Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса 8
1 Анализ аварийности на предприятиях нефтегазовой отрасли из-за отказов машинных агрегатов 8
2 Влияние условий эксплуатации и режимов работы машинных агрегатов нефтегазовых производств на деградацию диэлектрических свойств изоляции электропривода 14
3 Современные методы и средства оценки состояния изоляции элементов электропривода машинных агрегатов 17
4 Выбор элемента электропривода и типа изоляции для проведения экспериментальных исследований 26
Процессы деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода машинных агрегатов 35
1 Электрофизические и механические свойства изоляционных материалов, характеристики и параметры 35
2 Схемы замещения, математические модели и характеристики элементов электропривода машинных агрегатов 41
3 Изменения электрических параметров элементов электропривода в процессе деградации диэлектрических свойств изоляции 47 ,'
4 Моделирование процессов деградации диэлектрических свойств изоляции 51
Экспериментальные исследования изменения частотных характеристик образцов изоляции в процессе деградации диэлектрических свойств 60
1 Разработка методик экспериментальных исследований и обработки экспериментальных данных 60
2 Изготовление образцов для моделирования процессов деградации диэлектрических свойств изоляции 63
3 Разработка экспериментальной установки, приборное, программное и метрологическое обеспечение 66
4 Исследование изменения частотных характеристик образцов в процессе деградации диэлектрических свойств изоляции 76
Разработка метода оценки состояния изоляции силовых кабелей машинных агрегатов на основе анализа их амплитудно-фазовых частотных характеристик 86
1 Анализ результатов экспериментальных исследований 86
2 Теоретическое обоснование частотного метода оценки состояния изоляции 89
3 Разработка частотного метода оценки состояния изоляции силовых кабелей машинных агрегатов 106
4 Разработка программно-аппаратного комплекса для оценки состояния изоляции силовых кабелей машинных агрегатов 110
5 Технические и метрологические характеристики программно-аппаратного комплекса 114
Основные результаты и выводы 119
Список использованных источников 120
Приложения
- Влияние условий эксплуатации и режимов работы машинных агрегатов нефтегазовых производств на деградацию диэлектрических свойств изоляции электропривода
- Схемы замещения, математические модели и характеристики элементов электропривода машинных агрегатов
- Изготовление образцов для моделирования процессов деградации диэлектрических свойств изоляции
- Теоретическое обоснование частотного метода оценки состояния изоляции
Введение к работе
Предприятия нефтегазовой отрасли характеризуются разнообразием технологических процессов с пожаровзрывоопасными производствами, которые являются крупными потребителями электроэнергии. Порядка 35% всего оборудования, используемого для ведения технологического процесса, составляют машинные агрегаты с электрическим приводом, а доля потребления ими электрической энергии превышает 70% всей потребляемой предприятием электроэнергии, их работоспособность во многом определяет надежность всего технологического комплекса. Отказ машинных агрегатов приводит к нарушению технологического режима, а в отдельных случаях может привести к пожарам или взрывам. Отличительной особенностью машинных агрегатов с электрическим приводом является то, что их безотказность определяется безотказностью совокупности элементов механической части и электрического привода.
Машинные агрегаты, с одной стороны, через электропривод взаимодействуют с системой электроснабжения промышленного предприятия, с другой стороны, через механическую часть, с технологическим процессом. Для определения технического состояния механической части разработаны и успешно применяются многочисленные методы, такие как вибрационный, тепловизионный, акустический, магнитный и вихретоковый. Методы диагностики, применяемые для обеспечения необходимого уровня безопасной эксплуатации элементов электрической части машинных агрегатов — аппаратов управления электроприводом, кабелей, электродвигателей, в основном ориентированы на использование в системе планово-предупредительных ремонтов и испытаний. Они основаны, на измерении отклонений номинальных значений токов и напряжений, изменений составляющих этих величин по амплитуде, фазе, частоте, на измерении сопротивлений и проводимостей. диэлектриков и проводников, параметров шума, испытании повышенным
напряжением. Эти методы не позволяют отслеживать протекание деградационных процессов в изоляции элементов электропривода машинных агрегатов в процессе эксплуатации.
