Текст книги "Диагностика изоляции обмоток методом волновых затухающих колебаний"

Василий Сташко
Диагностика изоляции обмоток методом волновых затухающих колебаний: 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 № 20014 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 темы 4 и 5. Основная часть учебно-методическом пособии посвящена оценке состояния межвитковой изоляции методом волновых затухающих колебаний (ВЗК), математическому моделированию изоляции обмотки асинхронного двигателя и технической реализации метода ВЗК (тема 6).

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 температурно-временных параметров. Влияние переходных процессов и температуры на свойства изоляции электрооборудования. Расчет диагностических параметров для оценки остаточного ресурса.

2.1 Причины отказов и виды повреждений изоляции обмоток

Возникновение проблем, связанных с отказами электрооборудования в работе, которые могут возникать на предприятиях, зачастую связаны с отсутствием современных технических средств контроля и диагностики технического состояния электрооборудования. Так, например, для того, чтобы произвести качественный контроль состояния электрической изоляции обмоток асинхронного двигателя (АД) требуются не только квалифицированные специалисты, но и специальные технические средства диагностики.

Надёжность является комплексным свойством любого технического изделия и зависит, главным образом, от назначения и условий его эксплуатации.

Условия эксплуатации электрооборудования могут быть различными. Это и большие колебания температуры, высокая влажность, агрессивные газы и пыль, всё это основные факторы, совместное воздействие которых в значительной степени влияет на надёжность электрооборудования.

Кроме отрицательного воздействия окружающей среды, электродвигатели различного технологического оборудования могут иметь низкий коэффициент использования или малое время использования в течение суток, основной причиной чего является, например, сезонность работы, длительные простои технологического оборудования и кратковременные режимы работы производственных механизмов.

Типичным для некоторых типов электрооборудования является частая недогрузка электродвигателей по мощности или недоиспользование по нагреву. Основная причина этого – неоправданное завышение мощности электродвигателя на стадии проектирования, специфика эксплуатации и пр.

Ещё одной существенной особенностью эксплуатации электродвигателей на производстве (особенно это касается предприятий АПК) является не высокое качество питающего напряжения. Колебания напряжения возникают в основном из-за большой протяженности сетей, большого количества однофазных потребителей и неравномерного их распределения по фазам.

Кроме отмеченных особенностей эксплуатации электрооборудования на производстве имеется и ряд других. Так, на некоторых предприятиях, отдельных установках и в небольших цехах, контроль технического состояния электрооборудования осуществляется не всегда на должном уровне, а профилактические мероприятия зачастую проводятся несвоевременно.

Особенности эксплуатации электродвигателей на предприятиях и воздействующие факторы, влияющие на их надёжность, представлены на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

Воздействующие факторы, влияющие на надёжность электрооборудования

В процессе эксплуатации электрооборудования, имеет место комплексное воздействие на изоляцию влаги (особенно это касается изоляции обмоток АД), повышенной или пониженной температуры, электрического поля, механических нагрузок и др., что, в конечном счёте, приводит к электрическому пробою.

Существенное влияние на надёжность обмоток АД оказывают такие факторы, как: вибрация, динамические усилия и коммутационные перенапряжения. При одновременном добавлении к тепловому старению факторов вибрации, частых динамических усилий и перенапряжений при реверсах средняя наработка на отказ может уменьшается в десятки раз.

Комплексное влияние всех воздействующих факторов, от интенсивности которых зависит скорость образования дефектов, ведёт к изменению не только свойств изоляционного материала обмотки. Одновременно изменяются и внутренние параметры обмотки, измеряя значения которых можно определить степень работоспособности электродвигателя.

Распределение причин отказов представлено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2

Распределение причин отказов электродвигателей:

1 – замыкания в результате увлажнения; 2 – обрыв фазы;

3 – длительные перегрузки; 4 – заклинивание; 5 – перегрев;

6 – разрушение подшипников; 7 – прочие причины

В таблице 2.1 представлены примерные процентные соотношения основных отказов электродвигателей.

