Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Принципы построения систем контроля изоляции
1.1 Общие замечания
1.2 Системы изоляции вращающихся машин .
1.3. Обзор и классификация методов и устройств контроля изоляции .
1.3.1. Разрушающие и неразрушающие испытания
1.3.2. Метод измерения частичных разрядов
1.3.3 Метод измерения сопротивления изоляции
1.3.4. Измерение абсорбционных характеристик изоляции .
1.3.5. Измерение емкостных характеристик изоляции.
1.3.6. Измерение величины тангенса угла диэлектрических потерь
1.5. Измерение возвратного напряжения .
1.6. Устройство УИПИ-02 .
ГЛАВА 2. Анализ процессов в многослойной изоляции тяговых электродвигателей .
2.1. Определение оптимального количества слоев в схеме замещения корпусной изоляции тяговых электродвигателей
2.2. Анализ процессов при заряде двухслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением равным нулю .
2.3 Анализ процессов при заряде двухслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением не равным нулю .
2.4. Анализ процесса заряда трехслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением равным нулю
2.5. Анализ процесса заряда трехслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением не равным нулю
2.6. Анализ процесса саморазряда двухслойной изоляции с учетом сопротивления вольтметра .
2.7. Нахождение напряжения на слоях многослойной изоляции после кратковременного разряда изоляции на землю
ГЛАВА 3. Цифровое моделирование процессов при заряде и разряде неоднородной изоляции
3.1. Моделирование в системе Mathcad процессов при заряде двухслойной изоляции .
3.2. Моделирование в системе Mathcad процессов при разряде двухслойной изоляции (измерение напряжения саморазряда)
3.3. Моделирование в системе Mathcad процессов в двухслойной изоляции при измерении возвратного напряжения .
3.4. Исследование процессов в неоднородной изоляции с помощью пакета моделирования Simulink системы Matlab
3.4.1 Принципы построения S-моделей 3.4.2. Исследование процесса заряда изоляции с помощью S-модели .
3.5. Исследование процесса разряда изоляции с помощью пакета моделирования Simulink системы Matlab
3.6. Исследование возвратного напряжения изоляции с помощью пакета моделирования Simulink системы Matlab
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процессов измерения параметров изоляции с помощью УИПИ-02
4.1 Устройство измерения параметров изоляции УИПИ-02.
4.2 Программное обеспечение для управления ПУБП и базой данных .
4.3. Определение параметров изоляции по измеренным данным
4.3.1. Расчет параметров изоляции с применением двухслойной модели .
4.3.2. Расчет параметров изоляции с применением 3-х слойной модели .
Список литературы
- Обзор и классификация методов и устройств контроля изоляции
- Анализ процессов при заряде двухслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением равным нулю
- Моделирование в системе Mathcad процессов в двухслойной изоляции при измерении возвратного напряжения
- Программное обеспечение для управления ПУБП и базой данных
Введение к работе
Актуальность темы. Для безаварийной работы тяговых электродвигателей (ТЭД) и другого электрооборудования электровозов изоляция их должна быть надежной. В процессе эксплуатации происходит старение электрической изоляции, свойства ее ухудшаются, электрическая прочность снижается. Если не принять соответствующих мер, то процесс будет носить необратимый характер и завершится электрическим пробоем изоляции. Анализы состояния локомотивного парка ОАО РЖД, проводимые ежегодно департаментом локомотивного хозяйства, показывают, что количество повреждений изоляции обмоток ТЭД на 1млн. км. пробега в среднем составляет от двух до четырех случаев. Поэтому проблеме повышения эксплуатационной надежности изоляции тяговых электродвигателей уделяется повышенное внимание и в соответствии с "Энергетической стратегией ОАО РЖД на период до 2010 года и на перспективу до 2020года" главной задачей является повышение эксплуатационной надежности ТЭД и снижение эксплуатационных затрат за счет совершенствования системы ремонта и перехода от системы ремонта по пробегу к системе ремонта по реальному техническому состоянию.
