Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы износа изоляции электродвигателей и задачи исследования 13
1.1 .Эксплуатационные характеристики изоляции электрических двигателей собственных нужд электростанций и промышленных предприятий 13
1.2. Физические процессы старения изоляции электродвигателей 21
1.3. Анализ методов оценки состояния изоляции электродвигателей 29
1.4. Эксплуатационные особенности работы асинхронных двигателей электростанций 38
1.5.Постановка задачи исследования 42
2. Разработка установки и методов экспериментального исследования комплексного влияния разрушающих факторов на старение изоляции АД 0,4 кВ 47
2.1. Анализ методов испытаний изоляции асинхронных электродвигателей 47
2.2. Разработка установки и методики экспериментального исследования комплексного влияния разрушающих факторов на старение изоляции АД 0,4 кВ 52
2.3. Выбор и экспериментальная проверка степени ускорения испытаний изоляции электродвигателей 63
2.4. Результаты экспериментальных исследований влияния разрушающих факторов на старение изоляции АД 0,4 кВ 71
2.5.Влияние воздуха на пробой изоляции обмоток электродвигателей 75
3. Разработка математических моделей влияния разрушающих факторов на изоляцию электродвигателей 0,4 kB 85
3.1. Моделирование влияния питающего напряжения на срок службы статорных обмоток электродвигателей 85
3.2. Моделирование теплового старения изоляции АД 88
3.3. Моделирование влияния несимметрии питающего напряжения на срок службы асинхронных двигателей 104
3.4. Моделирование старения изоляции АД при повышенной влажности 105
3.5. Моделирование зависимости старения изоляции АД от вибрации 106
4. Разработка методики эксплуатационного прогнозирования сроков службы трехфазных асинхронных электродвигателей 109
4.1. Обобщенная гистограмма распределения пробоев изоляции обмоток электродвигателей 109
4.2. Обобщенная модель старения изоляции АД от совокупности разрушающих факторов 114
4.3. Восстановление зависимостей сроков службы изоляции электродвигателей от уровня воздействия разрушающих факторов 116
4.4. Методика прогнозирования срока службы электродвигателей по эксплуатационным параметрам 118
4.5. Экспериментальная проверка методики компьютерного прогнозирования срока службы электродвигателей 122
5. Разработка средств снижения износа изоляции асинхронных электродвигателей 0,4 кВ 129
5.1. Разработка устройства защиты электродвигателей от ускоренного износа в анормальных режимах работы 129
5.2. Способ защиты электродвигателей от повышенного износа в анормальных режимах 134
5.3. Разработка устройства включения электроприемников с пониженными коммутационными токами и уменьшенным износом 139
5.4. Способ снижения коммутационных токов и уменьшения износа изоляции 144
Заключение 148
Литература 151
Приложения 164
Патент РФ №2117380 243
Решение о выдаче патента на изобретение 244
Акт о внедрении результатов диссертационной работы 245
- Физические процессы старения изоляции электродвигателей
- Выбор и экспериментальная проверка степени ускорения испытаний изоляции электродвигателей
- Обобщенная гистограмма распределения пробоев изоляции обмоток электродвигателей
- Способ снижения коммутационных токов и уменьшения износа изоляции
Физические процессы старения изоляции электродвигателей
В эксплуатации характеристики изоляции двигателей с течением времени ухудшаются: электрическая и механическая прочность снижаются, диэлектрические потери и проводимость растут. Ухудшение во времени характеристик изоляции в условиях эксплуатации при номинальных режимах работы называют естественным старением.
При старении - необратимом изменении электрических, физических, химических и механических свойств - изоляционные материалы перестают выполнять .свои функции в конструкции. Старение происходит в основном под действием двух процессов -физических изменениях структуры и химических изменениях состава. При соприкосновении нагретой изоляции с воздухом или окисляющими веществами образуются летучие продукты, которые, испаряясь, дают усадку изоляции, при появлении в ней пор и воздушных включений. К таким же последствиям приводит и гидролиз - разрушение молекулы под действием влаги. Полимеры с молекулами содержащие двойные связи (например каучуки), более чувствительный к термоокислительной диструкции (полимеризации), чем насыщенные соединения (полиэтилен и др.). Первые обычно окисляются при температуре больше 100 С, вторые при более высоких температурах.