Таблица 2.1

Процентные соотношения основных отказов АД

Одной из основных причин выхода из строя электродвигателей, являются отказы в обмотке по причине пробоя изоляции. Причём до 93 % отказов приходится на межвитковые замыкания, так как фазная и корпусная изоляция является более прочной, чем витковая (рисунок 2.3). Поэтому эффективность метода диагностики изоляции определяется, прежде всего, возможностью получения с его помощью наиболее точной и полной информации о состоянии межвитковой изоляции обмотки.

Рисунок 2.3

Основные причины отказов обмотки статора АД

При испытаниях электродвигателя после ремонта или хранения на складе необходимо контролировать сопротивление изоляции.

Подробнее об измерении сопротивление изоляции электродвигателя

файл на Диске Google:

Ссылка на файл die_01.pdf на Диске Google (доступ свободный):

https://drive.google.com/file/d/1VVjI6XXHyvmDnjovj2uPeqx4z2pV8nQF/view

3. Волновые затухающие колебания в обмотке статора электродвигателя

3.1 Расчёт электрических волновых параметров

Волновые параметры электрических машин, условно могут быть разбиты на две группы: «магнитные» и «электрические». К «магнитным» относятся активное сопротивление обмотки R_a и индуктивность L. К «электрическим» – ёмкость проводников относительно корпуса С_к, межвитковая ёмкость С_в и активная проводимость, эквивалентная диэлектрическим потерям в корпусной изоляции G. Подобное разделение не противоречит другой их классификации – на продольные и поперечные параметры.

При вычислении магнитных волновых параметров обмоток в соответствии со схемой замещения обмотки (рисунок 3.1) необходимо рассматривать два независимых случая: а) регулярная укладка обмоток; б) укладка обмоток вразвалку (всыпная).

Рисунок 3.1

Схема замещения одного звена в однородной цепной схеме эквивалентной фазной обмотке электрической машины

Первый случай соответствует высоковольтным двигателям (3 – 10 кВ), у которых, как правило, по ширине паза размещается один виток из плоской меди, а сами витки регулярно укладываются один за другим по ходу обмотки. Второй случай соответствует низковольтным двигателям (380 – 500 В) с обмоткой из круглой меди, уложенной в паз случайным образом так, что рядом в обмотке оказываются несмежные витки. Поэтому во втором случае можно воспользоваться искусственной эквивалентной моделью, учитывающей статистические закономерности расположения проводов при их всыпной укладке.

В обоих случаях следует полагать, что известны все конструктивные данные машины, включая её обмоточную схему. При расчете магнитных волновых параметров низковольтных двигателей со всыпной обмоткой приняты следующие допущения:

1) полузакрытый паз сложной овальной формы заменяется круглым закрытым пазом равной площади;

2) случайное расположение проводников в пазу при всыпной обмотке заменяется регулярным;

3) материалы проводников, изоляции и сердечников принимаются соответственно однородными.

Комплексный параметр, имеющий размерность индуктивности, для отдельной катушки равен:

где m_i – количество параллельных проводников в обмотке; w – количество витков в катушке; L_k – комплексный параметр, соответствующий собственной индуктивности k-го витка,

где L_в и M_ki – комплексные параметры, соответствующие собственной индуктивности витка, лежащего в круглом эквивалентном пазу, и взаимной индуктивности k-го и i-го витков; n – количество проводников в катушке.

Далее, полагаем, что

где слагаемые в (2.3) соответствуют потокосцеплениям в стали статора и ротора, изоляции внутри паза и в проводнике.

Индуктивность

где Z_M,ст – комплексное магнитное сопротивление статора; l_п – длина паза; а_i – ширина расчётного участка; Δ_в, а_в – длина и ширина воздушного зазора машины; n – количество расчётных участков; μ_ш – относительная комплексная магнитная проницаемость пакета шахтованной стали; μ_о = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная постоянная; k_в ≈ 1,05 – коэффициент расширения магнитного потока в зазоре.

