К  ВОПРОСУ  ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ТЕКУЩЕГО  ОСТАТОЧНОГО  РЕСУРСА  ИЗОЛЯЦИИ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  МАШИН

Егорова  Ольга  Юрьевна

канд.  техн.  наук,  доцент  Украинской  инженерно-педагогической  академии,  Украина,  г.  Харьков

E-mail:  olgyu73@yandex.ru

Егоров  Алексей  Борисович

канд.  техн.  наук,  доцент  Учебно-научного  профессионально-педагогического  института  Украинской  инженерно-педагогической  академии,  Украина,  г.  Артемовск

E-mail: 

TO  THE  QUESTION  OF  DEFINITION  OF  THE  CURRENT  RESIDUAL  RESOURCE  OF  ISOLATION  OF  ELECTRIC  MACHINES

Olga  Yegorova

candidate  of  Science,  assistant  professor  of  Ukrainian  engineering  and  pedagogical  academy,  Ukraine  Kharkov

Aleksey  Yegorov

candidate  of  Science,  assistant  professor  of  Educational  and  scientific  professional  teacher  training  institute  of  Ukrainian  engineering  and  pedagogical  academy,  of  Ukraine  Artemovsk

АННОТАЦИЯ

Целью  работы  является  исследование  существующих  подходов  к  определению  состояния  изоляции  электрических  машин.  Для  вычисления  остаточного  ресурса  изоляции  обмоток,  необходимо  знать  точное  превышение  температуры  именно  изоляции  над  допустимой.  Сделан  вывод  о  необходимости  создания  метода,  который  учитывал  бы  все  текущие  параметры  эксплуатации  электрических  машин  и  процессы,  которые  в  ней  происходят,  и  рассмотрен  пример  такого  метода.

ABSTRACT

Aim  is  to  study  the  existing  approaches  to  the  definition  of  insulation  condition  of  electrical  machines.  To  calculate  the  residual  life  of  the  winding  insulation,  it  is  necessary  to  know  the  exact  temperature  rise  is  isolation  over  admissible.  It  is  concluded  that  the  need  to  create  a  method  that  would  take  into  account  all  of  the  current  operating  parameters  of  electrical  machines  and  processes  that  occur  in  it,  and  considered  an  example  of  this  method.

Ключевые  слова:  электрическая  машина;  изоляция;  ресурс  работы.

Keywords:  electric  machine;  insulation;  service  life

Введение.  В  последнее  время  интенсивно  ведутся  работы  по  созданию  разных  систем  мониторинга  состояния  электромеханического  оборудования,  целью  которых  являются  выводы  исследуемого  объекта  в  ремонт  по  результату  текущего  технического  состояния.  Одними  из  основных  элементов  парка  электромеханического  оборудования  предприятий  являются  электрические  машины  (ЭМ).  Известно  [3,  4,  5,  6],  что  большинство  отказов  ЭМ  связано  с  различными  видами  повреждения  изоляции  ее  обмоток.  Поэтому  актуальны  вопросы  определения  текущего  технического  состояния  изоляции  электрической  машины. 

Постановка  задачи.  Система  планово-предупредительных  ремонтов  предусматривала  проведение  периодических  испытаний  надежности  работы  изоляции,  наиболее  распространенными  из  которых  были  испытания  повышенным  напряжением  промышленной  частоты,  испытание  изоляции  постоянным  напряжением,  измерение  сопротивления  изоляции  мегомметром.  Все  эти  методы  требовали  вывода  машины  из  производственного  процесса.  Таким  образом  видно,  что  данный  метод  контроля  состояния  изоляции  не  имел  надлежащего  эффекта,  поскольку,  во-первых,  нуждался  в  выводе  машины  из  производственного  процесса  (что  несло  дополнительные  финансовые  убытки);  во-вторых,  методика  испытаний  вообще  имела  разрушающий  характер  (дефектные  участки  определялись  путем  пробоя  изоляции);  в-третьих,  такие  испытания  не  гарантировали  безотказной  работы  изоляции  в  межремонтные  промежутки  времени. 

Таким  образом,  следующим  шагом  в  вопросе  контроля  состояния  изоляции  ЭМ  была  разработка  неразрушающих  методов.

Один  из  них  это  метод  частичных  разрядов  (ЧР).  Недостатком  существующих  методик  и  приборов  для  фиксации  ЧР  является  то,  что  они  разработаны  для  тестирования  машины,  выведенной  из  производственного  процесса.  Некоторые  из  них  также  нуждаются  в  частичной  разборке  машины,  или  установки  большого  количества  датчиков. 

Рядом  с  методиками  тестирования  изоляции  разрабатывались  математические  модели  ее  надежности  (методы  прогноза  вероятности  безотказной  работы)  [2,  5].  Они  базировались  на  анализе  статистических  данных  показателей  работы  определенных  групп  двигателей,  на  основе  которых  рассчитывались  определенные  эмпирические  коэффициенты,  и  рассчитывалась  вероятность  безотказной  работы  для  определенного  типа  машин. 

