Содержание к диссертации
Введение
1 Надежность изоляции обмоток тяговых электрических машин
1.1 Анализ надежности тяговых электрических машин электровозов 10
1.2 Анализ надежности тяговых электрических машин электропоездов ВСЖД 20
1.3 Систематизация исследований по надежности изоляции обмоток тяговых электрических машин 25
1.4 Цель и задачи исследований 37
2 Анализ методов и режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава 38
2.1 Основные направления в процессах сушки 38
2.2 Электрокалориферный метод сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин 39
2.3 Токовый метод сушки изоляции тяговых электрических машин 44
2.4 Анализ принципов и режимов энергоподвода в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ 47
2.5 Анализ метода сушки увлажненной изоляции при помощи вентиляторов электровозов 52
Выводы по главе 2 58
3 Экспериментально-теоретическое обоснование режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ 59
3.1 Формы и виды связи влаги с электроизоляцией 59
3.2 Диффузионно-фильтрационный влагоперенос в изоляции обмоток ТЭМ 65
3.3 Алгоритм расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ 77
Выводы по главе 3 83
4 Результаты экспериментальных исследований режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин 84
4.1 Методика и техника экспериментальных исследований 84
4.2 Результаты лабораторных исследований механизма увлажнения и сушки электроизоляции 87
4.3 Результаты производственных исследований 103
Выводы по главе 4 130
5 Технико-экономическая эффективность новых методов и средств для сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ 131
5.1 Определение сметной стоимости оборудования 131
5.2 Определение дополнительных эксплуатационных расходов 134
5.3 Определение экономической эффективности внедрения 136
Выводы по главе 5 140
Выводы 141
Библиографический список 143
Приложения 154
- Систематизация исследований по надежности изоляции обмоток тяговых электрических машин
- Электрокалориферный метод сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин
- Алгоритм расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ
- Результаты лабораторных исследований механизма увлажнения и сушки электроизоляции
Введение к работе
Начавшийся второй этап реформы железнодорожного транспорта предусматривает решение задач по созданию условий для повышения конкуренции в сфере грузовых и пассажирских перевозок, переходу к свободному ценообразованию в конкурентных секторах.
Процессы развития научно-технического прогресса в современных условиях являются решающим фактором повышения эффективности работы железнодорожного транспорта. Это в полной мере относится и к локомотивному хозяйству. Данное развитие имеет ряд особенностей, связанных с новыми экономическими отношениями в стране, с изменяющимися объемами перевозок, особенно грузовых. Резко обострилась проблема повышения надежности тягового подвижного состава (ТПС) и снижения эксплуатационных расходов, в том числе уменьшения затрат на неплановые ремонты тягового подвижного состава, экономии электроэнергии. На первый план выдвигаются задачи по внедрению ресурсосберегающих технологий и технических средств, что получило отражение в реализации финансируемой инвестиционной программы ресурсосбережения, которая является составной частью раздела о железнодорожном транспорте Федеральной целевой программы Правительства Российской Федерации «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 гг.)» [1].
Анализ надежности тяговых электрических машин Восточного региона показывает, что на долю тяговых электрических машин (ТЭМ) приходится более одной пятой отказов. На основании исследований установлено, что 75...85% тяговых электрических машин выходит из строя по пробою изоляции в осенне-зимне-весенний период времени, т.е. в период времени, когда происходит интенсивное увлажнение изоляции обмоток ТЭМ и снижение ее диэлектрической прочности.
Наблюдается рост повреждений ТЭМ по мере увеличения срока эксплуатации. Использование электровозов с вышедшим из строя хотя бы одной тяговой электрической машиной запрещается. Средняя стоимость устранения отказа ТЭМ в несколько раз превышает стоимость устранения повреждений других видов оборудования. Велик ущерб от задержек поездов при повреждениях ТЭМ. Две трети неисправностей ТЭМ вызваны пробоями изоляции обмоток. Испытания показали, что нередко это обусловлено чрезмерным превышением их температуры из-за значительной неравномерности нагрузки оборудования, а также снижением расхода охлаждающего воздуха существенно меньше допустимых значений. Тепловое и термомеханическое старение изоляции электрических машин электровозов Восточного региона ускоряется из-за значительных колебаний нагрузки при следовании по горно-холмистому профилю дороги, с частыми подъемами и спусками [2].
