CC BY
68
m
УДК 621.33.025
Выжимова Вера Николаевна,
аспирант кафедры «Электроподвижной состав» ИрГУПС, тел. 89233088409, e-mail: vera-vyzhimova@yandex.ru
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА НАДЕЖНОСТЬ АСИНХРОННЫХ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАШИН ЭЛЕКТРОВОЗОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН ОТКАЗОВ
V.N. Vyzhimova
COMPREHENSIVE ESTIMATION OF FACTORS AFFECTING SAFETY OF AC ELECTRIC LOCOMOTIVES ASYNCHRONOUS AUXILIARY MACHINES, DETERMINATION OF THE MAIN REASONS FOR REFUSALS
Аннотация. Составлена примерная классификация причин отказов оборудования, определены основные воздействующие факторы и особенности эксплуатации асинхронных вспомогательных машин в условиях железнодорожного транспорта. В статье предложено новое решение проблемы повышения надежности асинхронных вспомогательных машин - переход на обслуживание по фактическому состоянию с целью повышения надежности двигателя, увеличения срока службы электрической машины, сокращения простоев на ремонте и расходов на проведение планово-предупредительного ремонта.
Ключевые слова: асинхронная вспомогательная машина, старение изоляции, причины отказов, прогнозирование технического состояния.
Abstract. Approximate classification of causes of equipment failures is compiled, key factors and features of induction auxiliary machines operation in conditions of railway transport are identified. The article suggests a new decision of the problem of improving the reliability of induction auxiliary machines - switch to the service according to the actual state with the purpose of the engine reliability increase, increasing the service life of the electric machine, reducing downtime for repairs and costs of carrying out of scheduled preventive maintenance.
Keywords: asynchronous auxiliary machine, aging of insulation, causes of refusal, technical condition prediction.
Анализ использования различных типов электродвигателей в качестве основы электропривода механизмов убедительно определяет тенденции резкого увеличения долей асинхронных двигателей везде, где это технически приемлемо. Поэтому асинхронные двигатели стали изделием
массового применении, и сегодня они потребляют более 60 % всей производимой в мире электроэнергии. Развитие вычислительной техники и микроэлектроники позволяет значительно расширить использование регулируемого электропривода с применением преобразователей частоты и автоматических регуляторов напряжения. Это обуславливает большое значение качества, надежности и энергетических характеристик асинхронных двигателей.
Асинхронные вспомогательные машины (АВМ) занимают главенствующее положение и в современной железнодорожной промышленности, благодаря простоте и технологичности конструкции, высоким энергетическим показателям и эксплуатационной надежности.
Специфические и тяжелые условия эксплуатации электродвигателей ведут к снижению их надёжности и долговечности.
Исследованию работы вспомогательных машин с асинхронными двигателями отечественных электровозов переменного тока посвящены труды О.А. Некрасова, Р.И. Мирошниченко, Н.Н. Горина, В.В. Шевченко, М.А. Козорезова, В.И. Бочарова, В.П. Янова, В.Г. Щербакова, Л.В. Маханькова и др. [2].
Ими установлено, что АВМ электроподвижного состава переменного тока могут работать при следующих условиях:
- изменение напряжения питания от +25 до -39 % номинального значения;
- коэффициент несимметрии напряжения Ки = и0/иП до 0,10 (здесь и0 и иП соответственно напряжение обратной и прямой последовательности);
- коэффициент несимметрии фазных токов К = IJ 1П - до 0,70, где 1П и 10 - фазные токи прямой и обратной последовательности при крайних
иркутским государственный университет путей сообщения
Рис. 1. Статистика отказов оборудования
электровозов переменного тока приписки эксплуатационных депо Красноярской железной дороги за период 2009-2011 гг.
Отказы по конструкционным и производственным причинам (или для упрощения конструкционные и производственные отказы) обычно выявляют в начальный период эксплуатации. Они могут быть обнаружены в процессе испытаний в заводских условиях.
На рис. 2 представлена примерная классификация причин отказов оборудования [1].
Для конкретных видов оборудования и условий эксплуатации некоторые причины отказов доминируют.
Принципиально все факторы можно разделить на две группы: внешние, обусловленные воздействием окружающей среды и условий работы АВМ, и внутренние, определяемые воздействием человека в процессе изготовления и эксплуатации (рис. 2).
Внутренние факторы определяют старение и износ оборудования. Под старением подразумевают естественный процесс постепенного изменения физических и химических свойств материалов.