Для того, чтобы перейти от системы обслуживания по пробегу к системе обслуживания по реальному техническому состоянию, необходимо иметь арсенал методов и приборов для объективной оценки состояния изоляции. Несмотря на имеющуюся в этой области обширную литературу таких ученых как М.Д. Глущенко, Г.М. Дурандин, А.С. Космодамианский, Е.Ю. Логинова, А.Т. Осяев, В.М. Пак, Н.А. Ротанов, Г.Г. Рябцев, А.С. Серебряков, B.C. Наговицын, В.Б. Кулаковский, Г. Кучинский, Ю.А. Полонский, С.Н. Койков, И.П. Гордеев, Т.Я. Глинка, П.М. Сви, Д. Вайда, М.Э. Борисова, Е.С. Согомонян, Украинский, В.П. Феоктистов и др., до сих пор отсутствует систематическое рассмотрение основных физических явлений, используемых для целей диагностики. Отсутствуют также сертифицированные приборы диагностики
изоляции. Эти причины и побудили автора провести соответствующие исследования.
Целью диссертации являются исследование абсорбционных и ресорбционных процессов в многослойной неоднородной корпусной изоляции тяговых электродвигателей (ТЭД), разработка методик наиболее эффективного использования величин, характеризующих эти процессы, для объективной оценки технического состояния изоляции ТЭД, а также разработка устройства на современной элементной базе, реализующего разработанные методики.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
1. Критический обзор и классификация методов и устройств контроля
изоляции.
2. Разработка оптимальной математической модели многослойной
неоднородной изоляции.
3. Определение оптимальных параметров устройства контроля состояния
изоляции: внутреннего сопротивления источника питания, сопротивления
вольтметра и сопротивления разрядного резистора.
Разработка метода расчета напряжений на слоях многослойной изоляции при кратковременном ее разряде на землю перед измерением возвратного напряжения.
Разработка на основании проведенных исследований технических решений для создания устройства диагностики корпусной изоляции ТЭД.
Экспериментальное исследование процессов измерения параметров изоляции и оценка достоверности теоретических исследований.
Методы исследования. В работе были использованы: метод классического и операторного решения линейных дифференциальных уравнений, метод Рунге-Кутта 4-го порядка для численного решения дифференциальных уравнений, метод направленных графов, метод математического моделирования в интегрированном пакете MathCad путем
численного решения дифференциальных уравнений и моделирование путем составления структурных схем на основе направленных графов в системе Simulink интегрированного пакета Matlab.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа и математического моделирования. Достоверность подтверждена также многократными экспериментальными исследованиями корпусной изоляции тяговых электродвигателей и образцов разработанных приборов для диагностики изоляции ТЭД.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту;
1. На основании анализа абсорбционных процессов в 2, 3, 4 и 5 слойных
моделях неоднородной корпусной изоляции ТЭД показано, что оптимальной
моделью корпусной изоляции является трехслойная модель. Она дает новую
информацию по сравнению с 2-слойной моделью изоляции. При использовании
4-х и 5-слойной моделей новой информации не получается.
Предложена формула для определения коэффициента объекта испытания, позволяющего идентифицировать объект испытания. В частности, определить, испытывалась ли изоляция обмотки якоря или остова (индуктора).
Показана зависимость количества корней характеристического уравнения при заряде изоляции от источника постоянного напряжения от величины внутреннего сопротивления источника питания, что позволяет определить характер переходного процесса.
4. Установлено, что коэффициенты полинома - характеристического
уравнения являются линейными функциями величины внутреннего
сопротивления источника питания. Сформулирована и доказана теорема для
этого случая: Если коэффициенты полинома л-й степени для переменной р (или
Т-Ур) являются линейными функциями параметра RB, то существует в общем
случае п значений переменной /?(или Т=1/р), при которых численные значения
полинома не зависят от RB и равны корням полинома при значении RB, стремящемся к бесконечности. Эта теорема позволяет определить пределы, в которых могут изменяться постоянные времени в процессе заряда изоляции при изменении RB.
Предложен метод определения оставшегося заряда и напряжения на слоях многослойной изоляции при разряде ее на землю перед измерением возвратного напряжения. Выведена формула для определения этих напряжений.
Исследование на цифровых моделях показало наличие точек перегиба в кривой тока, потребляемого от источника питания при значениях тока, равных половине установившегося или «квазиустановившегося» значения. Показана возможность решения в среде Simulink «жестких» уравнений.