Исследованиями установлено, что выход из строя тяговых электрических машин по повреждениям, преимущественно по пробою изоляции вследствие ее недопустимого увлажнения, одна из важнейших проблем эксплуатации электроподвижного состава в условиях ВСЖД. Необходимо продолжить теоретические и экспериментальные исследования по внедрению новых способов и средств сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин. Имеющиеся в настоящее время, в распоряжении эксплуатационного персонала методы и средства диагностики состояния изоляции тяговых электрических машин основаны на применении мегомметра не удовлетворяют современным требования, особенно в условиях перехода от системы планово-предупредительного ремонта к обслуживанию и ремонту по фактическому состоянию. Появившиеся на отечественном рынке современные методы и средства контроля состояния электроизоляции позволяют диагностировать несколько параметров, в том числе и степень увлажнения изоляции обмоток тяговых электрических машин. А это в свою очередь позволяет устанавливать предельно допустимые значения по степени увлажнения изоляции, при которых возможен ее пробой.
Не менее важно обеспечивать качественную сушку увлажненной изоляции обмоток ТЭМ на используемых в настоящее время электровозах переменного тока. На сети железных дорог, электрифицированных по системе переменного тока, составляющей около половины электрифицированных дорог страны, эксплуатируются несколько типов грузовых электровозов - ВЛ60К, ВЛ80К, ВЛ80Т, ВЛ80С, ВЛ80Р, ВЛ85 [3]. Срок эксплуатации их составляет от 12 до 35 и более лет. Выпуск новых грузовых электровозов прекращен и в ближайшие 10-15 лет предполагается эксплуатация имеющегося в настоящее время парка электровозов без пополнения новыми локомотивами. Это в наибольшей мере касается Восточно-Сибирской железной дороги (ВСЖД). Почти полностью электрифицированной по системе переменного тока, электровозы которой, работая на крутых (17%о и более) и протяженных расчетных подъемах, нередко имеют нагрузку в полтора раза превышающую номинальную.
В связи с этим возникает потребность ввода в технологические процессы различных способов, принципов и средств сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ.
Целью диссертационной работы является обоснование ресурсосберегающих режимов сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин путем применения эффективных методов и электротехнических средств энергоподвода.
Необходимость достижения указанной в диссертационной работе цели обусловила постановку и решение следующих задач:
- выполнить анализ причин отказов тяговых электрических машин электровозов и электропоездов при эксплуатации их на сети железных дорог страны и Восточных регионов (на примере ВСЖД, КрЖД, ЗабЖД);
- провести анализ методов и режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток электрических машин тягового подвижного состава;
- изучить механизм увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин;
-провести экспериментально-теоретические исследования широтно-преры-вистых методов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ;
- разработать математическую модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программу «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;
- внедрить результаты исследований в производство и определить их технико-экономическую эффективность.
Научную новизну диссертации представляют следующие результаты, которые выносятся на защиту:
- установлена закономерность по регулированию рациональных режимов сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ путем управления уровнем прерывистого энергоподвода с использованием ряда Маклорена;
- впервые установлена взаимосвязь между периодами увлажнения и сушки электроизоляции, на основании которой сформулированы динамика и кинетика процесса изменения объема электроизоляции;
- разработаны математическая модель динамики и кинетики процесса изменения объема электроизоляции и программа «Автоматизированный комплекс расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ»;
- предложен новый широтно-прерывистый принцип энергоподвода для сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ с нисходящим уровнем энергоподвода в каждом из последующих циклов.
Практическая ценность работы заключается:
-экспериментально полученные статистические характеристики механизмов увлажнения и сушки изоляции обмоток тяговых электрических машин, позволяют определить не только степень поляризации и абсорбции, но и дать полную характеристику механизмов увлажнения и сушки;
-разработаны мероприятия по поддержанию оптимальной влажности изоляции обмоток ТЭМ;
-обоснован алгоритм управления процессами сушки обмоток изоляции тяговых электрических машин, основанный на использовании широтно-прерывистого метода сушки, что обеспечивает энергосбережение в технологии производства и повышение ресурса электрооборудования тягового подвижного состава, и, в итоге, приводит к сокращению эксплуатационных расходов. Реализация результатов исследований подтверждена:
- актом внедрения методики диагностики и контроля степени увлажнения изоляции в учебный процесс университета по специальности 190303 «Электрический транспорт железных дорог», по дисциплинам «Тяговые электрические машины» и «Бесколлекторный привод ЭПС»;
-внедрением технологического процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин в локомотивном депо Новая Чара ВСЖД, утвержденным Т ВСЖД;
-актами внедрения вариационно-конвективной установки (УВК) для сушки электрических машин тягового подвижного состава в локомотивном депо Новая Чара, Нижнеудинск, Иркутск-Сортировочный ВСЖД.