Из всех элементов электропривода машинных агрегатов в наиболее тяжелых условиях эксплуатируются силовые кабели, соединяющие устройства управления с электрическими двигателями. Устройства управления и электродвигатели, как правило, располагаются соответственно в распределительных пунктах и машинных залах, в которых созданы благоприятные для данного вида оборудования условия эксплуатации, уже на стадии их проектирования закладывается стойкость к возможным перегрузкам в различных режимах работы. Кабели машинных агрегатов выбираются исходя из номинальных токов электродвигателей, при пусках и регулировании технологических параметров они подвергаются перегрузкам токами, превышающими номинальные токи в 5 - 7 раз. Помимо электрических нагрузок на изоляцию кабелей машинных агрегатов нефтегазовых производств оказывают воздействие пожаровзрывоопасные и агрессивные среды, высокие перепады температур, вибрации, а также механические воздействия при проведении работ по ремонту и профилактическому обслуживанию агрегатов. Перечисленные факторы способствуют развитию деградационных процессов в изоляции, снижают уровень надежности машинных агрегатов в целом и делают неэффективными распространенные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса изоляции, ориентированные на стабильные эксплуатационные параметры. В настоящее время закономерности протекания деградационных процессов в изоляции кабелей машинных агрегатов нефтегазовых производств исследованы недостаточно полно, результатом чего является отсутствие методов и средств, позволяющих определить фактический уровень деградации диэлектрических свойств и оценить остаточный ресурс безопасной эксплуатации изоляции кабелей машинных агрегатов. Одной из особенностей кабелей машинных агрегатов является то, что их длина обычно
не превышает нескольких десятков метров, что позволяет применять для оценки состояния их изоляции специфические методы, малопригодные для диагностирования обычных силовых кабельных линий электрических сетей.
Согласно Федеральному закону № 116 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» предприятия и организации, осуществляющие эксплуатацию опасных производственных объектов, обязаны обеспечивать безопасность технологических процессов, защиту личности и общества от аварий и их последствий. В связи с этим проблема повышении эксплуатационной надежности машинных агрегатов нефтегазовых производств путем определения фактического уровня деградации диэлектрических свойств изоляции является актуальной.
Целью работы является разработка частотного метода оценки уровня деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств, позволяющего повысить безопасность их эксплуатации.
Для реализации цели диссертационной работы поставлены и решены следующие основные задачи:
анализ влияния состояния изоляции электропривода машинных агрегатов на безопасность технологических процессов предприятий нефтегазовой отрасли;
исследование влияния условий эксплуатации и режимов работы машинных агрегатов на развитие процессов деградации диэлектрических свойств изоляции и выявление диагностических параметров, позволяющих идентифицировать состояние изоляции;
исследование динамики изменения диагностических параметров в. процессе деградации диэлектрических свойств изоляции электропривода машинных агрегатов, определение значений диагностических параметров, соответствующих предельному состоянию изоляции;
4) разработка метода количественной оценки уровня деградации диэлектрических свойств изоляции элементов электропривода машинных агрегатов нефтегазовых производств.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) предложен частотный метод оценки состояния изоляции, с помощью
которого установлены критические пределы эксплуатации кабеля электропривода
машинного агрегата;
2) получена математическая модель в операторной форме, позволяющая
определить уровень деградации диэлектрических свойств изоляции элементов
электропривода, на основании полученных данных определены значения
параметров модели в пределах 20% от критического состоянию изоляции.
Разработанный частотный метод диагностики технического состояния изоляции кабелей машинных агрегатов, позволяющий количественно определить уровень её деградации, передан в ОАО «Салаватнефтеоргсинтез» для дальнейшего использования при оценке текущего состояния изоляции и проведения неразрушающего контроля, а таюке используется в учебном процессе в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 14 работах [8, 9, 10, 12, 13, 15, 17, 18, 53-58].