Рабочая температура большинства органических веществ обычно не более 130 С. В результате старения электрическая прочность изоляции значительно уменьшается, особенно вследствие проникновения в трещины влаги и загрязнений. При снижений электрической прочности до уровня рабочего напряжения, воздействующего на изоляцию, наступает пробой.
Различают 4 вида пробоя твердых диэлектриков: а) электрический пробой макроскопически однородных диэлектриков; б) электрический пробой неоднородных диэлектриков; в) тепловой (электротепловой) пробой; г) электрохимический пробой.
Одним из основных факторов, определяющих срок службы изоляции электрических машин, является тепловое старение. При повышении температуры возникают или ускоряются химические процессы в изоляционных материалах. Тепловое старение твердых диэлектриков проявляется главным образом в снижении их механической прочности, особенно на растяжение и излом. После механического разрушения происходит пробой изоляции.
Другим важным фактором старения изоляции является электрическое поле. Электрическое поле в высоковольтных машинах вызывает местные электрические разряды и ионизацию внутренних и поверхностных воздушных включений. Ионизация воздушных включений вызывает увеличение тепловых потерь в изоляции, механическое разрушение изоляционных материалов, появление озона и оксидов азота, которые в присутствии влаги образуют азотистую и даже азотную кислоты. Причиной пробоя изоляции в электрических машинах могут быть кратковременные повышения напряжения. Напряжение, воздействующее на изоляцию принимают во внимание потому, что изолирующие материалы, использующиеся в практике, обладают электрической прочностью, то есть способностью выдерживать без пробоя или перекрытия ту или иную напряженность электрического поля, существенно зависящую от продолжительности воздействия напряжения. Иногда изоляция разрушается не длительно воздействующими на нее напряжениями, а теми кратковременными повышениями напряжений, которые вследствие ряда причин всегда могут возникнуть в процессе эксплуатации электрических установок. Кратковременные повышения напряжения электрических установках получили название перенапряжений.
Перенапряжения, которые возникают в электрических установках во время их работы, можно разделить на две основные категории: перенапряжения внутреннего происхождения, возникающие вследствие тех или иных переходных режимов в самой электрической установке, и перенапряжения внешнего происхождения, представляющие собой результат воздействия на электрические установки атмосферного электричества.
Перенапряжения внутреннего происхождения, часто называемые коммутационными, связаны с различными процессами в электрических установках и могут характеризоваться определенным кратковременным возрастанием напряжения по отношению к нормальному напряжению.
Перенапряжения внешнего происхождения, или атмосферные, возникающие в результате воздействия на электрическую установку грозового облака или молнии, не связаны с нормальными режимами установки.
Для нормальной изоляции электрических двигателей большинство перенапряжений внутреннего происхождения не представляют опасности. Эти перенапряжения возникают вследствие переходных процессов в электрических установках при нормальных коммутационных операциях в них (включениях и отключениях машин, трансформаторов, линий передачи) и при авариях (короткие замыкания, обрыв проводов). К категории перенапряжений внутреннего происхождения относятся также и резонансные явления на повышенных частотах, возникающие под действием искажения синусоидальной формы кривой напряжения при несимметричных коротких замыканиях. К этой же категории относятся дуговые перенапряжения, являющиеся следствием горения перемежающейся дуги при замыканиях на землю одной фазы в установках с изолированной нейтралью.
Атмосферные перенапряжения возникают вследствие прямого удара молнии в элементы электрической установки. Они могут также представлять собой результат индукции электростатического поля грозового облака, проявляющийся при разряде грозовых облаков между собой или на землю вблизи элементов электрической установки. Наконец, они могут быть следствием действия магнитного поля грозового разряда, возникающего вблизи от элементов электрической установки. Опыт проектирования и эксплуатации электрических установок показывает, что только в том случае, если изоляция их элементов выбрана с учетом значений возможных атмосферных перенапряжений и приняты необходимые меры защиты, можно добиться достаточно надежной и бесперебойной работы.