Достоверность разработанных методик и эффективность технических решений подтверждена экспериментальными исследованиями.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее результаты докладывались и обсуждались на: - региональной научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006 г.); всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (г. Красноярск, 2006 г.); -всероссийской научно-практической конференции ученых транспорта, вузов, НИИ, инженерных работников и представителей академической науки «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», (г. Чита, 2006 г.); - всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы охраны интеллектуальной собственности» (г. Иркутск, 2006 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС (2004 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.); - заседаниях кафедры «Электроподвижной состав» ДВГУПС (2006 г.); - IV Байкальском международном экономическом форуме «Европа - Россия - Азиатско-Тихоокеанский регион: пути интеграции и сотрудничества» (г. Иркутск, 2006 г.); - совещании с участием НЗТ и Т ВСЖД, посвященном внедрению ресурсосберегающих технологий в локомотивном хозяйстве ВСЖД (2005 г.); - совещании с участием технического руководства локомотивного департамента ОАО «РЖД» в локомотивном депо «Иркутск-Сортировочный» (2005 г.).
Публикации. Результаты исследований изложены в 15 опубликованных научных работах (статьи, доклады на конференциях).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы из 105 наименований и 4 приложений. Общий объем работы 193 страницы.
В первой главе выполнен системный анализ надежности изоляции тяговых электрических машин электровозов и электропоездов Восточного региона. Проведена систематизация исследований по надежности изоляции ТЭМ. Установлено существенное влияние температуры на процесс старения изоляционных конструкций ТЭМ. На основе выполненного системного анализа делается вывод о необходимости внедрения ресурсосберегающей техники и технологии для проведения сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин тягового подвижного состава для обеспечения высокой надежности перегонов Восточного региона.
Во второй главе приведено исследование основных направлений в процессах сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ. Определены особенности использования методов сушки увлажненной изоляции ТЭМ, связанные со спецификой обследуемых устройств и узлов.
В третьей главе приведены экспериментально-теоретические обоснования режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ. Рассмотрены процессы динамики и кинетики увлажнения и сушки изоляции обмоток ТЭМ. Разработана программа расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин.
В главе четыре приводятся результаты экспериментальных исследований режимов энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин. Приведены результаты лабораторных и производственных исследований.
Пятая глава посвящена расчету экономической эффективности внедрения ресурсосберегающей технологии и техники сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин, в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте», утвержденными указанием МПС России от 31 августа 1998 года № В 1024 У.
В заключение диссертации сформулированы основные результаты работы и выводы.
В приложении 1 приведен отсев погрешностей при экспериментальных и теоретических исследованиях.
В приложении 2 приведена программа «Расчет процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ», список пунктов меню и команд программы.
В приложении 3 приведен расчет электрокалориферной установки.
В приложении 4 представлен акт об использовании результатов НИР и документы, подтверждающие актуальность применения системы на производстве.
Систематизация исследований по надежности изоляции обмоток тяговых электрических машин
Результаты обработки этих поездок и статистических данных об отказах ТЭМ по пробою изоляции представлены в таблице 1.7.
Из таблицы 1.7 видно, что параметр потока отказов ТЭМ по пробою изоляции имеет большой разброс V- 0,521. Это указывает на значительную разницу эксплуатационных условий по зонам работы электровозов. Наибольшую колеблемость имеет пульсация температуры нагрева обмоток ТЭМ Ухз = 0,398. Следовательно, на рассматриваемых участках наблюдается различие в режимах движения поездов (тяга, выбег, электрическое торможение), которые определяются профилем пути.
Для нахождения тесноты связи между параметром потока отказов ТЭМ по пробою изоляции У и изучаемыми факторами Х\, х2, Хз, X4 были вычислены коэффициенты корреляции, которые оказались равными 0,790-0,933 при показателе достоверности t 3. Таким образом, можно считать, что между признаком У и отобранными факторами существует тесная связь.
