Текст книги "Прогнозирование срока службы электрооборудования на основе теплового старения изоляции"

Василий Сташко
Прогнозирование срока службы электрооборудования на основе теплового старения изоляции: Учебно-методическое пособие для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» (квалификация (степень) «магистр») всех форм обучения

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. ПОЛЗУНОВА»

Учебно-методическое пособие для студентов

направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»

(квалификация (степень) «магистр») всех форм обучения

Издание сертифицировано № 20015 и рекомендовано к использованию «Межрегиональным центром электронных образовательных ресурсов» – http://mceor.ru/

Утверждено на заседании

Методической школы им. О. И. Хомутова

Протокол № 2 от 2 марта 2020 г.

Рецензент: д.т.н., профессор

А. А. Багаев (АлтГАУ)

© Сташко Василий Иванович, 2020

1. Цели и задачи освоения дисциплины «Диагностика изоляции электрооборудования»

Дисциплина «Диагностика изоляции электрооборудования» изучает методы, средства и организационные меры с целью обеспечения надежной работы систем электроснабжения и электрооборудования, на основе использования современных методов и технических средств диагностики и контроля состояния электрической изоляции. Целью курса является подготовка специалистов в области эксплуатации электрооборудования и систем электроснабжения.

Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине «Диагностика изоляции электрооборудования», соотнесенных с индикаторами достижения компетенций, представлен в таблице 1.

Таблица 1

Результаты обучения и индикаторы достижения компетенций

В процессе изучения дисциплины «Диагностика изоляции электрооборудования» ставятся и решаются следующие основные задачи:

– даются общие сведения о решении задач, связанных с обеспечением надежности и технического обслуживания электрооборудования на основе использования методов и технических средств диагностики электрической изоляции обмоток электрических машин;

– дается представление об основных задачах технической диагностики в системах электроснабжения;

– дается представление о полимерной изоляции обмоток электрических машин, её конструкции, основных свойствах, изучаются основные принципы построения математических моделей на основе использования схемы замещения электрической машины.

– дается представление о методах диагностики изоляции электрооборудования, в том числе и о современных методах, а так же о технических средствах диагностики, реализующие данные методы;

Изучение дисциплины проводится с применением средств и методов математического описания с использованием ресурсов Интернет, электронно-вычислительной техники, а также ЭОС АлтГТУ ILIAS.

2. Содержание теоретического курса

Курс лекций состоит из шести основных разделов. В данном учебно-методическом пособии рассматриваются тема № 6 в части прогнозирования остаточного ресурса электрооборудования на основе метода измерения температурно-временных параметров. Основная часть учебно-методического пособия посвящена оценке влияния переходных процессов и температуры на свойства изоляции электрооборудования, а также расчету диагностических параметров для оценки остаточного ресурса и технической реализации метода.

ТЕМА 1. Общие вопросы надежности технических систем. Теория надежности. Основные понятия и определения. Проблемы надежности. Закономерности распределения отказов. Причины и модели возникновения отказов электрооборудования. Методы обеспечения надежности электрооборудования в процессе проектирования, производства, эксплуатации и хранения. Количественные показатели надежности. Связь между показателями надежности и эффективности.

ТЕМА 2. Техническая диагностика в электроэнергетике. Общее представление о технической диагностике. Диагностика технического состояния электрооборудования. Основные принципы технического диагностирования и определения остаточного ресурса электрооборудования. Показатели состояния и диагностические параметры изоляции электрических машин.

ТЕМА 3. Оценка технического состояния электрооборудования. Показатели и критерии надежности электрооборудования. Критерии и количественные характеристики надежности. Единичные и комплексные показатели надежности. Обеспечение эксплуатационной надежности. Обеспечение надежности изоляции электрических машин в процесс проектирования и производства. Поддержание заданного уровня надежности в процессе эксплуатации. Техническое обслуживание (ТО) и диагностика электрооборудования.