Опыт эксплуатации и значительное количество лабораторных исследований показывают, что все виды изоляции, применяющиеся в современных электрических машинах, обладают электрической прочностью, значение которой существенно зависит от продолжительности воздействия напряжения, то есть происходит электрическое старение изоляции.
Механизм электрического старения изоляции электрических машин тесно связан с механическими и тепловыми нагрузками, которым подвержена изоляция в рабочих, анормальных и аварийных режимах. Экспериментальными исследованиями установлено, что одним и тем же механическим и тепловым условиям изоляции электрических машин соответствует различная электрическая прочность в функции времени, в течение которого изоляция находится под напряжением, причем анализ экспериментальных данных показывает, что закономерность электрического старения не нарушается при механических и тепловых воздействиях.
Между изоляцией электродвигателя и окружающей средой практически постоянно происходит влагообмен. Способность поглощать или отдавать влагу зависит от конструкции электродвигателя, его состояния, структуры и состава изоляции /2, 1II. Изменение влагосодержания изоляции обмотки в процессе эксплуатации электродвигателя можно косвенно проследить по изменению сопротивления изоляции. Проанализируем процессы в изоляции электродвигателя, работающего в тяжелых условиях производства при повышенной (до 100 %) влажности окружающей среды. Когда электродвигатель находится в нерабочем состоянии в помещении с высокой относительной влажностью, на его изоляцию воздействует только градиент влажности. Изоляция электродвигателей поглощает влагу из воздуха - происходит процесс увлажнения. Увлажнение изоляции обмотки приводит к резкому снижению ее диэлектрических характеристик: сопротивления изоляции, электрической прочности и др. Следует отметить, что пробой сильно увлажненной изоляции наступает не в момент включения электродвигателя в сеть, а спустя некоторое время после того, как изоляция разогреется. Отмеченное явление следует учитывать при принятии решений о возможности эксплуатации увлажненного электродвигателя.
Выбор и экспериментальная проверка степени ускорения испытаний изоляции электродвигателей
Срок службы изоляции современных серий трехфазных асинхронных электродвигателей серии 4А, АИ составляет 20000 часов /50/ при наработке данного времени в течение 5 лет. Испытания на износ в течение такого длительного времени теряют смысл - их результаты морально устаревают за такой срок. Проблема сокращения длительности испытаний решается проведением ускоренных испытаний, которые характеризуются повышенным уровнем некоторых воздействующих факторов. Традиционно к ним относятся повышенные температура, вибрация, частота вращения, частота пусков, влажность, запыленность /9, 11, 13, 26, 27,30,39,41,44,47/.
Предварительно необходимо определить предельно допустимое значение коэффициента ускорения Ку (отношения времени работы в нормальных условиях к времени работы в форсированных режимах). При этом требуется соблюдение адекватности законов старения,изоляции в нормальном и форсированном режимах. Это означает, что при форсированных режимах не должна нарушаться физика процессов старения и износа изоляции.
Для получения коэффициента ускорения в функции факторов форсирования необходимо реализовывать специальные планы, которые составлены согласно математической теории планирования экспериментов. Функциональные зависимости записываются в полиномиальном виде:
- для планов первого порядка Ку = А0 + Ai Fi + Ау F Fj; (2.2)
- для планов второго порядка Ку = А0 + А5 F5 + Аа Fi Fj + AH Fj2; (2.3) и так дальше, где Fi, Fj - факторы ускорения.
Зависимость коэффициента ускорения от факторов находится по экспериментальным данным сроков службы изоляции от этих факторов. Так, известны экспериментальные кривые теплового старения изоляции, частоты вращения, вибрации /76, 94, 113 /. Опыт создания методик ускоренных испытаний усилением перечисленных факторов показывает, что коэффициент ускорения не превышает 12...20, то есть время старения изоляции в этом случае составит 1000 часов и более.
В данной работе предлагается для дополнительного ускорения испытаний использовать такой фактор старения, как электрическое поле. Действительно, снижение срока службы изоляции при повышении напряжения пропорционально 4...7 степени напряжения 1911.