Автор выражает благодарность своему научному руководителю, д.т.н. М.Г.Баширову за оказанную помощь при постановке задачи и анализе результатов исследований.
Влияние условий эксплуатации и режимов работы машинных агрегатов нефтегазовых производств на деградацию диэлектрических свойств изоляции электропривода
Отличительной особенностью машинных агрегатов нефтегазовых производств является то, что они эксплуатируются в условиях действия пожаровзрывоопасныых сред, высоких перепадов температур, вибраций, механических воздействий при проведении ремонтных и профилактических работ, испытывает действие химически активных веществ, живых организмов, пыли и загрязнений, которые вызывают изменение свойств электрической изоляции и, как правило, ускоряют ее отказ [95]. Химически активные вещества вступают в реакцию с электроизоляционными материалами, вызывая тем самым изменение их химического состава и структуры, а следовательно, и свойств [6]. Скорость протекания реакции увеличивается при повышении температуры, действии механических напряжений и электрических полей. Бактерии и грибковая плесень могут развиваться при повышенной температуре и высокой влажности на органических электроизоляционных материалах. При этом в результате действия микроорганизмов и грибковой плесени свойства электроизоляционных материалов ухудшаются: волокна грибковой плесени впитывают и связывают воду; при жизнедеятельности отдельных организмов образуются химически активные продукты; на поверхности и в объеме изоляции образуются электропроводящие участки [142]. Дополнительно на изоляцию воздействуют загрязнения, внешний перегрев, перенапряжения, короткие замыкания [106].
Последствия деградации свойств изоляции могут быть устранены путем восстановительного ремонта, поэтому важнейшими задачами эксплуатационного персонала является определение уровня деградации диэлектрических свойств изоляции и своевременное принятие мер по предотвращению пробоя изоляции. Пробой изоляции - явление необратимое, приводящее к отказу всего агрегата [30].
Различают четыре основных вида воздействия на изоляцию и четыре процесса старения изоляции [72]: - электрические нагрузки, связанные с возможной ионизацией при большой напряженности электрического поля - электрическое старение изоляции; - тепловые нагрузки, приводящие постепенному разложению или появлению трещин в изоляции - тепловое старение изоляции; - механические нагрузки, связанные с возникновением и развитием трещин в твердой изоляции - механическое старение; - проникновение влаги из окружающей среды - увлажнение изоляции.
Электрические воздействия можно классифицировать в соответствии со схемой приведенной на рисунке 1.3.
Перечисленные факторы способствуют развитию деградационных процессов в изоляции, снижают уровень надежности машинных агрегатов в целом и делают неэффективными распространенные методы оценки технического состояния и прогнозирования ресурса изоляции, ориентированные на стабильные эксплуатационные параметры.
В настоящее время для оценки состояния изоляции разработаны и применяются различные методы диагностики и контроля. Когда профилактический контроль (рисунок 1.4) производится таким образом, что значительная часть дефектов изоляции заблаговременно выявляется, происходит соответствующее уменьшение случаев повреждения её в эксплуатации, а это способствует повышению безопасности эксплуатации машинных агрегатов. Ослабление изоляции до пробоя может быть медленным процессом и всякое усилие по предупреждению пробоев в эксплуатации путем периодического контроля состояния изоляции считается желательным, если оно экономически себя оправдывает. Поэтому, для предотвращения пробоев изоляции в условиях эксплуатации, необходимо контролировать её состояние, определять характер и степень опасности происходящих изменений. При своевременном обнаружении ухудшения изоляции можно принять необходимые меры для восстановления её эксплуатационной надежности на определенный период [132].