Для установления количественных и причинных связей отказов ТЭМ по пробою изоляции необходимо найти аналитическое выражение этого явления, т. е. функцию У = ф ( Хь Х2,... Xk-i, Xk), раскрыть ее характер и степень влияния аргументов на эту функцию. Предположим, что функция У может выразиться произведением некоторых функций, каждая из которых зависит только от одного фактора, тогда можно использовать модель вида Уравнение можно широко применять для аппроксимации реальных связей в изучаемых явлениях. Множественное корреляционное отношение г = 0,974, что указывает на высокую степень связи. Квадрат множественного корреляционного отношения г)2 = 0,946 показывает, что удельный вес влияния отобранных факторов на параметр потока отказов ТЭМ по пробою изоляции составляет 94,6 %. Ошибка аппроксимации є = 3,62 % свидетельствует, что модель достаточно точно воспроизводит изучаемый процесс. По коэффициентам модели, имеющим различный физический смысл и единицы измерения, нельзя определить, какие факторы оказывают наибольшее влияние на увеличение или уменьшение количества отказов ТЭМ по пробою изоляции и в каких из них заложены резервы. Чтобы устранить различия физического смысла в единицах измерения, использованы так называемые частные коэффициенты эластичности, позволяющие измерить в процентах изменение параметра потока отказов ТЭМ по пробою изоляции при изменении каждого фактора на одну и ту же относительную величину - на 1%. Расчет и анализ частных коэффициентов эластичности показывают, что наибольшее влияние на пробой изоляции ТЭМ оказывает степень нагрузки Xj. Прирост нагрузки на 1% увеличивает количество отказов на 0,56%. Остальные факторы соответственно на 0,015; 0,062 и 0,018%. Для сравнения факторов, в которых заложены резервы по уменьшению отказов ТЭМ от пробоя изоляции, можно использовать коэффициенты вариации. Из таблицы 1.7 видно, что колеблемость пульсации нагрева обмоток Хз почти в три раза выше, чем степень нагрузки х\. Поэтому по фактору х3 может быть намечено больше мер по уменьшению количества случаев пробоя изоляции, хотя степень нагрузки Xi и оказывает наибольшее влияние на прирост отказов. Таким образом, за счет выключения вентиляторов в зимний период во время стоянок электровоза с поездом на промежуточных станциях и при следовании на выбеге уменьшится пульсация нагрева изоляции ТЭМ, так как охлаждение ее будет происходить медленнее за счет естественной конвекции. Следовательно, с уменьшением пульсации количество отказов ТЭМ по пробою изоляции сократится. В исследовании работоспособности изоляции тяговых электрических машин с применением диагностических моделей, выполненном сотрудниками МГУПС, обосновываются методы контроля старения изоляционных конструкций, и исследуется их работоспособность при работе ТЭМ на диагностических моделях, реализующих выбранные режимы диагностических воздействий. Для решения первой части задачи принципиально возможно применение любых известных методов и тестов. Однако диагностические процедуры, цель которых заключается в определении ресурса изоляционных конструкций ТЭМ, выделяются по значимости от остальных, поскольку предполагают, определение наиболее существенных свойств и поэтому требуют специальных тестов. Этому условию удовлетворяют диагностические тесты изоляции, основанные на определении токов утечки, что было подтверждено экспериментами. Чтобы характеризовать состояние изоляции с помощью токов утечки диагностические тесты необходимо проводить в виде снятия вольтамперной характеристики (ВАХ). Многочисленные эксперименты, проведенные в процессе эксплуатационного диагностирования ТЭМ на моделях и в условиях эксплуатации, применительно к изоляционным конструкциям различного класса нагревостойкости, показали, что одним из факторов, определяющим крутизну ВАХ, является пробивное напряжение Unp. ВАХ изоляции имеют линейную зону при уровнях испытательного напряжения U 0,4 Unp, предпробивную зону при 0,4 Unp U 0,9 Unp и зону пробоя при U 0,9 Unp. Наиболее точно аппроксимация практически любой ВАХ изоляции ТЭМ достигается применением аналитического выражения вида Для проведения диагностических тестов по снятию ВАХ разработана микропроцессорная система, которая управляет высоковольтной установкой согласно алгоритма поиска оптимальных значений постоянных А, В, С уравнения и величины пробивного напряжения - Unp. При этом в качестве критериев поиска выступает минимум остаточной дисперсии по значениям токов утечки и условие: Uk 0,8 Unp, где Uk - текущее значение испытательного напряжения. Условие 14 0,8 Unp установлено на основании сравнения выборок данных, составленных из предопределяемых и пробивных действительных напряжений с помощью широко известных в математической статистике t, Z и F критериев. Использование предложенного метода поиска значения пробивного напряжения - предопределение пробивного напряжения - в процессе эксплуатационного диагностирования ТЭМ, с целью определения ресурса изоляции, позволило установить особенности его изменения у различных изоляционных конструкций в зависимости от температуры обмоток 9, ускорений вибрации двигателя W, продолжительности диагностирования Т (рис. 1.17).