Для проверки предлагаемой методики ускорения испытаний примем план эксперимента 4 порядка Ky = Ao + A1U + A2U2 + A3U3 + A4U4; (2.4)
По точкам характеристик электрического старения изоляции, приведенным в /6, 7, 97, 98/, получаем следующие значения коэффициентов: Ао = 5598,0546; А! = -5,4398666 А2 = 0,0018659333 Аз = -2,759937 10"7; А4 = 1,5353478 10"11..
Для экспериментальной проверки соответствия скорости электрического старения изоляции электродвигателя показателям /6, 7, 97, 98/ определена напряженность электрического поля, вызывающая такой темп старения, при котором срок службы составляет 1000 с; по данным /6, 7, 97, 98/ эта напряженность для различных типов изоляции двигателей составляет 22,7... 15,2 кВ/мм. Для первого приближения выбрано значение из средней области напряженности: 19 кВ/мм.
Экспериментальные исследования выполнены с изоляцией толщиной 0,025 мм обмоточного провода ПЭВ-2 диаметром 0,5 мм /37/. Электрическое поле создавалось между двумя проводниками. Следовательно, необходимое для эксперимента напряжение определяется двойной толщиной изоляции, если принять допущение о практически однородном поле в области сопротивления проводников:
В соответствии с планом эксперимента коэффициент ускорения испытаний при этом составляет Ку = 5598,0546 - 5,4398666 U +0.0018659313 U2 - 2.7599370 10"7 U3 + 1.5353478 10-" U4 = 72284. (2.6)
Прогнозируемое планом ускоренных испытаний время старения должно составлять при номинальном сроке службы в 20000 часов 20000 3600 / 72284 = 996 с, что очень близко к значению, полученному выше.
Схема второй испытательной экспериментальной установки для проверки коэффициента ускорения (рис. 2.7 ) включала в себя регулируемый блок питания постоянного тока, к выходу которого подсоединялся импульсный преобразователь постоянного напряжения в переменное, которое после выпрямления и сглаживания подавалось на испытуемую изоляцию. В качестве испытуемых образцов изоляции выступали 30 изоляционных покрытий пар свитых обмоточных проводов длиной 0,5 м. В эксперименте поддерживалась расчетная напряженность до момента пробоя изоляции любой из пар проводников. Время жизни изоляции каждой пары измерялось секундомером. Получены следующие результаты эксперимента занесены в таблицу 2.2.
Гистограмма распределения числа пробоев изоляции обмоточных проводников-в функции времени воздействия напряжения позволяет сделать следующие выводы. Реальные процессы электрического старения, зарегистрированные в эксперименте, адекватны зависимости снижения срока службы электрической изоляции обмоточных проводов двигателей по данным /6, 7, 97, 98/. Некоторое отличие расчетного срока службы в 1000 с от экспериментального значения 732 с обусловлены превышением испытательного напряжения в 1 кВ от расчетного значения 0,95 кВ; кроме того в эксперименте отсутствовала вибрация, характерная для работы изоляции электрических машин, а также использовалось постоянное электрическое поле вместо переменного. Ни одна из пар испытуемых проводников не была пробита прежде, чем произошло электрическое старение (то есть на первых минутах испытания). Вместе с тем, ни одна из пар испытуемых проводников не выдержала номинального или близкого к нему срока службы - все бни были разрушены (пробиты) за времй, не превышающее 732 секунды. Следовательно, экспериментальная проверка плана ускоренных испытаний подтвердила его правомерность. Кроме того, прогнозирование срока службы изоляции электрических машин по фактору воздействия электрического напряжения может и должна определяться падающей прямой снижения срока службы от напряженности в логарифмических координатах, при этом требуется экспериментальное уточнение наклона данной кривой жизни изоляции.
Обобщенная гистограмма распределения пробоев изоляции обмоток электродвигателей
Выполненная серия экспериментальных исследований времени жизни изоляции электродвигателей является обширным исходным материалом для обобщения кривой распределения пробоев обмоток двигателей при самых различных комбинациях воздействия разрушающих факторов.
Целью обобщения является, во-первых, проверка близости форм кривых распределения числа пробоев во времени при различных комбинациях разрушающих факторов, во-вторых, получение единой кривой распределения пробоев в относительных единицах, которая позволяла бы получить частную кривую путем пересчета в абсолютные величины.