Такие  методики  не  учитывали  текущих  эксплуатационных  параметров  отдельно  взятой  машины,  нуждались  в  довольно  большом  объеме  статистической  информации  для  каждого  типа  машин,  а  также  масштабных  опытов,  поэтому  их  эффективность  также  не  является  достаточно  большой,  а  достоверность  прогноза  для  конкретной  машины  не  является  довольно  точной.

В  работе  [1]  предложен  метод  контроля  изоляции  обмоток  низковольтных  двигателей,  который  включает  нагрев  обмоток,  измерение  сопротивления  изоляции  и  сравнение  его  с  двумя  предельными  значениями.  Такой  способ  контроля  нуждается  в  знании  двух  предельных  значений  сопротивления  изоляции,  которые  берутся  из  статистических  данных  определенной  группы  двигателей.  Его  основным  недостатком  является  то,  что  с  его  помощью  можно  определить  лишь  существующие  дефекты  изоляции,  он  не  может  применяться  для  прогнозирования  ее  состояния.

В  странах  Западной  Европы  и  Северной  Америки  приобрел  распространение  метод  определения  технического  состояния  электродвигателей  по  спектральному  анализу  потребляемого  тока  [7,  9].  Наличие  в  спектре  тока  характерных  (и  несовпадающих)  частот  определенной  величины  свидетельствуют  о  наличии  повреждений  электрической  и/или  механической  части  электродвигателя  и  связанного  с  ним  механического  устройства.  Недостатки  метода  —  возможность  лишь  фиксации  следствий,  а  не  выявление  причин  повреждений,  невозможность  прогнозирования  ресурса.

Таким  образом,  очевидно,  что  существует  необходимость  создания  метода  контроля  состояния  изоляции  обмоток  ЭД,  который  отвечал  бы  следующим  требованиям:

·     учет  всех  эксплуатационных  параметров  работы  ЭМ;

·     учет  влияния  параметров  окружающего  среды;

·     учет  влияния  процесса  пуска  на  изоляцию;

·     предоставления  достоверной  информации  о  текущем  состоянии  изоляции;

·     предоставления  прогноза  остаточного  ресурса  работы  изоляции.

Материал  и  результаты  исследований.  Из  литературы  [3,  4]  известно,  что  основными  факторами,  которые  влияют  на  старение  изоляции,  являются  температура,  термомеханические  и  электродинамические  усилия,  электрическое  поле  и  факторы  окружающего  среды  (относительная  влажность  и  температура).

В  основу  предлагаемого  расчета  ресурса  трудоспособности  ЭМ  положен  анализ  процессов  нагрева.  При  анализе  процессов  нагрева  и  охлаждения  ЭМ  первоочередной  интерес  вызывает  значение  температуры  изоляции  (элемента,  который  непосредственно  расположен  на  активной  части  машины  —  проводниках  отдельных  обмоток),  поскольку  большой  мерой  именно  от  температуры  изоляции  большой  мерой  зависит  безотказность  работы  машины.  При  нагревании  машины  из  холодного  состояния,  в  первую  очередь,  греется  медь  и  изоляция,  а  потом  и  вся  конструкция.  При  снижении  нагрузки  температура  изоляции  будет  определяться  не  реальными  потерями,  а  процессами  теплообмена  внутри  машины.  Таким  образом,  существующие  подходы  определения  снижения  ресурса  работы  изоляции  в  зависимости  от  температуры  обмотки  не  являются  верными,  поскольку  они  не  учитывают  реальную  температуру  изоляции. 

Срок  службы  изоляции  ЭМ  при  ее  постоянной  температуре  описывается  уравнением  Вант-Гоффа-Аррениуса:

,

где:    —  базовый  срок  службы  при  °С; 

b  —  коэффициент,  который  зависит  от  свойств  изоляции,  отвечает  сокращению  срока  службы  вдвое  на  каждое  10  °С  повышение  температуры  (для  изоляции  класса  В  коэффициент  ). 

Снижение  ресурса  изоляции  за  время  работы  при  переменной  во  времени  температуре  :

.                  (1)

Самый  большой  интерес  для  практического  применения  представляет  собой  относительное  уменьшение  ресурса:  .

Уравнение  нагрева  твердого  тела  имеет  вид  [32]:

,

где:    —  потери  мощности  в  теле; 

—  энергия  электрических  потерь,  за  время  ; 

  —  отведенная  от  тела  за  тот  же  время  тепловая  энергия; 

  —  тепловая  энергия,  которая  идет  на  повышение  температуры  тела  (в  устойчивом  режиме  ).

Для  вычисления  температуры  меди,  необходимо  знать  мгновенные  потери  мощности  в  данный  момент  времени:

мгновенные  потери  в  меди  равняются:

относительные  мгновенные  потери  в  стали:

где:  ,    —  отношение  текущего  значения  частот  и  напряжений  к  номинальному  соответственно.