Электрокалориферный метод сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин
Сушка изоляционных материалов ТЭМ - это, с одной стороны, сложный процесс одновременно тепло- и массообмена, а с другой - технологический процесс, при осуществлении которого нужно не только сохранить физические и химические свойства изоляции, но и в ряде случаев даже улучшить их. По классификации, принятой А.В. Лыковым [23], изоляцию электрических машин можно отнести к группе капиллярно-пористых коллоидных тел. Сушка - один из первых способов предохранения изоляционных материалов электрических машин от порчи, поэтому практикой и наукой накоплен значительный багаж по теории, технологии и техники сушки изоляции.
Особенно большой вклад в развитие теории, технологии и техники сушки изоляции тяговых электрических машин внесли российские ученые Галкин В.Г., Галушко А.И., Глушенко, И.П., Дурандин Г.Б., Исмаилов Ш.К., Казанский М.Ф., Карташев В.И., Котеленец Н.Ф., Красников В.В., Кузнецов Н.Л., Курбасов А.С., Левитский В.М., Лыков А.В., Максимов И.С., Маслов В.В., Михайлов Ю.А., Никитина Л.М., Ребиндер П. А., Серебряков А.С., Смирнов В.П., Соболев В.М., Сонин B.C., Сухопрудский Н.Д., Хазановский П.М., Худоногов A.M. и другие.
Безусловно, оптимальный режим энергоподвода в процессе сушки изоляции тяговых электрических машин электровозов определяется путем более тщательных и глубоких исследований по переносу тепла и влаги внутри сушимого объекта.
Большое значение для выбора режима энергоподвода в процессе сушки имеет правильное использование законов переноса влаги и тепла. Перенос влаги происходит под действием перепада влагосодержания (изотермическая диффузия), перепада температуры (термическая диффузия) и перепада общего давления (конвективная диффузия).
Градиенты влагосодержания и температуры при соответствующем построении режима сушки могут иметь одинаковое направление или противоположное. В первом случае они усиливают движение влаги, а во втором случае один градиент тормозит действие другого. В этом случае движение влаги в виде жидкости затруднено, что приводит к усилению испарения внутри тела. Только разумное использование этих основных положений теории переноса позволяет улучшить качество сушимого объекта путем регулирования внутреннего испарения.
Следовательно, теория сушки дает возможность в условиях локомотивного депо более рационально построить режим энергоподвода в процессе сушки без сложных аналитических расчетов и исследований по тепло- и массообмену. Пренебрежение основными положениями теории переноса, как правило, приводит к ряду практических ошибок: затрачиваются большие средства на проектирование, создание, испытание, а в результате они оказываются неприменимыми. Отрицательным примером тому служит действующая инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних условиях [24]. В зимних условиях работы электровозов изоляция обмоток тяговых электрических машин может увлажняться в результате проникновения снега в тяговые электрические машины и образования инея на коллекторах и обмотках. Для сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин в локомотивных депо ВСЖД применяют следующие способы: а) электрокалориферный; б) током от контактной сети при низком напряжении; в) вентиляторами электровозов с параметрами теплоносителя. 2.2 Электрокалориферный метод сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин Наибольшее количество повреждений тяговых электрических машин, как известно, наблюдается при повышенной влажности воздуха. Многие из них вызваны пробоем изоляции вследствие ее переувлажнения. Проникновение влаги в материал, как показали исследования [25], может одновременно происходить на нескольких уровнях: на молекулярном, межмолекулярном и капиллярном. Последний из них представляет наибольший интерес, так как в большинстве систем изоляции, применяемых в конструкции электрических машин, особенно после длительной их эксплуатации, образуются поры, микрополости и сквозные каналы. Возникновение их обусловлено главным образом испарением летучих органических веществ, а также возникновением трещин и расслоений из-за усадки материала при его старении. Пустоты и каналы могут появляться также в процессе наложения изоляции на проводники, в частности при использовании ленточных материалов, которые образуют складки, наслоения и неплотно стыкуются. Значительные пустоты наблюдаются также между круглыми проводниками обмоток вспомогательных электрических машин. Пропиточные лаки, в составе которых содержится около 50% летучих веществ, не полностью заполняют образовавшееся пространство.