ТЕМА 4. Причины отказов и виды повреждений изоляции обмоток электрических машин. Основные причины отказов электрических машин. Виды повреждения изоляции обмоток электрических машин. Основные причины нарушений свойств изоляции обмоток электрических машин. Конструктивные и производственные воздействующие факторы. Факторы, влияющие на состояние изоляции в процессе эксплуатации. Классификация воздействующих факторов и их особенности в различных условиях эксплуатации.

ТЕМА 5. Электрическая изоляция. Классификация методов диагностики электрической изоляции электрических машин. Классификация электрической изоляции. Изоляция обмоток электрических машин. Конструкция изоляции обмотки статора асинхронного двигателя. Испытания изоляции. Визуальный контроль и неэлектрические методы диагностики изоляции. Электрические методы диагностики изоляции. Цифровые системы диагностики изоляции электрооборудования.

ТЕМА 6. Оценка состояния изоляции обмоток. Прогнозирование остаточного ресурса электродвигателя. Оценка состояния межвитковой изоляции методом ВЗК (волновых затухающих колебаний). Математическая модель обмотки статора асинхронного двигателя. Техническая реализация метода ВЗК. Прогнозирование остаточного ресурса электродвигателя на основе метода измерения температурно-временных параметров. Влияние переходных процессов и температуры на свойства изоляции электрооборудования. Расчет диагностических параметров для оценки остаточного ресурса.

2.1 Прогноз срока службы электрооборудования

Срок службы электродвигателя – промежуток времени, в течение которого обеспечивается его безотказная работа, при соблюдении предписанных условий эксплуатации и профилактических ремонтов. Этот срок зависит от нагрузки отдельных частей. Та часть асинхронного двигателя (АД), которая испытывает наибольшую удельную нагрузку, выйдет из строя раньше других и, таким образом, ее срок службы определяет срок службы всего АД.

Опыт эксплуатации показывает, что обычно электрические двигатели выходят из строя в первую очередь из-за износа или повреждения изоляции. Обеспечить длительную службу изоляции оказалось труднее всего и поэтому срок службы всех остальных частей электродвигателя (коллектора, подшипников и др.) выбирают исходя из срока службы изоляции.

При определении допустимости той или иной перегрузки по условиям нагрева нужно исходить не из предельно допустимых температур, а из сохранения срока службы изоляции. Это связано с тем, что часть времени двигатель работает при температуре обмоток ниже допускаемой нормами. В такие периоды изоляция находится в более благоприятных условиях и за счет «недоиспользования» ее в эти периоды могут допускаться перегрузки в другие периоды при общем сохранении требуемого срока службы изоляции электродвигателя.

Перегрузки различаются по длительности. Если за время действия перегрузки температура обмоток не достигает установившейся, то перегрузка называется кратковременной. Относительно небольшое повышение температуры изоляции весьма резко сказывается на ее сроке службы.

Так, например, повышение температуры изоляции класса А на 8 °C уменьшает в 2 раза срок ее службы. Поэтому, при решении ряда вопросов, связанных с перегрузками, необходимо знать температуру обмоток.

При строгом анализе процессов нагревания и охлаждения, обмотки электродвигателя должны рассматриваться как сложное тело, так как тепловые параметры металла обмотки, изоляции и стали неодинаковы. Нагрев обмоток происходит не только за счет потерь, выделяющихся в самой обмотке, но и за счет потерь в активной стали статора и нагрева, вызываемого трением о воздух.

В настоящее время существует достаточно много методов прогнозирования показателей надёжности, отличающихся совокупностью решаемых задач и особенностями применяемого математического аппарата. По объёму информации, используемой при прогнозе, эти методы можно разделить на три группы:

– методы экспертных оценок, применяемые в тех случаях, когда отсутствует достоверная информация об объекте и данные об изменениях его состояния за время эксплуатации;

– методы, основанные на экстраполяции и используемые в тех случаях, когда имеются достаточно полные данные, но неизвестны общие закономерности изменения состояния объекта за время эксплуатации;

– методы моделирования, используемые при наличии достаточного объёма статистических данных об изменении состояния однотипных объектов в процессе эксплуатации.