Для центрального проводника паза

где l_в – длина витка обмотки; R₁, r₁ – радиусы эквивалентного

паза и проводника без изоляции.

Проводник, расположенный вне центра паза необходимо перевести в центр паза соответствующим конформным преобразованием. После выполнения всех необходимых преобразований получаем составляющую индуктивности L_{из, пр} для проводника, приведенного к центру паза:

где с – смещение центров окружности С₁ и С₂; x_1,2– корни характеристического уравнения

Внутренняя индуктивность цилиндрического проводника

где J₀(kr), J₁(kr) – функции Бесселя 1-го рода, порядков нуль и один;  – эквивалентная угловая частота равная 2πf_эк, или π /t_фр (t_фр – длительность фронта волны); σ_м – удельная проводимость меди

Взаимная индуктивность k-го и i-го витков:

где _k – расстояние от центра эквивалентного паза до центра k-го проводника.

Полное сопротивление катушки, обусловленное магнитным полем

где L_n – эффективная индуктивность пазовой части обмотки при совпадающих условных токах в верхней и нижней катушках лежащих в одном пазу; R_n – активное сопротивление группы проводников, лежащих в одном, определяемое потерями стали на вихревые токи.

Активное сопротивление катушки определяется по R =R_п+R_м

где m_i – количество параллельных проводников в обмотке.

По схеме замещения рисунок 3.1 с учетом продольной емкости K, вычисляемой ниже, продольное сопротивление двухполюсника для одной катушки

Отсюда по опытам ХХ и КЗ можно найти магнитные параметры этого двухполюсника

Таким образом, довольно точно рассчитываются магнитные параметры асинхронного электродвигателя.

Расчеты, выполненные с помощью данной методики, дают достаточно точные результаты. Значения рассчитанных параметров совпадают с значениями параметров, полученных экспериментальным путём. Аналогичным способом можно рассчитать значения параметров, характеризующих изоляцию обмотки статора АД.

Обычно, волновые процессы в электрических машинах рассматриваются как явления, вызванные нормальными и аварийными коммутациями. Однофазные задачи решаются в двух вариантах: а) при падении на обмотку двигателя внешней волны; б) при возникновении возмущения внутри обмотки и распространения волны из обмотки наружу. При этом, даже с учётом принятых допущений, точность расчётов довольно высока.

Определить значения параметров обмотки, которые характеризуют её изоляцию, можно путём математического описания волновых ВЗК. Для этого необходимо первоначально рассчитать значения параметров схемы замещения для одного конкретного АД и смоделировать ВЗК процесс в обмотке. Обратная процедура позволит по установленным (измеренным) параметрам ВЗК диагностируемого АД, достаточно точно рассчитать значения параметров, характеризующих состояние изоляции.

3.2 Схема замещения обмотки электродвигателя

Моделирование процессов, происходящих в электрических цепях, предполагает структурное и математическое моделирование. При исследовании электрических процессов, происходящих в электрических машинах, структурной модели соответствует схема замещения машины или, например, её обмотки. Количество элементов схемы замещения и порядок их включения зависит от того, какие из параметров представляют наибольший интерес в процессе исследований.

В качестве примера можно рассматривать воздействие типового сигнала в виде единичного импульса напряжения, на обмотку АД и возникающий в ней переходный процесс. Это можно достаточно наглядно проследить с помощью осциллографа. Наличие апериодического процесса на экране осциллографа может быть следствием критического снижения, значений резистивно-ёмкостных параметров схемы замещения обмотки. Предварительно можно предположить, что при изменении значений параметров схемы замещения, характеризующих изоляцию обмотки от нормального (условно) уровня до критического (около нуля), переходный процесс будет иметь вид ВЗК. В данном примере рассматриваются параметры изоляции обмотки статора, что является определяющим фактором при выборе схемы замещения обмотки.

