ
Современная электротехническая анизотропная сталь (ЭАС) [1—3] по существу является композиционным материалом, состоящим из магнитной основы (Fe — 3 % Si) и электроизоляционного покрытия (ЭП), представляющего собой многокомпонентную металлокерамическую пленку, свойства и состав которой в значительной мере влияют на магнитные свойства готового продукта [4—11].
Основное назначение ЭП — создание изоляционного слоя, предотвращающего электрические замыкания между пластинами магнитопро-водов. ЭП обеспечивает при прохождении переменного магнитного потока минимизацию величины вихревых токов в магнитопроводе, пластины которого, существующие как отдельные проводники, имеют повышенное электрическое сопротивление вследствие их малой толщины (0,23; 0,27; 0,30; 0,35 мм). В итоге при работе магнитопровода минимизируется вих-ретоковая составляющая удельных магнитных потерь. Кроме того, ЭП защищает поверхность металла от коррозии, а также создает в кристаллитах стали упругие растягивающие напряжения, наличие которых также способствует снижению удельных магнитных потерь за счет измельчения доменной структуры [12, 13].
Основным стандартизированным способом аттестации качества ЭП при производстве ЭАС (как в России, так и за рубежом) являются измерения тестером Франклина [14—18]. С момента начала использования тестера Франклина в промышленном производстве для аттестации диэлектрических свойств ЭП ЭАС его конструкция многократно дополнялась и совершенствовалась: аналоговые измерительные приборы были заменены на цифровые комплексы; подача давления на электроды заменена с ручной на автоматическую; пластина, на которую укладывается образец, снабжена нагревательным устройством для проведения испытаний при повышенных темпе-
Геннадий Семенович Корзунин, доктор техн. наук, профессор, главный научный сотрудник ИФМ УРО РАН. Тел. (343) 374-49-26. E-mail: korzunin@imp.uran.ru
Михаил Львович Лобанов, доктор техн. наук, доцент, профессор кафедры термообработки и физики металлов Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина. Тел. (343) 375-48-03. E-mail: mllobanov@pm.convex.ru
Андрей Анатольевич Редикульцев, доцент кафедры термообработки и физики металлов Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина. Тел. (343) 263-27-26. E-mail: redikultsev@mail.ru
Лариса Васильевна Лобанова, инженер кафедры термообработки и физики металлов Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н.Ельцина. Тел. (343) 375-48-03. E-mail: mllobanov@pm.convex.ru
ратурах. Современные конструкции тестера Франклина позволяют при проведении многократных измерений автоматически перемещать образец на заданные расстояния, а также одновременно измерять диэлектрические свойства ЭП с обеих сторон листов ЭАС (без переворота).
Потребители ЭАС (производители трансформаторов) зачастую для оценки входного качества поверхности ЭАС используют не тестер Франклина, а простейшую электрическую схему, включающую источник постоянного тока, два электрода на гибких проводах и индикатор сигнала замыкания электрической цепи (лампочка, источник звука). При этом электрод, скользящий по поверхности ЭАС, снабжен оконечником либо в виде мягкой металлической кисточки, либо в виде катящегося металлического ролика. Второй электрод замыкается на поверхность ЭАС без ЭП (чаще всего кромку листа). Таким образом, проведение входного контроля позволяет выявлять дефектные места поверхности ЭАС ("точки пробоя") и оценивать вероятность замыкания между пластинами в сердечнике готового трансформатора.
Цель работы — оценка качества и количества информации об электросопротивлении изоляции покрытия, получаемой при стандартизированном способе аттестации ЭАС тестером Франклина.
ОПИСАНИЕ ТЕСТЕРА ФРАНКЛИНА
Измерительная схема тестера Франклина (рис. 1) включает: амперметр для измерения постоянного тока (предел измерения от 10 мА до 1 А, класс точности не ниже 0,2 при измерении коэффициента сопротивления изоляционного покрытия менее 10 Омсм2 и не ниже 0,5 — при более высоком значении коэффициента); вольтметр для измерения напряжения (предел измерения 1,0 или 1,5 В, входное сопротивление не менее 1000 Ом/В, класс точности не ниже 0,5). Источник постоянного тока обеспечивает получение выходного напряжения 0,5 В с погрешностью ±0,5 % при токе нагрузки до 1,0 А. Механическая часть тестера Франклина включает устройство для плавного изменения давления на электроды до 2 МПа (±5 %). Напряжение на образец ЭАС подается через десять одинаковых электродов цилиндрической формы с плоскими оконечниками диаметром от 10 до 40 мм (±0,05 мм). Электроды включены в цепь через десять одинаковых резисторов, имеющих сопротивление (5±0,05) Ом и мощность не менее 0,5 Вт. На электроды подается отрицательный потенциал, на образец ЭАС путем сверления двух отверстий — положительный потенциал.