значениях напряжения в контактной сети, отличающиеся более чем в два раза.
- снижение вращающего момента до 0,372 номинального;
- значительное возрастание момента сопротивления компрессоров при низких температурах воздуха;
- увеличенная продолжительность пуска мотор-компрессоров (МК) из-за существенного уменьшения вращающего момента при понижении питающего напряжения.
Анализ статистики отказов оборудования электровозов переменного тока приписки эксплуатационных депо Красноярской железной дороги за период 2009-2011 гг. показал, что на электрические машины приходится 25 % от всех отказов (рис. 1).
Прибор ы
Износ обусловлен, в основном, трением, а также действием электрического тока и напряжения.
I Причины от казов I
р Т' о 1
I 1. Субъективные I
Конст рукт ивные
—| Производственные-
Недостаточная проработка схем или узлов конст рукций
Неправильный выбор материалов
Ошибка в выборе конст рукции
—| Эксплуатационные
Нарушение технолог ии изготовления
Применения некондиционных мат ериалов
Недостаточный конт роль за качест вом изделий
2. Объективные
I
Низкая квалификация персонала
Некачест венное элект роснабжение
Нарушение режимов использования
Климат ические воздейст вия
Механические
~—*
Енут ренние
Износ Старение
Недостаточный
уровень т ехнического обслуживания
Технологические воздейст вия
Рис. 2. Классификация причин отказов оборудования
Внешние факторы можно разделить на три группы: климатические, механические, технологические. К климатическим факторам относятся: температура, влажность, примеси в воздухе. Действие температуры выражается в изменении размеров узлов электродвигателя. Особенно опасны в этом отношении резкие периодические изменения температуры. Воздействие механических (вибрации) и термомеханических нагрузок обусловливает механическое старение узлов электродвигателей. Среди технологических факторов, воздействующих на электродвигатель при эксплуатации на железнодорожном транспорте, следует выделить загруженность работой и качество электрической энергии. Условия окружающей среды определяют дестабилизирующие воздействия на электрооборудование в период работы и простоя. В этой группе выделяют климатические условия, место размещения, запыленность, загазованность, влажность, уровень вибрации и другие воздействия, вызывающие ухудшение свойств электрооборудования.
Частые выходы АВМ из строя ведут к нарушению взаимосвязанных технологических циклов, полной или частичной остановке производственного оборудования и механизмов. В результате
ш
наносимый железнодорожному транспорту ущерб связан не только с заменой или ремонтом вышедших из строя АВМ, но и с увеличением простоев на ремонте. На рис. 3 представлены воздействующие факторы, характерные для эксплуатации асинхронных вспомогательных машин в условиях железнодорожного транспорта.
ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
- содержание влаги в атмосфере;
- периодические изменения и перепады
температур;
- агрессивные газы и пыль в воздухе
МЕХАНИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
- текущее обслуживание и ремонт;
- квалификация персонала
Рис. 3. Воздействующие факторы и особенности эксплуатации асинхронных вспомогательных машин в условиях железнодорожного транспорта
Причины отказов можно дифференцировать следующим образом: технологические - около 35 %; эксплуатационные (главным образом, неудовлетворительная защита электродвигателей) -50 % и конструкционные - 15 %. В среднем в течение года капитально ремонтируются около 20 % установленных электрических машин (в строительстве - 50 %, в горнодобывающей промышленности - 30 %, в машиностроении - 20 %, в черной металлургии - 13 % и в химической промышленности - 9 %).
Технико-экономическое совершенство и эксплуатационная надёжность работы АВМ в значительной степени зависят от изоляции. Если учесть то, что стоимость изоляции составляет около половины стоимости всех материалов машины, а изоляция за время службы заменяется (порой несколько раз), в то время как активные материалы машины используются многократно, становится понятным то большое внимание, которое уделяется специальным вопросам, связанным с конструированием, изготовлением, а особенно эксплуатацией и диагностикой состояния изоляции электрических машин.
Факторы, влияющие на надежность и долговечность работы асинхронных электродвигателей, можно разбить на две группы:
- режим работы асинхронной вспомогательной машины (АВМ) в условиях эксплуатации на железнодорожном транспорте (качество электроэнергии, вибрация, воздействие влаги, продолжительность рабочего периода);
- механическое воздействие после проведенных плановых ремонтов.