В формировании ВЗК процесса, все элементы обмотки участвуют по-разному. Так индуктивность L и ёмкость С, формируют значения периода T_f, а сопротивление R, формирует значения амплитуды А_f. При этом любые возможные изменения свойств изоляции, влекут за собой изменение значений параметров С, R обмотки и следовательно параметров ВЗК процесса T_f и А_f.

Для оценки влияния состояния изоляции на скорость и период затухающего колебательного процесса, на начало обмотки подаётся типовой сигнал, а на её конце регистрируется переходный волновой процесс. В качестве типового входного сигнала принято единичное ступенчатое воздействие при нулевых начальных условиях (рисунок 3.2). Это функция, которая при τ < 0 равна нулю, а при τ > 0 равна постоянному значению А.

Подобную функцию часто обозначают X_вх(τ) = А [1]. При А=1 функция называется единичной X_вх(τ) = 1(τ). Ступенчатое воздействие описывается единичной функцией

а переходный процесс, вызванный этим сигналом – соответствующей переходной функцией.

Рисунок 3.2

Единичная функция

Схема замещения обмотки для определения функции после подачи на обмотку типового сигнала, представлена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3

Схема замещения обмотки: R_к – сопротивление корпусной изоляции; C_к – ёмкость корпусной изоляции; r_в – межвитковое сопротивление; r – активное сопротивление обмотки; L – индуктивность обмотки

Если входное напряжение U_вх соответствует единичной функции (рисунок 3.2), то выходное U_вых, при условии нормального состояния изоляции обмотки, будет имеет вид ВЗК (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4

Затухающий колебательный процесс, отражающий параметры состояния изоляции обмотки

3.3 Моделирование ВЗК с использованием числовых значений

Исходные данные для моделирования ВЗК представлены в таблице 3.1

Таблица 3.1

Исходные данные для моделирования ВЗК

В начале определяются значения постоянных T-T₆:

Далее, полученный результат используем для расчёта значений а, b, d, g,  и x₁, x₂, x₃, x₄, x₅, α. Такое решение позволит избежать громоздких выражений, и упростит процедуру коррекции шага временных значений при построении графической зависимости.

Для упрощения расчётов, преобразуем выражение и произведём промежуточные вычисления.

Получим выражение функции ВЗК: ,

где

Отсюда ,

Итого, получаем числовые значения: a = –2,022·10⁴, b = –5· 10⁶, d = 6,6·10¹⁰, g = 4,12·10⁴, α = 1,4, А=1,4·10^-7, В= –1,9·10^-7, К=5,2·10^-8.

Подставляя полученные значения, производится расчёт значений функции в необходимом диапазоне времени. Функция ВЗК для исходных данных таблицы 3.1 в диапазоне времени τ от 0,0000001 до 0,0005 секунд представлена на рисунке 3.5.

Таким образом, варьируя значением параметров схемы замещения, можно исследовать ВЗК процесс в обмотке АД, и на основе графического анализа или с использованием цифровых средств вычислений, оценивать состояние изоляции обмоток электрических машин.

Рисунок 3.5

Затухающий колебательный процесс в обмотке

Параметры полученного ВЗК процесса заданы исходными данными, а их значения близки к реальным для двигателя серии 4А, мощностью 2,2 кВт.

В основу вышеизложенного математического моделирования, положена идентичность математического описания процессов различных по своей физической природе, то есть их косвенная аналогия. Так, например, изменение физико-химических свойств изоляции обмотки АД может быт представлено в виде изменения электрической ёмкости или электрического сопротивления между двух изолированных проводников. Предварительно можно предположить, что изменение значений параметров схемы замещения, R, C, r_в, C_в, R_к и C_к отразится на форме ВЗК процесса в виде изменения пиковых значений амплитуд и периода затухающих колебаний. Вместе с тем, влияние выходных параметров источника сигнала, и входных параметров регистрирующего устройства, также может оказать существенное влияние на форму ВЗК. Но, в данном случае, как выходные параметры источника сигнала, так и входные регистрирующего устройства, могут быть рассчитаны и приняты за постоянное значение.