Практическая ценность работы. Уточнены диагностические параметры для оценки технического состояния корпусной изоляции тяговых электродвигателей по абсорбционным характеристикам. Даны рекомендации, как оценить техническое состояние и определить вид ремонта корпусной изоляции по величине возвратного напряжения.
Разработано устройство для измерения параметров изоляции на современной элементной базе и на основании проведенных аналитических исследований процессов в системе «источник питания - объект измерения» определены оптимальные параметры источника испытательного напряжения.
Проделан комплекс экспериментальных работ по оценке состояния
корпусной изоляции ТЭД на Московском заводе по ремонту
электроподвижного состава (ЗРЭПС), в локомотивном депо Горький-Сортировочный и Нижегородском метрополитене. Проведенная экспериментальная работа подтвердила достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях и показала, что предложенные критерии являются надежными для оценки состояния изоляции.
Разработанное с участием автора устройство УИПИ и техническая документация на него были после испытаний приняты межведомственной комиссией. Разработка по договору была передана отраслевому центру по внедрению новой техники на железнодорожном транспорте (ОЦВ). На устройство был получен сертификат и оно было включено в реестр измерительных средств ОАО РЖД.
Предложенная методика, позволяет увеличить эксплуатационную надежность тяговых электродвигателей, увеличить их пробег и межремонтные сроки, и, следовательно, удешевить их эксплуатацию. По этой методике разработана программа управления УИПИ. Программа и базу данных для нее зарегистрированы в Роспатенте.
Реализация результатов работы. Устройства для измерения параметров изоляции УИПИ внедрены в локомотивных депо Муром, Киров, Горький-Сортировочный, на Нижегородском метрополитене, на Московском заводе по ремонту электроподвижного состава (ЗРЭПС). Всего отраслевым центром по внедрению новой техники на железнодорожном транспорте в 2006 году было выпущено и внедрено на сети дорог 9 УИПИ.
Апробация работы._Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
на пятой межвузовская научно-методической конференции;
«Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта», Москва, РГОТУПС, 2000;
на международной конференция « Высшее профессиональное заочное образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее», Москва, РГОТУПС, 2001;
на 8-й международной научно-методической конференции "Новые информационные технологии в университетском образовании", Новосибирск, 2001;
на 4-й международной конференции по физико-технологическим проблемам электротехнических материалов и компонентов» (ICEMC-2001. International Conference on Physikal-Science and Components),PoccM, Клязьма, 2001;
на Всероссийских научно-технических конференциях «Наука-производство-технологии-экология», Киров, ВятГУ, 2002 и 2003 гг;
на 3-й международной конференции «Электрическая изоляция -2002» (111 International Conference on Electrical Insulation -2002), Санкт-Петербург, 2002;
на 4-м международном симпозиуме «Перспективы и тенденции развития электротехнического оборудования для энергетики, транспорта, нефтяной и газовой промышленности» -ЭЛМАШ-2002. Москва, 2002;
на 21-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики».Н.Новгород: НГТУ, 2002;
на IV международной конференции «Состояние и перспективы развития Электроподвижного состава», Новочеркасск, 2003;
на IV международной конференции «Компьютерное моделирование 2003»,Санкт-Петербург, 2003;
На 5-й международной конференции "Электромеханика, электротехнологи и электроматериаловедение", (МКЭЭЭ -2003, 5 International Conference Electromechanics, Electrotechnology and Electromaterial Science) 2003;
на 22-й научно-технической конференции "Актуальные проблемы электроэнергетики", Нижний Новгород, 2003;
на 5-й Международной конференции «Электротехнические материалы и компоненты». (ICEMC-2004, The V-th International Conference on Electrotechnical Materials and Components) Крым, Алушта, 2004;
на юбилейной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электромеханики и электроэнергетики», Н.Новгород: НГТУ, 2005.
Публикации. По основным результатам диссертационной работы автором опубликованы 22 печатные работы, из них 2 работы в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы и приложений. Диссертационная работа изложена на 182 страницах, содержит 90 рисунков, 12 таблиц. Список использованной литературы включает 119 наименований.