Наибольшее распространение при прогнозировании технического состояния объектов получили методы второй группы. Основой для прогнозирования технического состояния в этих методах является аналитическое прогнозирование, при котором по многомерному вектору состояний S(s₁, s₂, …, s_n) или диагностических сигналов X(x₁, x₂, …, x_m), определённых или измеренных в моменты времени t₁, t₂, …, t_i, …, t_k, необходимо определить их значения в последующие моменты времени t_j(j = k + 1, …, k + l).

Аналитическое прогнозирование состояния технических объектов основывается на объективном существовании определённой тенденции в изменении параметров их состояния или диагностических сигналов при эксплуатации, основные закономерности которой могут быть охарактеризованы некоторой временнóй функцией.

Таким образом, задача прогнозирования технического состояния объекта состоит в получении массива значений прогнозируемого параметра X(t_i), его анализе и выделении тренда в виде аппроксимирующей временной функции, определении прогнозируемой величины параметра X(t_i) и оценке точности прогноза.

Для выбора вида аппроксимирующей функции используются различные методы, в частности метод последовательных разностей, определяющий степень аппроксимирующего полинома или критериальные методы, основанные на оценке критерия близости фактической кривой к расчётной.

2.2 Старение изоляции под действием температуры

Среди различных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин, одним из основных является старение изоляции под действием температуры. Это явление лучше других поддаётся количественному учёту, а поэтому сравнительно подробно исследовано. С точки зрения температурных воздействий на изоляцию различают понятия «теплоустойчивость» и «нагревостойкость».

Теплоустойчивостью называют способность электроизоляционного материала сохранять свои свойства на определённом уровне при относительно кратковременном перегреве. Материал не должен при этом разрушаться, менять свои химические свойства, не должно возникать пластических деформаций, вытекание или разрушение связующего и т. п.

Нагревостойкость характеризует способность материала без существенного ухудшения характеристик выдерживать воздействие предельно допустимой для данного типа изоляции температуры в течение периода времени, соответствующего сроку службы машины, и при обусловленных величинах других эксплуатационных воздействий.

Как видно, с практической точки зрения нагревостойкость является более важной характеристикой изоляции, поэтому именно она положена в основу классификации изоляционных материалов.

Поскольку нагревостойкость определяется скоростью старения изоляции в условиях повышенных температур, особое значение приобретают методы расчёта скорости старения и на этой основе – срока службы изоляции.

Первые работы в этом направлении имели, главным образом, опытный характер и относились к изоляции класса А. В результате было сформулировано правило «восьми градусов» (правило Монтзигера). В соответствии с этим правилом повышение температуры на каждые 8 ºС сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции вдвое.

где υ – температура нагрева изоляции, ºС; Т – срок службы изоляции при этой температуре (в годах); Т₀ – срок службы изоляции при так называемых «нулевых» условиях (при υ = 105 ºС составляет 6,225·104 лет); ∆υ = 8 ºС – превышение температуры над допустимой, при которой срок службы изоляции сокращается в два раза.

Уравнение для любого класса нагревостойкости изоляции может быть представлено в логарифмической форме

ln T = ln T₀ – k·υ, где k = ln2/∆υ.

Несмотря на эмпирический характер уравнения (4), оно находит практическое применение и позволяет производить ориентировочные расчёты.

3. Прогнозирование на основе теплового старения изоляции

3.1 Процесс нагревания и охлаждения обмоток

При строгом анализе процессов нагревания и охлаждения обмотки электродвигателя должны рассматриваться как сложное тело, так как тепловые параметры металла обмотки, изоляции и стали неодинаковы. Нагрев обмоток происходит не только за счет потерь, выделяющихся в самой обмотке, но и за счет потерь в активной стали статора и нагрева, вызываемого трением о воздух.