Методика обобщения состоит в том, что по общей совокупности зарегистрированных интенсивностей пробоев от времени, полученных для всех комбинаций воздействий разрушающих факторов, выполнено нормирование большой выборки событий путем разбиения суммарного времени всех разрешений к одинаковому числу Nt = 18 интервалов, на каждом из которых определены числа пробоев N. Для каждого интервала выполнен расчет среднего значения N при всех совокупностях воздействующих факторов.
Таким образом получена обобщенная гистограмма распределения пробоев изоляции обмоток во времени - рис. 4.1. Ее сопоставление с каждой из гистограмм распределения пробоев при единственном однозначно определенно наборе разрушающих факторов показывает повторяемость характера распределения. Следовательно, каждая частная гистограмма может быть получена на основе обобщенной путем перевода конечного интервала (с номером 18) в суммарное время всех пробоев изоляции с масштабным коэффициентом mt =tz/18.
Установлено, что гистограмма отражает не только процесс старения изоляции, но и накладываемую на процесс старения зависимость надежности вводимого в работу технического объекта (обмотки) от времени. Такое возрастание числа пробоев отчетливо наблюдается на гистограмме экспериментального распределения. Отличительной особенностью закона распределения пробоев на интервале проявления дефектов и слабых мест является его близость к нормальному закону распределения (Гаусса).
Степень близости определена по критерию Стьюдента Для этого результаты измерений внесены в первый столбец таблицы приводимой ниже распечатки расчетов выполненных с помощью Excel. Далее выполнено вычисление среднего значения п измерений. Затем найдены отклонения каждого результата измерения от среднего значения - вторая колонка таблицы Excel. Вычислены квадраты этих отклонений - третья колонка таблицы Excel. Определена среднее квадратичное отклонение серии результатов измерений = 0,420006. Для заданного значения надежности 0,95 взят коэффициент Стьюдента t = 1,98. Найдена граница доверительного интервала t S = 0,420006 1,98 = 0,831612. В абсолютном выражении величина доверительного интервала составляет 3,8 %.
Таким образом, экспериментальные значения начальной части обобщенной гистограммы распределения пробоев с вероятностью в 95 % подчиняются нормальному закону распределения с доверительным интервалом, не превышающим 4 %.
Из теории надежности технических систем известно, что нормальное распределение отказов есть результат проявления большого числа трудноучитываемых дефектов. Следовательно, на пробои изоляции обмоток двигателей на начальном этапе эксплуатации оказывают решающее влияние многочисленные дефекты изготовления обмоточного провода, а также дефекты выполнения обмоток.
Способ снижения коммутационных токов и уменьшения износа изоляции
Способ снижения коммутационных токов устройством по п.5.3, состоит в следующем. Прямое подключение нагрузки к питающей сети U сопровождается для электродвигателей появлением переходных токов с повышенным по сравнению с номинальным значением уровнем. Кратность коммутационных (или пусковых) токов наиболее часто составляет 5...9. Для электродвигателей такая кратность при подключении к сети обусловлена заторможенным состоянием ротора, а следовательно, отсутствием генераторной ЭДС, уравновешивающей напряжение статора, например, в номинальном режиме.
Повышенные значения токов, в свою очередь, обусловливают высокие кратности разрушающих воздействий: термического - теплового импульса, и механического. Каждое из указанных воздействий пропорционально квадрату тока (или его кратности по отношению к номинальному значению).