Обзор и классификация методов и устройств контроля изоляции
Для безаварийной работы тяговых электродвигателей (ТЭД) и другого электрооборудования электроподвижного состав (ЭПС) изоляция их должна быть надежной. В процессе эксплуатации происходит старение электрической изоляции, свойства ее ухудшаются, электрическая прочность снижается, что может привести к пробою изоляции.
Надежность изоляции зависит не только от конструкции и применяемых материалов, но и от факторов, воздействующих на нее при изготовлении и эксплуатации. К таким факторам относятся технология изготовления и ремонта изоляции, эффективность применяемых технологий и устройств для контроля качества изготовления и ремонта, эффективность охлаждения изоляции и устройств её защиты.
К причинам, вызывающим неисправности силовых цепей локомотивов при эксплуатации, в первую очередь относятся: температурные воздействия на изоляцию обмоток при выходе из предельно допустимых зон работы ТЭД, электрические перенапряжения, возникающие в силовых цепях при переходных режимах и постепенное старение изоляции в результате перечисленных факторов.
К внешним факторам воздействия на изоляцию относятся: температурные и механические воздействия, увлажнение изоляции, запыленность. Принято считать, что как правило последствия старения могут быть устранены при восстановительных ремонтах изоляции. Однако, в отдельных случаях, изменения свойств изоляционных материалов носят необратимый характер и завершаются пробоем изоляционной конструкции [24-26].
При рассмотрении процессов старения различают электрическое, механическое и тепловое старение изоляции [27]. Для изоляционных конструкций, работающих на номинальном напряжении 6 кВ и более на процессы старения существенное влияние оказывает воздействие электрического поля. При этом электрическое старение может происходить при напряженности поля в 5-20 раз меньших тех, которые наблюдаются при напряжениях, близких к пробивным. Эмпирическим путем установлено [25] что зависимость срока службы изоляционных конструкций от величины приложенного напряжения выражается следующими зависимостями: в диапазоне работы конструкции от 0 до 104 часов где А, к\ - коэффициенты характеризующие свойства изоляционных материалов, U - напряжение прикладываемое к изоляции в кВ, n, nj -коэффициенты, значения которых зависит от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующего напряжения, U4p - напряжение, при котором в изоляционных материалах возникают частичные разряды.
Электрическое старение изоляционных конструкций происходит неравномерно. В начальный момент их эксплуатации процесс старения идет медленно. По мере старения изоляции она расслаивается, разрыхляется, в ней образуются поры, трещины, газовые включения, воздушные прослойки.
В работах [28-31] отмечено, что из внешних факторов, воздействующих на изоляцию, температура является доминирующим. Скорость старения изоляционных материалов определяется их нагревостойкостью. В процессе исследований термостойкости изоляции класса А было сформулировано «правило восьми градусов» (Монтзингера), согласно которому превышение температуры на каждые восемь градусов сверх предельно допустимой сокращает срок службы изоляции в двое. Аналитически это записывается в следующем виде: Где х - срок службы в годах изоляции при температуре t, год; TQ - условный срок службы изоляции при температуре t-0; t - температура нагрева изоляции,С.
Результаты исследований, приведенные в работе [32] показали, что чем выше класс изоляции, тем медленнее происходит ее старение при данной температуре, при этом для изоляции класса В правило «восьми градусов» трансформируется в «правило 10С», а для класса Н в «правило 12С».
Механические нагрузки на изоляцию тяговых силовых цепей являются следствием электродинамических сил, возникающих в электрических машинах, неуравновешенности вращающихся частей, центробежных усилий, ударов, толчков со стороны привода. Эти усилия обычно имеют знакопеременный циклический характер.
Чтобы избежать внезапных пробоев изоляции и поддерживать необходимую степень надежности работы электрооборудования, состояние изоляции периодически контролируется, и ухудшение ее свойств компенсируется системой планово-предупредительных ремонтов на основе ремонтного цикла с назначенным межремонтным ресурсом, который не учитывает реальных условий эксплуатации. При этой системе профилактические и ремонтные работы производятся по времени наработки.