Учет всех указанных факторов, особенно при переходных явлениях, значительно усложняет анализ. Однако с достаточной для практических целей точностью можно применять уравнения нагревания, выведенные для однородного тела, нагрев которого происходит за счет выделяющихся в нем потерь. Для упрощения принимаем, что потери энергии в теле, коэффициент теплоотдачи от поверхности тела в окружающую среду и теплоемкость тела не зависят от его температуры, которая принимается одинаковой для всего тела и его поверхности,

При данных условиях имеем следующее дифференциальное уравнение нагрева:

где ΔP – потери мощности, выделяемые в теле, Вт;

α – коэффициент теплопередачи, Вт/см²град;

с – теплоемкость, Втсек/кгград.

ΔPdt = I²Rdt энергияэлектрических потерь, выделившаяся за время;

αFτdt– тепловая энергия отведенная за то же время наружу через поверхность тела F, см²;

cGdτ– тепловая энергия, идущая на превышение температуры тела, имеющего вес G, кг.

В установившемся режиме dτ = 0 и

где θ_y – температура тела при установившемся режиме, °С.

Разделяя переменные, получаем:

где T – постоянная времени нагрева.

Решение уравнения имеет вид:

Определяя постоянную интегрирования по начальному состоянию (при t = 0 τ = τ_нач), получаем:

или

На рисунке 3.1 приведена графическая иллюстрация функции τ.

Рисунок 3.1

Изменение превышения температуры при нагреве однородного тела в зависимости от времени

Следует иметь в виду, что начальное превышение температуры τ_нач может иметь место по любым причинам, в том числе за счет нагрева потерями ΔP_нач при установившемся тепловом режиме. В этом случае .

Таким образом,

представляет собой дополнительное превышение температуры тела двух установившихся тепловых режимов при выделении в теле потерь мощности ΔP_у и ΔP_нач

Постоянная времени нагрева обмоток наиболее просто может быть определена по упрощенному выражению, с учетом потерь в меди обмотки при номинальном токе

где – номинальная плотность тока, А/мм²;

τ_н – превышение температуры обмотки над охлаждающей средой при номинальном токе, °С;

κ_р– коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления вследствие вытеснения тока;

γ – удельный вес, г/см³;

ρ – удельное сопротивление, Оммм²/м.

Постоянная времени нагрева обратно пропорциональна квадрату плотности тока и пропорциональна превышению температуры при установившемся режиме.

Например, для меди при температуре 100 °C;  г/см³; с = 390 Втсек/кгС, и, следовательно:

Двигатели самых различных типов выполняются таким образом, чтобы превышение температуры обмоток, соответствующее номинальной нагрузке, сохранялось постоянным для данного класса изоляции. Таким образом, повышение плотности тока оказывается возможным за счет более интенсивного охлаждения, т. е. за счет увеличения коэффициента теплоотдачи.

3.2 Влияние переходных процессов на срок службы изоляции

Дополнительный перегрев при кратковременных перегрузках, которые характерны, например, во время пуска электродвигателей, приводит к ускоренному износу изоляции и сокращает срок ее службы.

Износ изоляции, представляющий собой величину, обратную сроку службы, зависит от величины перегрузки и ее длительности. Зависимость между током перегрузки и временем ее действия, при котором износ изоляции сохраняет постоянное значение, называется перегрузочной характеристикой.

Продолжительность службы изоляции класса А выражается уравнением:

B и С имеют размерность времени (годы, месяцы, дни, часы, секунды). Для С различные авторы дают величины, значительно расходящиеся между собой. Так, для изоляции трансформаторов по одним данным С = 7,15–10⁴, а по другим данным С=1,5-10⁴ для срока службы, выраженного в годах. Значения b принимаются одинаковыми (b имеет размерность, обратную температуре). Численное значение b можно принять равным 0,088, что соответствует сокращению срока службы изоляции в 2 раза на каждые 8 °C увеличения температуры. Логарифмический характер зависимости (рисунок 3.2) диктует жесткие правила эксплуатации электродвигателей.