Условия эксплуатации АВМ на железнодорожном транспорте отличаются от нормированных, что отрицательно влияет на эффективность и надежность работы электродвигателей. Средний срок службы электродвигателей 3 года, на железнодорожном транспорте составляет по разным оценкам 1,3-1,7 года. Рассмотрим влияние вышеуказанных факторов на работу асинхронных электродвигателей в процессе эксплуатации на железнодорожном транспорте.
Качество электроэнергии является немаловажным фактором, влияющим на состояние АВМ. Параметры сети обычно отличаются от паспортных данных электродвигателя, они нормируются национальными и международными стандартами. Реальные отклонения могут значительно отличаться от них.
При снижении напряжения на зажимах асинхронного электродвигателя на 15 % момент снижается на 25 %. Двигатель может не запуститься или остановиться.
При повышении напряжения на 1 % потребляемая двигателем реактивная мощность увеличивается на 3...7 %. Снижается эффективность работы привода и сети.
При снижении напряжения увеличивается потребляемый от сети ток, что приводит к разогреву обмоток и снижению срока службы двигателя. При длительной работе на напряжении 0,9-ином срок службы двигателя снижается вдвое.
Нагрев статора до предельно высокой температуры приводит к деформации посадочных поверхностей замков, что весьма ощутимо для электродвигателей в алюминиевом корпусе; как следствие нарушается равномерность воздушного зазора между статором и ротором, появляется касание ротора о статор, увеличивается общая вибрация электромашины.
Воздействие влаги на изоляцию обмоток АВМ в зимний период эксплуатации при минусовой температуре воздуха (из-за частых перепадов температуры обмоток) становится причиной
увлажнения изоляции, что приводит к росту повреждений изоляции обмоток. При прохождении тока по увлажненной обмотке сопротивление изоляции уменьшается, происходит короткое замыкание между витками обмотки, которое приводит к пробою изоляции и выходу из строя электродвигателя. На рис. 4 представлен график изменения параметра потока отказов АВМ, подтверждающий увеличение отказов именно в периоды значительных перепадов температур окружающей среды.
Рис. 4. График изменения параметра потока отказов асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока приписки эксплуатационных депо Красноярской ж.д. за период 2009-2011 гг.
Продолжительность рабочего периода АВМ также имеет большое значение в числе факторов, приводящих в итоге к сокращению срока службы двигателя. Электродвигатели компрессоров работают в режиме повторно-кратковременных включений с частотой и длительностью цикла, зависящего от расхода сжатого воздуха и тяги поезда. При пуске с демпферными или пусковыми сопротивлениями кратковременные увеличения рабочего тока могут достигнуть пятикратного значения по сравнению с установившимся режимом. При поездной работе локомотива в среднем бывает 5..10 пусков в час. Поэтому с целью обеспечения безопасности движения на локомотивах устанавливают два мотор-компрессора.
Помимо факторов, влияющих на состояние асинхронных электродвигателей в процессе их эксплуатации, нельзя забывать про механическое воздействие после проведенных плановых ремонтов. Капитальный ремонт электродвигателя предполагает полную замену обмоток статора и ротора, если он фазный. Для извлечения старой обмотки в 90 % случаев применяется тепловая обработка статора вместе со станиной при температуре 200-250 °С в течение 2-3 часов. Такая операция, особенно проводимая повторно, существенно
ухудшает свойства электротехнической стали, значительно увеличивает ее магнитные потери, прежде всего, из-за разрушения электроизоляционного покрытия между отдельными листами маг-нитопровода. ГОСТ на электротехническую сталь нормирует так называемый «коэффициент старения». Он характеризует процент увеличения удельных потерь в стали при выдержке ее в течение 120 часов в температурном режиме 120150 °С и составляет 3-8 % для сталей различных марок. Несложно представить, каким будет «коэффициент старения» стали при неоднократном воздействии на сердечник статора температуры 250 °С. Большие магнитные потери заметно снижают КПД двигателя и приводят к интенсивному нагреву его обмоток, особенно если мощность двигателя более 15-30 кВт. В этом случае стальные потери могут составлять до 40 % от общих потерь.