Принцип организации превентивного (планового) ремонта, использующегося за рубежом, предполагает периодическое поступление подвижного состава в депо или на ремонтный завод при достижении им заданных по времени или по пробегу предельных значений, устанавливаемых на основе накопленного опыта и статистики отказов. Прямое измерение параметров и определение состояния сложных механических и электронных систем во многих случаях затруднено. Поэтому применяют методы косвенного определения износа отдельных узлов и агрегатов с использованием бортовых и стационарных средств диагностики. Внедрение бортовых и стационарных средств диагностики дает возможность автоматизировать сбор и анализ причин отказов, оптимизировать систему обслуживания и ремонта.
Анализ основных направлений научно-технического развития отрасли, зарубежного опыта и отечественных исследований по проблемам надежности и технического диагностирования отечественных узлов подвижного состава показывает, что наиболее перспективным является переход на обслуживание и ремонт подвижного состава с учетом фактического технического состояния.
Анализ процессов при заряде двухслойной изоляции от источника напряжения с внутренним сопротивлением равным нулю
Стоимость изоляции в электрических машинах составляет 50—80 % стоимости всех других ее материалов. Поэтому к изоляции вращающихся машин предъявляются очень высокие требования в отношении надежности и сроков службы. Активные материалы, т. е. медь обмотки и сталь статора или якоря, работают в электрических машинах при больших удельных нагрузках (плотностях токов и индукциях). Соответственно потери мощности в единице объема этих материалов получаются высокими, и для эффективного отвода выделяющегося тепла требуются большие перепады температур активных частей над температурой охлаждающей среды. Поскольку тепло от меди отводится через изоляцию, она должна обладать высокой теплопроводностью и выдерживать высокую температуру. В связи со сказанным во вращающихся машинах используют изоляцию классов В (130 С), F (155 С) и Н (180 С).
В электрических машинах изоляция работает в условиях постоянной вибрации, особенно сильной на лобовых частях обмотки. Кроме того, она периодически подвергается ударным механическим воздействиям, возникающим при прохождении по обмотке больших токов при пуске и торможениях машин, а также при набросе и сбросе нагрузки. Неравномерный нагрев отдельных частей обмотки в переходных режимах также приводит к деформации изоляции. Наиболее опасные механические напряжения возникают на участках выхода обмотки из пазов. Основное требование к изоляции электрических машин — в пределах требуемого ресурса противостоять указанному выше комплексу эксплуатационных воздействий.
В современных машинах, как правило, используются двухслойные обмотки, когда в одном пазу располагаются катушки двух разных секций. Изоляция обмоток электрических машин подразделяется на главную (корпусную) и продольную (междувитковую и междукатушечную). Главной называется изоляция между проводниками обмотки и корпусом. Она имеет разную конструкцию на пазовых и лобовых частях. К продольной относится изоляция между витками одной катушки, т. е. междувитковая, а также изоляция между уложенными в одном пазу катушками. Следует заметить, что продольная изоляция является частью корпусной изоляции. Междувитковой изоляцией обычно служит собственная изоляция обмоточных проводов.
Главная изоляция в связи с очень жесткими требованиями к электрической и механической прочности и нагревостойкости выполняется только на основе слюдяных изоляционных материалов. В них основным диэлектрическим барьером служат слюдинитовые ленты, изготовленные из слюды двух разновидностей: мусковит и флогопит.
Слюда относится к высшему классу нагревостойкости С (допустимая температура более 180 С). Для изоляции электрических машин слюду используют в виде клееных слюдяных изделий — миканитов, микалент или лент из слюдинитовой бумаги. Миканиты — листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды с помощью клеящего лака или сухой смолы, иногда с применением волокнистой подложки из бумаги или ткани, которые наклеиваются с одной стороны или с обеих сторон. Подложка увеличивает прочность материала на разрыв и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе материала.
Вследствие большого содержания слюды миканиты обладают сравнительно высокой нагревостойкостью и относятся к классу В (130 С) даже при употреблении обычных клеящих веществ и органических подложек. При использовании специальных клеящих веществ и неорганических подложек получаются материалы классов F (155 С) и Н (180 С), а нагревостойкие (без содержания органических веществ) миканиты, как и чистая слюда, относятся к классу нагревостойкости С. Для пазовой изоляции применяются гибкие миканиты. Разновидностью гибкого миканита является микалента. В настоящее время из слюдяных отходов изготавливают слюдяные бумаги — слюдиниты и слюдопласты, которые во многих случаях заменяют микаленты.