Остов тяговой машины при отсутствии вентиляции можно рассматривать как замкнутое пространство по отношению к изоляции токоведущих частей, т.е. как своеобразный гигростат. Для достижения высокой влажности, близкой к 100%, в объеме 0,6-1,2 м3 достаточно попадание всего 100-150 г воды, в то время как на практике, на внутренней поверхности остова тяговой электрической машины двигателя, в том числе на поверхности изоляции, может скапливаться до 2800 г воды [26]. Даже при относительной влажности 90% толщина слоя адсорбированной воды достигает 2,7-3 мкм [27], что указывает на высокую вероятность пленки воды на поверхности изоляции.
Особенность работы тяговых электрических машин заключается, прежде всего, в часто меняющихся режимах нагрузки и климатических условиях эксплуатации. В отличие от статического переменный тепловой режим может оказать существенное влияние на процесс увлажнения изоляции с дефектами.
При температуре воздуха 25-40С с повышением температуры на 2-3С относительная влажность снижается со 100 до 90%, с повышением температуры на 5С - со 100 до 75-85%, с повышением на 10С - до 55-60%.
Если электротехническое изделие находится постоянно под токовой нагрузкой и изоляция его подвергается нагреву, изоляция не увлажняется. Однако тяговые электрические машины электровозов работают периодически, с длительными остановками и для предотвращения увлажнения изоляции в этом случае можно применять стационарные калориферные установки.
В технологических процессах сушки ТЭМ локомотивных депо ВСЖД как электровозов, электропоездов, так и тепловозов применяют электрокалориферный метод сушки изоляции обмоток. Данный способ осуществляется при постановке локомотива на ремонтные стойла, оборудованные воздуховодами от электрокалориферов. Образования инея не будет, если влагосодержание окружающего воздуха не превышает влагосодержания насыщенного воздуха при температуре обмоток холодной тяговой электрической машины. Для этих условий с использованием уравнения Клапейрона получена формула, определяющая зависимость предельно допустимого значения относительной влажности р1)пп окружающего воздуха (в %) от его температуры t, содержания водяных паров а (г/м ) в насыщенном воздухе при температуре в более холодной тяговой электрической машины и парциального давления ри (мм рт. Ст.)
Алгоритм расчета процесса сушки увлажненной изоляции обмоток ТЭМ
Сушка изоляционных материалов ТЭМ - это, с одной стороны, сложный процесс одновременно тепло- и массообмена, а с другой - технологический процесс, при осуществлении которого нужно не только сохранить физические и химические свойства изоляции, но и в ряде случаев даже улучшить их. По классификации, принятой А.В. Лыковым [23], изоляцию электрических машин можно отнести к группе капиллярно-пористых коллоидных тел. Сушка - один из первых способов предохранения изоляционных материалов электрических машин от порчи, поэтому практикой и наукой накоплен значительный багаж по теории, технологии и техники сушки изоляции.
Особенно большой вклад в развитие теории, технологии и техники сушки изоляции тяговых электрических машин внесли российские ученые Галкин В.Г., Галушко А.И., Глушенко, И.П., Дурандин Г.Б., Исмаилов Ш.К., Казанский М.Ф., Карташев В.И., Котеленец Н.Ф., Красников В.В., Кузнецов Н.Л., Курбасов А.С., Левитский В.М., Лыков А.В., Максимов И.С., Маслов В.В., Михайлов Ю.А., Никитина Л.М., Ребиндер П. А., Серебряков А.С., Смирнов В.П., Соболев В.М., Сонин B.C., Сухопрудский Н.Д., Хазановский П.М., Худоногов A.M. и другие.
Безусловно, оптимальный режим энергоподвода в процессе сушки изоляции тяговых электрических машин электровозов определяется путем более тщательных и глубоких исследований по переносу тепла и влаги внутри сушимого объекта.