Пробой изоляции - явление необратимое, приводящее к отказу всего агрегата. Бумажно-пропитанная изоляция кабелей часто самовосстанавливается, но ее характеристики ухудшаются. В настоящее время для подержания диэлектрических свойств изоляции на требуемом уровне применяется система планово-предупредительного ремонта по времени наработки, которая не учитывает реальных условий эксплуатации. Как показала практика, система поддержания надежности изоляции по времени наработки не является оптимальной. Условия эксплуатации машинных агрегатов не одинаковые, следовательно, неодинаково происходит и старение изоляции. Если оценивать реальное состояние изоляции, то можно с меньшими затратами продлить ее срок службы без снижения надежности ее работы. Для того чтобы перейти от системы обслуживания по пробегу к альтернативной системе обслуживания по реальному техническому состоянию, нужны объективные оценки состояния изоляции.
Схемы замещения, математические модели и характеристики элементов электропривода машинных агрегатов
Для рассмотрения причин протекания деградационных процессов в изоляции машинных агрегатов нефтегазовых производств, а также влияние на них конструктивных особенностей, способов монтажа, условий эксплуатации, окружающей среды составлены структурные схемы и электрические схемы замещения машинного агрегата. На рисунке 2.3 изображена структурная схема машинного агрегата, которая состоит из прямоугольников (звеньев), изображающих элементы электромашинного агрегата, и стрелок, соединяющих выходы и входы отдельных элементов согласно связям между ними. Стрелками показаны также внешние воздействия f(p), приложенные к агрегату. Внутри каждого прямоугольника записана математическая модель элемента агрегата в операторной форме - его передаточная функция {Wyy(p) - устройство управления агрегатом, WMa(p) —машинный агрегат; Woc(p) — звено обратной связи). Входными (заданными) g(p) и выходными уф) величинами машинного агрегата являются расход, напор, скорость, частота, момент или другие величины в зависимости от функционального назначения агрегата, они представляют собой векторы соответствующих размерностей. На схеме также показаны е(р) — отклонение между выходной и заданной величинами, х(р) — управляющее воздействие [32].
Для более детального анализа влияния деградации диэлектрических свойств изоляции на безопасность эксплуатации машинного агрегата представим его в виде четырех последовательно соединенных звеньев — устройства управления агрегатом Wyy(p), кабеля, соединяющего устройство управления с двигателем электропривода агрегата {WKae(p)), электродвигателя {W3 (p)) и исполнительного органа с механической передачей (Wuo(p)) (рисунок 2.4). Как было сказано ранее, процессы деградации свойств изоляции электродвигателей довольно подробно изучены, разработаны методы и технические средства, позволяющие идентифицировать их техническое состояние и прогнозировать остаточный ресурс безопасной эксплуатации. Наименее исследованными в настоящее время являются деградационные процессы в изоляции кабелей машинных агрегатов и, соответственно, практически отсутствуют методы и средства оценки уровня деградации их диэлектрических свойств и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации, в основном используются испытания повышенным напряжением.
Для получения передаточной функции кабеля W(p) = и(р)/х(р) составлена электрическая схема замещения электромашинного агрегата (рисунок 2.5), содержащая схему замещения кабеля с распределенными параметрами и схему замещения двигателя с исполнительным органом. Распределенная цепь моделируется путем каскадного соединения элементарных четырехполюсников. Схема замещения кабеля с распределенными электрическими параметрами содержит погонные значения активного сопротивления токопроводящей жилы Кц, индуктивности L;, емкости Сі и сопротивления изоляции R2i на единицу длины линии. Схема замещения двигателя с исполнительным органом представлена параметрами обмоток статора и ротора, магнитной цепи и учитывающего изменение активной мощности, передаваемой в исполнительный орган при различных режимах работы электромашинного агрегата. По своей физической природе первичные электрические параметры кабеля аналогичны параметрам колебательных контуров, но в отличие от них они являются не сосредоточенными, а распределены по всей длине кабеля. Этим объясняется определенная зависимость первичных параметров кабеля от частоты сигнала и от конструкции кабеля [35].