Микалента или слюдинитовая лента наматывается с перекрытием в несколько слоев на токоведущие части обмотки машины, пропитывается под вакуумом связующим составом и опрессовывается. Технология изготовления выбирается такой, чтобы достигались высокая прочность и монолитность изоляции в целом. Объясняется это тем, что, несмотря на высокую короностойкость самой слюды, частичные разряды в газовых включениях, воздействуя на связующие материалы, все же ограничивают сроки службы изоляции. Кроме того, газовые прослойки сильно снижают механическую прочность и теплопроводность изоляции.
В качестве пропиточных составов в настоящее время применяются пропиточные компаунды типа КП-99ИД на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Такой состав после полимеризации не размягчается при нагреве, а сама изоляция называется термореактивной (в отличие от компаундированной термопластичной изоляции с маслобитумными связующими). В качестве подложки используют стеклоткань.
Технология изготовления слюдинитовых лент состоит из следующих стадий: пропитка бумаги, удаление летучих продуктов и армирование стеклоподложками, синтетическими бумагами и полимерными пленками. В качестве пропитывающих составов используются эпоксидные лаки.
В настоящее время слюдяные ленты выпускаются двух типов: предварительно пропитанные и непропитанные. Слюдяные ленты, имеющие долю связующего вещества в пределах 35—40 %, относят к классу предварительно пропитанных (ЛСМ, ЛСК), а имеющие 5—11 % — к классу непропитанных (ЛСКН, ЛСКО).
Моделирование в системе Mathcad процессов в двухслойной изоляции при измерении возвратного напряжения
Для того, чтобы перейти от системы обслуживания и ремонта электрооборудования электроподвижного состава по пробегу к альтернативной системе обслуживания его по реальному техническому состоянию, нужны объективные оценки технического состояния электрооборудования. Эти оценки должны быть даны с высокой степенью достоверности. Для тяговых электродвигателей прежде всего приходится оценивать техническое состояние корпусной изоляции. При этом необходимо знать процессы, протекающие в изоляции, ее математическую модель и параметры, по величине которых можно достоверно судить о техническом состоянии изоляции.
Как показали исследования, проведенные на кафедре "Электротехника" РГОТУПС, наибольшую информацию о состоянии изоляции можно получить, анализируя абсорбционные процессы в ней [1]. Абсорбцией называют процесс накопления заряда на границе раздела двух диэлектриков с разными значениями удельного объемного сопротивления и относительной диэлектрической проницаемостью. Заряд на границе раздела двух диэлектриков называют зарядом внутреннего поглощения или зарядом абсорбции qag. В период накопления заряда абсорбции от источника испытательного напряжения к объекту испытания кратковременно протекает ток, который называют током абсорбции iag. Ток абсорбции быстро спадает до нуля и через изоляцию протекает только установившийся ток утечки 1у.
О характере абсорбционных процессов можно судить по изменению тока абсорбции. Однако более удобно судить о них по зависимостям сопротивления изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения от времени. изоляции тяговых электродвигателей
Для измерения этих характеристик с участием автора было разработано и изготовлено стационарное автоматизированное устройство с применением ПК. Устройство было внедрено в 2001 году на заводе по ремонту электроподвижного состава метрополитена (ЗРЭПС) в Москве, а также в локомотивном депо Горький-Сортировочный. С его помощью измерялись указанные выше характеристики, по которым далее определялись параметры математической модели корпусной изоляции и соответствующей ей схемы замещения.