Средняя  температура  охлаждающего  воздуха  внутри  ЭМ  в  момент  времени  исчисляется  по  формуле  [8]:

,

где:  ,

  —  значение  температуры  воздушного  потока  на  входе  и  на  выходе  машины  соответственно;

  —  коэффициент,  который  учитывает  часть  потерь  в  машине,  которые  отводятся  основным  охлаждающим  потоком    в  зависимости  от  системы  охлаждения; 

—  суммарные  греющие  потери  (в  стали  и  меди)  в  данный  момент  времени; 

—  текущий  расход  воздуха  через  машину; 

  —  удельная  объемная  теплоемкость  воздуха  при  нормальных  условиях. 

Следует  заметить,  что  при  изменении  режима  работы  машины  (нагрузка,  скорости  и  др.)  меняются  и  условия  ее  охлаждения.

Таким  образом,  для  точного  вычисления  текущего  остаточного  ресурса  изоляции  обмоток  ЭМ,  необходимо  знать  точное  превышение  температуры  именно  изоляции  (а  не  всей  обмотки)  над  допустимой.

Для  получения  точного  снижения  ресурса  работы  изоляции  в  единицу  времени  в  формуле  (1)  вместо  текущей  температуры  обмотки  необходимо  брать  текущую  температуру  изоляции,  которая  в  процессе  нагрева  будет  разной. 

Текущий  остаточный  ресурс  работы  ЭМ  в  данный  момент  времени  определяется  как  разница  между  начальным  ресурсом    и  его  текущим  снижением  :

Таким  образом,  учитывая  процессы  и  факторы  пуска  и  рабочего  режима  ЭМ,  можно  определить  текущий  остаточный  ресурс  работы  ее  изоляции,  который  позволит  контролировать  работоспособность  ЭМ  в  рабочем  режиме. 

Выводы.  В  работе  проведен  обзор  существующих  методов  контроля  состояния  изоляции  обмоток  ЭМ.  Показано,  что  имеющиеся  методы  имеют  определенные  недостатки  —  учет  одних  эксплуатационных  параметров  и  пренебрежения  другими,  сложность  диагностического  оборудования,  необходимость  вывода  ЭМ  из  производственного  процесса  и  др.  Сформулированы  основные  требованиям,  которые  необходимо  учесть  при  создании  метода  определения  снижения  ресурса  работы  изоляции  в  зависимости  от  температуры  обмотки.  Предложен  алгоритм  расчета,  учитывающего  все  текущие  параметры  эксплуатации  ЭМ  и  процессы,  которые  в  ней  происходят. 

Список  литературы:

1.Авторское  свидетельство  1371233  А1.  G  01  R  31/34.  А.М.  Липский,  В.Е.  Кривоносов,  В.Н.  Мякотин.  Способ  контроля  изоляции  обмоток  низковольтных  электродвигателей.  №  3985415/40-22;  Заявл.  27.11.85.  —  4  с.

2.Гольдберг  О.Д.  Надежность  электрических  машин  общепромышленного  и  бытового  назначения.  М.:  Знание,  1976.  —  58  с.

3.Ермолин  Н.П.,  Жерихин  И.П.  Надежность  электрических  машин.  М.:  Энергия,  1975.  —  250  с.

4.Жерве  Г.К.  Промышленные  испытания  электрических  машин.  Л.:  Энергоатомиздат,  1984.  —  408  с.

5.Котеленец  Н.Ф.,  Кузнецов  Н.Л.  Испытания  и  надежность  электрических  машин.  М.:  Высш.  шк.,  1988.  —  232  с.

6.Кулаковский  В.Б.  Работа  изоляции  в  генераторах:  Возникновение  и  методы  выявления  дефектов.  М.:  Энергоиздат,  1981.  —  256  с.

7.Петухов  В.,  Соколов  В.  Диагностика  состояния  электродвигателей.  Метод  спектрального  анализа  потребляемого  тока.  //  Новости  электротехники  №  1(31)  2005

8.Прус  В.В.,  Кирьянов  О.Ф.,  Гераскин  А.С.  Оценка  эксплуатационных  параметров  отремонтированных  асинхронных  двигателей  //  Вестник  Кременчугского  государственного  политехнического  университета:  Научные  работы  КДПУ.  Кременчуг:  КДПУ,  2001.  —  Вип.  1/2002  (12).  —  С.  174—179.

9.Yazici  B.,  G.B.  Kliman,  W.J.  Premerlani,  R.A.  Koegl,  A.  Abdel-Malek,  G.B.  Robinson  On-line  statistical  conditional  monitoring  and  fault  diagnosis  for  motors  with  applications  to  rotor  bars  and  bearings  //  GE  Research  &  Development  center,  September  1997.