Большое значение для выбора режима энергоподвода в процессе сушки имеет правильное использование законов переноса влаги и тепла. Перенос влаги происходит под действием перепада влагосодержания (изотермическая диффузия), перепада температуры (термическая диффузия) и перепада общего давления (конвективная диффузия).
Градиенты влагосодержания и температуры при соответствующем построении режима сушки могут иметь одинаковое направление или противоположное. В первом случае они усиливают движение влаги, а во втором случае один градиент тормозит действие другого. В этом случае движение влаги в виде жидкости затруднено, что приводит к усилению испарения внутри тела. Только разумное использование этих основных положений теории переноса позволяет улучшить качество сушимого объекта путем регулирования внутреннего испарения.
Следовательно, теория сушки дает возможность в условиях локомотивного депо более рационально построить режим энергоподвода в процессе сушки без сложных аналитических расчетов и исследований по тепло- и массообмену. Пренебрежение основными положениями теории переноса, как правило, приводит к ряду практических ошибок: затрачиваются большие средства на проектирование, создание, испытание, а в результате они оказываются неприменимыми. Отрицательным примером тому служит действующая инструкция по подготовке к работе и техническому обслуживанию электровозов в зимних и летних условиях [24].
В зимних условиях работы электровозов изоляция обмоток тяговых электрических машин может увлажняться в результате проникновения снега в тяговые электрические машины и образования инея на коллекторах и обмотках. Для сушки увлажненной изоляции обмоток тяговых электрических машин в локомотивных депо ВСЖД применяют следующие способы: а) электрокалориферный; б) током от контактной сети при низком напряжении; в) вентиляторами электровозов с параметрами теплоносителя. Наибольшее количество повреждений тяговых электрических машин, как известно, наблюдается при повышенной влажности воздуха. Многие из них вызваны пробоем изоляции вследствие ее переувлажнения. Проникновение влаги в материал, как показали исследования [25], может одновременно происходить на нескольких уровнях: на молекулярном, межмолекулярном и капиллярном. Последний из них представляет наибольший интерес, так как в большинстве систем изоляции, применяемых в конструкции электрических машин, особенно после длительной их эксплуатации, образуются поры, микрополости и сквозные каналы. Возникновение их обусловлено главным образом испарением летучих органических веществ, а также возникновением трещин и расслоений из-за усадки материала при его старении. Пустоты и каналы могут появляться также в процессе наложения изоляции на проводники, в частности при использовании ленточных материалов, которые образуют складки, наслоения и неплотно стыкуются. Значительные пустоты наблюдаются также между круглыми проводниками обмоток вспомогательных электрических машин. Пропиточные лаки, в составе которых содержится около 50% летучих веществ, не полностью заполняют образовавшееся пространство. Остов тяговой машины при отсутствии вентиляции можно рассматривать как замкнутое пространство по отношению к изоляции токоведущих частей, т.е. как своеобразный гигростат. Для достижения высокой влажности, близкой к 100%, в объеме 0,6-1,2 м3 достаточно попадание всего 100-150 г воды, в то время как на практике, на внутренней поверхности остова тяговой электрической машины двигателя, в том числе на поверхности изоляции, может скапливаться до 2800 г воды [26]. Даже при относительной влажности 90% толщина слоя адсорбированной воды достигает 2,7-3 мкм [27], что указывает на высокую вероятность пленки воды на поверхности изоляции. Особенность работы тяговых электрических машин заключается, прежде всего, в часто меняющихся режимах нагрузки и климатических условиях эксплуатации. В отличие от статического переменный тепловой режим может оказать существенное влияние на процесс увлажнения изоляции с дефектами. При температуре воздуха 25-40С с повышением температуры на 2-3С относительная влажность снижается со 100 до 90%, с повышением температуры на 5С - со 100 до 75-85%, с повышением на 10С - до 55-60%.
Если электротехническое изделие находится постоянно под токовой нагрузкой и изоляция его подвергается нагреву, изоляция не увлажняется. Однако тяговые электрические машины электровозов работают периодически, с длительными остановками и для предотвращения увлажнения изоляции в этом случае можно применять стационарные калориферные установки.