В процессе деградации диэлектрических свойств изоляции и местных изменений сопротивления токопроводящей жилы в местах появления неоднородностей изменяются эквивалентные емкость, индуктивность, активные сопротивления. Местные неоднородности формируют колебательные контуры с резонансной частотой, определяемой эквивалентными значениями емкости, индуктивности и активных сопротивлений, что отражается на амплитудно-фазовых частотных характеристиках кабеля. Анализ амплитудно-фазовых частотных характеристиках силового кабеля позволяет идентифицировать уровень деградации диэлектрических свойств изоляции и выявить локальные отклонения электрических параметров кабеля от установленных нормативными документами [82, 122].
Изготовление образцов для моделирования процессов деградации диэлектрических свойств изоляции
Согласно [122] общая относительная погрешность измерения входного сигнала будет составлять где к - коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью (приР = 0,95к=1,1); 8,... 5Ш - относительные погрешности измерения (класс точности) каждого прибора в отдельности. Основные положения методов обработки результатов измерений и оценки их погрешностей сформулированы в ГОСТ 8.207—76 и подробно рассмотрены в различных руководствах. При статистической обработке группы результатов наблюдений следует выполнить следующие операции: - исключить известные систематические погрешности из результатов наблюдений; - вычислить среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимаемое за результат измерения; - вычислить оценку среднего квадратического отклонения результата измерения; - проверить гипотезу о том, что результаты наблюдений принадлежат нормальному распределению; - вычислить доверительные границы случайной погрешности (случайной составляющей погрешности) результата измерения; - вычислить границы не исключенной систематической погрешности (не исключенных остатков систематической погрешности) результата измерения; - вычислить доверительные границы погрешности результата измерения [71]. В настоящее время для обработки экспериментальных данных широко используется вычислительная техника [34]. С этой задачей может справиться любая вычислительная система при наличии соответствующего программного обеспечения. Очень хорошо себя зарекомендовала система автоматизации математических расчетов MatLAB, которая легко поддается программированию и снабжена большим числом функций, выполняемых над векторами, матрицами, логическими и комплексными величинами. Специальные операторы позволяют строить гистограммы и графические изображения в полярных, комплексных и декартовых координатах. Удобным средством для построения графиков и диаграмм является программный пакет Microsoft Excel for Windows. В качестве образцов изоляции при проведении исследований использовались отрезки силового кабеля с пропитанной бумажной изоляцией длиной 5 метров марки ААШВ-6 3x150, с алюминиевой оболочкой и открытыми концами [42].
Данный тип изоляции наиболее распространен в электрическом приводе машинных агрегатов - вентиляторов, центробежных и поршневых насосов, от технического состояния которых во многом зависит безопасность технологических процессов. Для проведения исследования по проверке стойкости к механическим воздействиям отобрано три образца кабеля длиной 5 метров, исключая концевые разделки [40, 42]. Для проведения испытания на долговечность использовались три образца длиной 15 метров без учета концевых заделок. В данной работе для контроля технического состояния кабеля предлагается использовать программный комплекс, поставляемый в комплекте с интегрируемой в компьютер платой Tie Pie ТР-801 (фирма TiePie engineering Netherlands, класс точности 0,1) представляющей 2-канальный, 8-разрядный с частотой оцифровки 20 млн выборок в секунду - измерительный прибор, который может использоваться как цифровой запоминающий осциллоскоп, анализатор спектра, вольтметр или самописец. Все элементы платы измеряют, оцифровывая входной сигнал, обрабатывают данный, сохраняют и воспроизводят их на экране [63]. В данной работе программный комплекс используется одновременно как генератор - осциллоскоп или генератор - анализатор спектра. Режим функционального генератора (рисунок 3.7) обеспечивает возможность формирования выходного сигнала пяти видов: синусоидальный, треугольный, прямоугольный, уровень постоянного напряжения и белый шум. Выбранная форма сигнала сразу же отображается на экране функционального генератора. С ним можно легко измерить зависящие от времени электрические сигналы. Для исследования электрического сигнала существует общепринятый способ его наблюдение во временном окне. В этот период развертки наблюдается амплитудная, фазовая и временная информация, которая необходима для описания поведения электрического сигнала. Не все электрические системы могут быть описаны за краткий промежуток времени. Цепи, такие как фильтры, колебательные контура, смесители, модуляторы и детекторы, наилучшим образом описываются в зависимости от частоты при постоянной амплитуде на их входе. Такая частотная зависимость наилучшим образом описывается при испытаниях в «частотном окне. Для того чтобы наблюдать сигналы в частотном окне, необходим прибор, в котором можно измерять сигнал при некотором наборе частот. Прибор, который это может выполнять называется анализатором спектра. Он графически воспроизводит на экране зависимость напряжения сигнала от частоты.