Корпусная изоляция тяговых электродвигателей метрополитена и электроподвижного состава железных дорог является неоднородной - она состоит из нескольких слоев, имеющих различные физические свойства, а, следовательно, и разные значения сопротивления изоляции и электрической емкости. Более подробно конструкция изоляции ТЭД была приведена в главе 1. Некоторые авторы [8] высказывали мнение, что чем больше слоев в схеме замещения изоляции, тем точнее описывается протекающий в ней процесс. В соответствии с полученными в локомотивном депо и на ЗРЭПС экспериментальными данными анализировались однослойная, двухслойная, трехслойная и четырехслойная схемы замещения корпусной изоляции (рис. 2.1). Математическая модель многослойной изоляции для процесса саморазряда при допущении, что сопротивление вольтметра равно бесконечности, представлялась в виде суммы затухающих экспонент с разными постоянными времени: Aj - постоянная величина для / -го слоя; равная напряжению на / -м слое в начальный момент времени процесса саморазряда, Tj=Rj СІ - постоянная времени /-го слоя, равная произведению сопротивления /-го слоя на величину электрической емкости этого слоя. t - текущее время. Зная параметры математической модели, можно найти и параметры схемы замещения, используя следующие соотношения: В случае, если величины постоянных времени заранее неизвестны, то задача определения их становится неоднозначной и результаты решения системы нелинейных уравнений будут зависеть от начальных приближений. Однако для корпусной изоляции ТЭД можно заранее предположить, что количество затухающих экспонент будет не более четырех, и значения их будут заметно отличаться друг от друга. Поэтому можно считать, что к 60-й секунде остается только одна самая медленная экспонента, параметры которой легко определить. Вычитая из результирующей кривой самую медленную вычисленную экспоненту, получим меньшую сумму экспонент, которые затухают за время, значительно меньшее 60с. Предполагая, что на конце этой кривой, остается только одна, самая медленная из оставшихся экспонент, определяем ее параметры. Далее поступаем подобным же образом. После того как будут определены параметры А{ и 7} в первом приближении, далее они уточняются с помощью интегрированного пакета Mathcad. Для определения использовались стандартные функции Find и Minerr решения системы нелинейных уравнений. Системы нелинейных уравнений записывались в представленной ниже компактной форме: Необходимое количество точек к для нахождения параметров математической модели равно удвоенному количеству слоев схемы замещения, так как каждому слою соответствует своя величина экспоненты и постоянная времени. Так, например, для нахождения параметров математической модели двухслойной схемы замещения требуется составить четыре уравнения, а для трехслойной модели - шесть уравнений. На рис. 2.2 в качестве примера приведено определение параметров математической модели в интегрированном пакете Mathcad для двухслойной схемы замещения корпусной изоляции якоря тягового двигателя по данным напряжения саморазряда. На рис.2.2 и рис.2.4 для наглядности решения начальные приближения искомых величин в нелинейных уравнениях взяты весьма далекими от реальных величин. И при этом были получены значения, близкие к действительным значениям. Такое оказывается возможным благодаря тому, что показатели экспонент значительно отличаются друг от друга. Для определения параметров двухслойной модели были взяты значения напряжения саморазряда, измеренные в четырех точках при ґ = 15, 30, 45 и 60 секунд. Эти значения обычно фиксируют при ручном измерении.
Программное обеспечение для управления ПУБП и базой данных
Для определения параметров корпусной изоляции тяговых двигателей в РГОТУПС совместно с ГЖД и ОЦВ было разработано устройство измерения параметров изоляции (УИПИ-02), блок-схема которого приведена на рис.4.1. Устройство прошло сертификацию в государственном комитете Российской федерации по стандартизации и метрологии (госстандарт России) в 2004 году (прил. 1). В этом же году главной организацией метрологической службы МПС было выдано свидетельство о его регистрации в отраслевом Реестре средств измерений, допущенных к применению на железнодорожном транспорте в разделе «Средства измерений, применяемых в локомотивном хозяйстве» (прил. 2).