Рисунок 3.2

Зависимость срока службы изоляции от температуры

3.3 Расчет срока службы изоляции электродвигателей на основе количества пусковых переходных процессов и температуры корпуса

Важнейшими факторами, влияющими на срок службы изоляции, являются температура и количество пусков.

Ниже приведена методика, позволяющая достаточно точно прогнозировать выход электродвигателя из строя по причине старения изоляции.

Изначально необходимо найти постоянную времени нагрева обмоток T, выраженную для удобства в часах:

где τ_н – превышение температуры обмотки над охлаждающей средой при номинальном токе, °С;

k_R – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления вследствие вытеснения тока;

^j_SН = I / g-номинальная плотность тока, А/мм^2;

γ – удельный вес, г/см³;

ρ – удельное сопротивление, Оммм²/м.

Далее выразим постоянную C, ч, из уравнения продолжительности службы изоляции

откуда,

где B – срок службы изоляции, ч;

b – коэффициент численно равный 0,088, что соответствует сокращению срока службы изоляции в два раза на каждые 8 °C увеличения температуры;

θ – температура, при которой срок службы изоляции равен 20000 ч, °С.

Далее находится износ изоляции ξ, за один пуск АД в долях срока службы по формуле:

Находим износ изоляции за разные интервалы времени t, ч, по формуле с учетом пусков

где t – время работы АД, ч;

ξ – износ изоляции из-за пусков за интервалы времени t, ч.

По этой формуле можно прогнозировать срок службы изоляции. Для этого нужно с определенной регулярностью, например, раз в месяц измерять температуру обмоток и считать количество пусков и подставлять значения этих величин в уравнения.

4. Реализация метода прогнозирования остаточного ресурса изоляции электрооборудования на основе измерения температурно-временных параметров

В качестве примера рассмотрим техническую реализацию метода прогнозирования остаточного ресурса изоляции электрооборудования на основе измерения температурно-временных параметров, состоящую из двух устройств.

Устройство считывания информации (УСИ) – это электронное устройство, расположенное непосредственно рядом с электродвигателем или встроено в него. Данное устройство регистрирует число пусков электродвигателя и измеряет его температуру по специальной программе. Все измеренные данные накапливаются в памяти УСИ, и могут быть считаны вторым устройством.

Пульт переноса данных (ППД) – это электронное устройство с автономным питанием, посредством которого с УСИ считываются данные, которые далее могут быть поUSB переданы на компьютер для дальнейшей обработки.

Блок-схемы УСИ (а) и ППД (б) представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1

Блок-схема устройства считывания информации и пульта переноса данных: МК – микроконтроллер; ПЗУ – постоянное запоминающее устройство; CD – светодиодная индикация; ПК – персональный компьютер

В режиме диагностики МК получает питание, и одновременно со схемы определения точки питания подается положительный сиганал на соответсвующий порт МК. Далее по шине 1WIRE инициализируется количество подключенных к порту термодатчиков и необходимая точность измерения температуры. Далее, по специальной программе МК записывает в память количество пусков, и измеренную температуру. Полные алгоритмы работы УСИ и ППД представлены на рисунках 4.2 и 4.3.

Рисунок 4.2

Алгоритм работы УСИ совместно с ППД

Рисунок 4.3

Алгоритм работы пульта с ПК

Существующее состояние цифровой и микропроцессорной техники позволяет осуществить техническую реализацию метода прогнозирования срока службы электрооборудования на основе теплового старения изоляции на более современной электронной базе, например, с использованием микроконтроллеров типов PIC (Microchip Technology), AVR (Atmel), STM32 (STMicroelectronics) и др.

Разработка цифрового диагностического прибора для прогнозирования срока службы электрооборудования на основе теплового старения изоляции, может стать одной из тем будущей магистерской диссертации у студентов изучающих дисциплину «Диагностика изоляции электрооборудования».