Теоретическое обоснование частотного метода оценки состояния изоляции
В данной работе свойства исследуемого объекта (кабель машинного агрегата) определяются его динамическими характеристиками. Эти характеристики определяют поведение объекта при некоторых заранее заданных типовых входных воздействиях. Обычно в качестве типовых воздействий выбирается либо ступенчатое воздействие либо гармоническое синусоидальное воздействие. Зависимость изменения выходной величины системы от времени вызванного единичным входным ступенчатым воздействием при условии, что до момента приложения этого воздействия объект находился в покое, называется временной характеристикой системы. Временная характеристика имеет размерность, равную отношению размерностей выходной и входной величин и описывает переходной процесс. Наряду с временными характеристиками система обладает частотными характеристиками, которые в отличие от временных, описывают систему с установившимися значениями выходной величины. Прямые экспериментальные методы определения динамических характеристик представляют безусловный интерес. В результате применения этих методов получают последовательности дискретных значений динамических характеристик объекта. Как правило, представляет интерес графическая форма представления динамических характеристик, из которой каким-либо способом может быть получена аналитическая форма представления. Следует заметить, что метод обработки информации должен быть выбран до начала эксперимента. Известные методы определения частотных характеристик основаны на применении синусоидальных сигналов, аппроксимирующих синусоидальные или полигармонические сигналы. Различают прямые детерминированные частотные методы, основанные на непосредственном измерении амплитуды и фазы выходного сигнала, и статистические частотные методы. Имеется и ряд других методов, не получивших, однако, широкого применения на практике.
Прямые методы определения частотных характеристик обладают рядом преимуществ: а) большой точностью, так как гармонические входные сигналы ортогональны в различных точках измерения и, таким образом, каждая точка частотных характеристик определяется независимо от других; б) простотой обработки; в) возможностью проведения измерений в замкнутой системе; г) малым влиянием шумов; д) большой избыточностью информации. Однако им присущ и ряд недостатков: а) сложность оборудования для проведения измерений на низких частотах (генератор); б) большое время измерения; в) необходимость преобразования сигналов; г) большое количество оборудования; д) условия измерения и параметры исследуемого объекта успевают измениться за время наблюдения. Применение статистических частотных методов дает ряд дополнительных преимуществ: а) повышенную точность при больших шумах; б) достаточно малые амплитуды входного сигнала. Возникают новые недостатки: а) усложняется оборудование (генератор, множительные и интегрирующие устройства); б) увеличивается время измерения. Чтобы получить частотные характеристики с необходимой точностью, достаточно определить их в ограниченном числе точек. Наилучшим оборотом этих точек является арифметическая последовательность по логарифмической оси. Но при наличии больших шумов точки графика имеют такой большой разброс, что применение указанных последовательностей невозможно, необходимо применение каких-либо методов сглаживания, например вычисление среднего значения группы частот или более сложных статистических методов. Введем обозначение, выразим оператор объекта в стандартном виде или Для спектральных плотностей имеем: где взаимно-спектральная плотность сигналов y(t) и x(t) определяется выражением