Подключение сопротивления нагрузки к питающей сети U через последовательно включенное устройство (выводы а, Ь) обеспечивает прохождение одного и того же тока как через нагрузку, так и через устройство. Поэтому при подключении схемы рис.5.5. к сети ее напряжение в каждый момент времени распределяется между нагрузкой (ин) и устройством (иу). Второе из этих напряжений пропорционально скорости нарастания тока нагрузки uy= L di/dt. А так как токи включения перечисленных электроприемников имеют повышенные значения, следовательно, и производная di/dt выше номинального значения. Поэтому при подключении схемы к сети падение напряжения иу между клеммами устройства а - b повышено, что обеспечивает пониженное напряжение на зажимах нагрузки (в 2 - 3 раза при наибольшем значении тока включения). По мере приближения тока нагрузки к установившемуся значению, во-первых, снижается производная di/dt, а соответственно - напряжение L di/dt на зажимах устройства. При этом напряжение нагрузки повышается. Во-вторых, по мере прохождения тока через катушки L происходит возрастание индукции их магнитопроводов до уровня насыщения, что приводит к уменьшению их индуктивности L, а соответственно дополнительному понижению напряжения L di/dt. В результате в установившемся режиме после подключения нагрузки к сети на нее подается напряжение, близкое к сетевому (на зажимах устройства а, b напряжение может быть доведено до уровня, меньшего 1% питающего, что вполне допустимо ГОСТ на качество электрической энергии).
Особенностью работы магнитопроводов Ln по сравнению с Lm+1 является, во-первых, их первоочередное насыщение (например, за период питающего напряжения каждого из магнитопроводов Lm+i), а во-вторых, дополнительное удержание в насыщенном состоянии в каждый из полупериодов, так как они намагничиваются токами катушек Lm+b работающими в один полупериод, и катушек Lp+i, работающими во второй полупериод. Это обеспечивает более глубокое снижение их индуктивности в установившемся режиме. Последовательное включение нескольких катушек обеспечивает, во- первых, сколь угодно высокое снижение напряжения на нагрузке в момент коммутации, во-вторых, обеспечивает достижение любого наперед заданного закона снижения токоограничительного эффекта во времени, например, синхронного снижения пускового тока электродвигателя. Последнее обеспечивается увеличенным сечением каждого последующего магнитопровода и уменьшением числа витков каждой последующей катушки. При этом в случае длительного прохождения пусковых токов через нагрузку токоограничительный эффект в первый период максимален и обусловлен действием всех катушек. После насыщения первого магнитопровода необходимый токоограничительный эффект обеспечивается второй и последующими катушками и так далее.
Применение катушек с отдельными магнитопроводами необходимо в тех случаях, когда питающее напряжение U сильно завышено и требуется его ограничение более, чем на 1 %, в установившемся режиме. Эти магнитопроводы намагничиваются лишь один полупериод. Во второй полу период происходит снижение их индукции по петле гистерезиса практически до уровня остаточной индукции, которая у современных электротехнических сталей невелика. Поэтому при наступлении рабочего полупериода тока для каждого из магнитопроводов начинается перемещение рабочей точки на частичной петле перемагничивания от уровня остаточной индукции до насыщения и в установившемся режиме падение напряжения на катушках Li,..., Lm больше, чем на катушках Lm+b Lm+2, Lp+i, Lp+2 и их влияние на степень ограничения напряжения в установившемся режиме является доминирующим.
Эффект, обеспечиваемый изложенным способом и разработанной схемой, заключается в расширении области применения устройства на любые электроприемники, и особенно электродвигатели, не допускающие наличия в питающем напряжении постоянной составляющей; это обеспечивается симметрией применяемых вентилей - диодов и симметрией включенных последовательно с каждым из них катушек индуктивностей; применение катушек индуктивностей последовательно с вентилями и электродвигателем обеспечивает высокую перегрузочную способность как электроприемника, так и вентелей, так как кратности напряжений, допустимые для катушек индуктивностей, значительно выше кратностей предельно допустимых напряжений полупроводниковых элементов; повышение перегрузочной способности в свою очередь, обеспечивает повышение надежности схемы, особенно при грозовых перенапряжениях , вызванных коммутацией мощных электроприемников индуктивного характера, повышениях напряжения на однофазных электродвигателях, например, с фазного 220 В до линейного 380 В, в аварийных режимах, связанных с попаданием фазы сети на нейтральный провод; использование каскада катушек индуктивностей позволяет получить любое изменение токоограничительного эффекта во времени, а соответственно, повысить срок службы электроприемников как за счет ограничения ударных токов, так и за счет ограничения продолжительных пусковых токов, так и за счет понижения напряжения в установившемся режиме, если сетевое напряжение выше номинального значения.