ПУБП состоит из высоковольтного блока питания (ВБП), блока высоковольтных реле (БР), блока управления (БУ), блока усиления и согласования (БУС), (рис. 4.1). Сигналы управления с платы АЦП, которая установлена в компьютере поступают в блок управления, где усиливаются и затем поступают в блок питания и блок реле. Высоковольтный блок питания вырабатывает напряжение 500, 1000 или 2500 В, Значение напряжения задается программой, в зависимости от типа испытуемого объекта. Напряжение, при котором необходимо испытывать тот или иной объект выбирается из справочника базы данных. Таким образом, соблюдается защита объекта от напряжения, при котором изоляция может повредиться. Высокое напряжение (ВН на схеме) проходит через блок реле и поступает в блок усиления и согласования, где находятся датчики тока и напряжения. Дальше напряжение подается на объект испытания. С датчиков тока и напряжения усиленный сигнал поступает на плату АЦП. В УИПИ-02 предусмотрена двухступенчатая защита от короткого замыкания. Первая ступень реализована аппаратно в блоке ПУБП. При значении тока превышающем 100 мА блок питания перестает выдавать высокое напряжение. Вторая ступень реализована программно. При измерении сопротивления нижний предел установлен по умолчанию на 100 кОм. Значение предела можно программно менять. Программная защита сделана для того, чтобы избежать ненужного пробоя изоляции. При достижении его на экран выдается сообщение "Короткое замыкание", и процесс измерения останавливается. В блоке усиления и согласования находятся усилители управляющих сигналов реле с цифровых выходов платы АЦП, усилитель сигнала с токового шунта, усилитель сигнала с делителя напряжения. Также в этом блоке находится защита от прохождения высокого напряжения на вход АЦП. В УИПИ-02 используется режим платы АЦП "16 дифференциальных входов", так как дифференциальных вход меньше подвержен синфазным наводкам. В один момент времени производится замер по одному каналу с частотой 25 кГц. Плата позволяет делать замеры с частотой до 125 КГц. Таким образом обеспечивается 5-ти кратный запас по частоте. Синхронизация при измерении не используется. Для управления включением/выключением реле используются цифровые выходы. Для измерения тока применяется увеличение входного диапазона (усиление сигнала средствами платы АЦП) до 16 раз. Усиление в 64 раза не используется из-за большой погрешности измерения. Для уменьшения погрешности при усилении, применяется загрузка корректировочных коэффициентов , записанных в ПЗУ платы.
Программа разрабатывалась в среде Delphi 7. База данных разрабатывалась в СУБД Access 2002. Доступ к базе данных из программы обеспечивается через технологию ADO (от англ. ActiveX Data Objects — «объекты данных ActiveX»). Она представляет собой интерфейс программирования приложений для доступа к данным, разработанный компанией Microsoft и основанный на технологии компонентов ActiveX. Блок -схема алгоритма работы программы приведена на рис.4.2. На рис.4.3 приведена блок-схема алгоритма считывания данных замеров с платы АЦП. Листинг программы приведен в приложении 5.
Программу, условно, можно разделить на два функциональных блока. Один блок работает с базой данных. Другой непосредственно производит замеры параметров изоляции. Та часть программы, которая работает с базой данных, обеспечивает доступ к файлу базы данных, выборку данных по запросу, формирование отчета, сохранение данных после замера, удаление записей, редактирование справочных данных: типы объектов, типы подобъектов и т.д. Она также отвечает за отображение нужной информации на экране монитора. Для удобства работы с базой данных, структура которой приведена в приложении 4, разработаны процедуры, которые являются SQL-запросами к базе данных. Краткое описание и сами тексты запросов приведены в приложении 4.
Отдельно стоит отметить справочные таблицы: Class, Object, Subobject. Class - это таблица названий классов оборудования для измерения, например, тяговые двигатели, генераторы и т.д. ( рис.4.4). idTypeClass - уникальный идентификатор класса, TypeClass - наименование класса.
Object - это таблица типов оборудования для каждого класса, например в классе тяговых двигателей могут быть такие типы как НБ-418, НБ-514 и т.д. На рис. 4.5 приведен пример заполнения таблицы Object для класса "Тяговый двигатель". Как видно из рисунка в этом классе, для локомотивного депо Горький-Сортировочный, существует четыре вида тяговых двигателей: НБ-418, НБ-514 - тяговые электродвигатели для электровоза ВЛ-80с, 2AL4442p, ТЕ-006 - для тепловозов ЧМЭ-3. Для каждого конкретного депо в справочных таблицах задаются те объекты, для которых будут производиться замеры. В строке с названием типа двигателя задано напряжение, при котором производится измерение параметров изоляции (Utrial).
SubObject - это таблица названий, которая показывает, что конкретно замеряется (подобъект) у объекта, например на тяговых электродвигателях это может быть якорь и дополнительные полюса, главные полюса и т.д.