В технологических процессах сушки ТЭМ локомотивных депо ВСЖД как электровозов, электропоездов, так и тепловозов применяют электрокалориферный метод сушки изоляции обмоток. Данный способ осуществляется при постановке локомотива на ремонтные стойла, оборудованные воздуховодами от электрокалориферов. Образования инея не будет, если влагосодержание окружающего воздуха не превышает влагосодержания насыщенного воздуха при температуре обмоток холодной тяговой электрической машины. Для этих условий с использованием уравнения Клапейрона получена формула, определяющая зависимость предельно допустимого значения относительной влажности р1)пп окружающего воздуха (в
%) от его температуры t, содержания водяных паров а (г/м ) в насыщенном воздухе при температуре в более холодной тяговой электрической машины и парциального давления ри (мм рт. Ст.)
Результаты лабораторных исследований механизма увлажнения и сушки электроизоляции
Рассмотрим и проанализируем различные варианты сушки увлажненной изоляции при помощи электрокалориферных установок. Технологический процесс сушки увлажненной изоляции ТЭМ с помощью электрокалориферной установки можно с позиции энергоподвода и выбора режима организовать по следующим схемам: - постоянный энергоподвод; - прерывистый энергоподвод.
При постоянном энергоподводе нагревательные элементы и вентилятор электрокалорифера остаются включенными в течение всего процесса сушки изоляции. При прерывистом энергоподводе происходит чередование периодов включения и отключения нагревательных элементов при постоянно включенном вентиляторе. С позиций ресурсосбережения наибольший интерес для исследования представляет прерывистый энергоподвод. График работы электронагревателя калорифера в прерывистом режиме приведен на (рис. 4.20).
При помощи специального устройства, работающего как ключ, периодически присоединяют к источнику питания электронагреватель калорифера и затем отключают его. Замыкание и размыкание ключа происходит с периодом повторения Тц.
В течение промежутка времени тр ключ замкнут, а в течение промежутка времени т„ ключ разомкнут. Среднее значение мощности электронагревателя зависит от соотношения величин Тр и Тц, Отношение тр к ти назовем коэффициентом относительной продолжительности включения электронагревателя и обозначим этот параметр индексом с. Коэффициент относительной продолжительности включения электронагревателя можно определить по следующему выражению
Следовательно, изменяя значения тр и тц, можно регулировать среднее значение мощности электронагревателя электрокалорифера и управлять процессом сушки увлажненной изоляции. Кривая нагрева изоляции будет иметь пилообразный вид, отражающий процесс сушки при прерывистом нагреве. Через определенное время температурный режим при прерывистом энергоподводе практически установится и общий подъем кривой нагрева изоляции прекратиться.
Электропотребление на процесс сушки увлажненной изоляции определиться положением крайней правой точки кривой энергопотребления. Включение и отключение электронагревателей калорифера при прерывистом энергоподводе осуществляется широтно-прерывистым метод управления электронагревателем калорифера. Принцип регулирования энергоподводом в процессе сушки увлажненной изоляции путем широтно-прерывистого метода управления электронагревателем калорифера базируется на том, что сохраняется неизменным период цикла щ в течение которого происходит включение и отключение электронагревателя калорифера, изменяется интервал Тр, в течение которого происходит включение электронагревателя. Были исследованы три режима широтно-прерывистого энергоподвода в процессе сушки увлажненной изоляции: - с постоянным уровнем энергетической мощности в каждом цикле; - с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле; - с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле. Для ускорения процесса удаления влаги из внутренних слоев изоляции и охлаждения коллекторных пластин под щетками [74] рекомендуется через 4-5 ч. Снижать температуру воздуха до 50 - 60С. Выполнить эту рекомендацию можно при организации процесса сушки увлажненной изоляции методом широтно-прерывистого энергоподвода с понижением уровня энергетической мощности в каждом цикле (рис. 4.21). 1 Так как, влага находится в основном в поверхностных слоях изоляции обмотки, то в период интенсивного нагрева большая часть ее будет удалена в первых циклах процесса сушки. Чередование периодов интенсивного нагрева изоляции с интенсивной вентиляцией позволяет использовать эффект внутреннего термовлагопереноса и завершить процесс сушки с минимальными затратами энергии и на сравнительно низком температурном режиме. А это в свою очередь позволит не только значительно сократить расход энергии на процесс сушки, но и в значительной степени обеспечить более высокую надежность изоляции после сушки и уменьшить показатели ее старения [75, 76, 77,78].
Принципиально другая картина будет при организации процесса сушки увлажненной изоляции методом широтно-прерывистого энергоподвода с повышением уровня энергетической мощности в каждом цикле, т.е. так, как это показано на (рис. 4.22).