Чтобы составить общее представление о причинах и закономерностях появления отказов оборудования, необходимо провести анализ надежности его отдельных элементов. Рассмотрим в качестве отдельного элемента обмотку АВМ и выясним причины ее неработоспособности. Известно, что обмотка работоспособна до тех пор, пока имеет правильное соединение и достаточную прочность (электрическую, тепловую и механическую). Нарушение любого из названных параметров приводит к выходу обмотки из строя. Такие нарушения могут возникнуть из-за выбора заниженного класса изоляции привода при конструировании, а также из-за повреждения проводов при укладке обмотки в статор при изготовлении и ошибочном включении двигателя на повышенное напряжение при эксплуатации. Все это образует группу субъективных причин отказов. Вместе с тем при эксплуатации на обмотку воздействует много объективных причин - влажность, запыленность, вибрация и т. д. Те из них, которые приводят к отказам из-за старения или износа элементов электрооборудования, условно называют внутренними объективными причинам, а остальные -внешними. К субъективным причинам относят конструкционные, производственные и эксплуатационные, а объективным - внутренние и внешние дестабилизирующие воздействия.
Конструкционные причины отказов - ошибки при проектировании оборудования: нарушение требований стандартов, занижение запаса прочности, недостаточная проработка электрических схем или конструкций узлов. Производственные -нарушения технологии изготовления, применение
ш
некондиционных материалов, недостаточный контроль качества изделий и т. д.
Выплавление, обмотки ротора; 20%
Межвитковое замыкание в обмотке статора; 23 >
Рис. 5. Распределение отказов АВМ по видам повреждений за 1-е полугодие 2012 года, %
Распределение отказов АВМ по видам повреждений согласно отчету «Отказы вспомогательных электрических машин локомотивов, эксплуатируемых на Российских железных дорогах, за 1-е полугодие 2012/2011 гг.», выполненному проектно-конструкторским бюро локомотивного хозяйства ПКБ ЦТ в августе 2012 года, представлено на рис. 5. В подавляющем большинстве случаев отказы АВМ средней мощности связаны с повреждениями обмоток статора и распределяются следующим образом: межвитковые замыкания в обмотке статора - 22,99 %, пробой изоляции обмотки статора на корпус - 11,4 %, обрыв фазы обмотки статора - 4,58 % (рис. 5).
Как известно, электрические машины обладают рядом особенностей, не позволяющих непосредственно применить при исследовании их надежности методы, достаточно полно разработанные для устройств радиоэлектроники и автоматики. Такими особенностями являются:
- принципиальная невозможность резервирования элементов, большая сложность отдельных узлов (например, обмотки), схемная несложность, даже по сравнению с простейшими радиоэлектронными устройствами, большой срок службы;
- неопределенность окружающих условий и номинальных режимов работы, особенно для электродвигателей общего применения.
Обеспечение современными устройствами защиты и диагностики минимального воздействия дестабилизирующих факторов на обмотку электрических машин в процессе эксплуатации, а также ремонтными службами высокого качества восстановления работоспособности АВМ на стадии
технического обслуживания и ремонта позволит максимально снизить расходы на проведение ремонта за счет повышения надежности узлов электрооборудования и повысить уровень надежности оборудования в целом.
Однако стоит отметить, что уровень диагностики технического состояния АВМ в условиях ремонтных депо не позволяет обеспечить необходимую достоверность оценки надежности двигателя. Наиболее перспективным развитием метода повышения надежности АВМ и увеличения срока их эксплуатации является прогнозирование технического состояния двигателя на основе полученных данных в результате диагностики [3]. Данный метод широко применяется на предприятиях сельскохозяйственного комплекса. Для железнодорожного транспорта переход на обслуживание АВМ по фактическому состоянию является необходимым решением с целью повышения надежности двигателя, увеличения срока службы электрической машины, сокращения простоев на ремонте и расходов на проведение планово-предупредительного ремонта.
Заключение
1. По результатам комплексной оценки факторов, влияющих на надежность асинхронных вспомогательных машин электровозов переменного тока, выявлено, что одной из основных причин отказов АВМ является старение изоляции обмоток статора.
2. На железнодорожном транспорте остается актуальной проблема повышения надежности асинхронных вспомогательных машин, и одним из наиболее перспективных решений является переход на техническое обслуживание АВМ по результатам прогнозирования их технического состояния.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Копылов Ю. В. Исследование нагрева и тепловых параметров асинхронных двигателей малой мощности в продолжительном и повторно-кратковременном режимах : дис. ... канд. техн. наук / Ю. В. Копылов. Томск, 1974. 180 с.
2. Смирнов В. П. Непрерывный контроль температуры предельно нагруженного оборудования электровоза. Иркутск : Изд-во Иркут.гос. ун-та, 2003. 328 с.
3. Гутов И. А. Прогнозирование состояния электродвигателей на основе использования многофакторных моделей старения изоляции : дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 1998. 265 с.