Ш
5 Ом
5 Ом
5 Ом
5 Ом
5 Ом
Рис. 1. Схема измерения диэлектрических свойств электроизоляционного покрытия электротехнической анизотропной стали тестером Франклина.
Перед началом измерений образец очищают от пыли и порошкообразных веществ и закладывают между электродами. Электроды прижимают к поверхности образца, создают давление 2 МПа, устанавливают напряжение 0,5 В и измеряют ток в амперах. Далее располагают электроды на участках образца, не подвергавшихся испытаниям, и повторяют операции. Общее ко-
личество измерений на одной стороне образца ЭАС определятся нормативной документацией (от двух до пяти). Далее образец переворачивают и повторяют измерения.
По результатам измерений обычно рассчитывают: среднюю силу тока по низу образца, среднюю силу тока по верху образца, среднюю силу тока по обеим сторонам. Некоторые фирмы-потребители требуют в качестве аттестационных испытаний указывать именно величины измеренных токов — среднюю и максимальную (худшую) по результатам всех испытаний.
Согласно большинству стандартов [14—18], электросопротивление изоляции принято оценивать по величине коэффициента электросопротивления изоляции покрытия (КЭСИ), рассчитанного по формуле
Я = £ • (0,5//р - 0,5), (1)
где Я — рассчитанный коэффициент сопротивления по одной стороне, ОмЬ2;
— суммарная площадь контактных поверхностей электродов, рассчитанная по диаметру электродов, Ь2 — см2 или мм2; !ср — среднее арифметическое значение результатов всех измерений силы тока, А.
Очевидно, что по физическому смыслу проводимых измерений качество изоляции ЭП характеризуется не собственно электрическим сопротивлением, а силой тока, которая при проведении единичного измерения изменяется от нуля (для идеального изолятора) до 1,0 А (для идеального проводника) [15, 18]. В случае неоднородного уровня электроизоляционных свойств КЭСИ дает неполную и не всегда достоверную информацию о состоянии покрытия. Более того, такой подход не позволяет провести корректный статистический анализ изоляционных характеристик материала по всей площади поверхности, которая попала под измерения в тестере Франклина.
ИЗМЕРЕНИЯ НА ТЕСТЕРЕ ФРАНКЛИНА
В качестве материала для измерений использовали ЭАС после завершающей стадии ее обработки (выпрямляющий отжиг, совмещенный с нанесением и сушкой раствора алюмофосфатов и золя кремниевой кислоты) [1]. Образцы представляли собой листы металла, отобранные от полос ЭАС. Измерения электроизоляции проводили на установке Франклина фирмы ВгоскЬаш. На каждом образце измеряли общую силу тока и дополнительно силу тока под каждым электродом. Под электродами, показавшими высокое значение силы тока, проводили измерения ручным электротестером, а также визуально оценивали дефектность покрытия (наличие локальных микрообластей, на которых покрытие отсутствовало).
В электрической схеме тестера Франклина общий ток практически точно соответствует сумме токов на каждом электроде. На рис. 2 показана зависимость силы тока от количества проводящих электродов тестера для измеренных образцов. Данная зависимость очень хорошо аппроксимируется линейным трендом. Средняя сила тока на одном проводящем электроде имеет величину ~ 0,06 А.
Поверхность в зоне проводящего контакта с электродом проверяли ручным электрическим тестером. Во всех случаях контакт электрода с металлом через покрытие осуществляется в локальных микрообластях — дефектах ("точках пробоя"). Количество проводящих микрообластей под контактом и/или их размер качественно коррелируют с величиной силы тока.
Таким образом, можно заключить, что информация, получаемая при измерении изоляции тестером Франклина, характеризует не диэлектрические
0 1 2 3 4 5 6 Количество проводящих электродов, шт.
Рис. 2. Зависимость силы тока от количества проводящих электродов.
свойства покрытия, а главным образом состояние поверхности ЭАС — наличие микрообластей, на которых покрытие отсутствует. Эта информация может быть использована для оценки плотности количества дефектов.
ВЫВОДЫ
1. Коэффициент электросопротивления изоляции покрытия электротехнических сталей, который рассчитывается по величине тока, измеряемого тестером Франклина, и служит аттестационной характеристикой материала, но не характеризу
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.