CC BY
32
Капща М. I., к.т.н. (Д11Т) Бобирь Д. В. , к.т.н. (ДПТ)
НЕРУЙН1ВН1 МЕТОДИ КОНТРОЛЮ СТАНУ 1ЗОЛЯЦП ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН ТА ВИСОКОВОЛЬТНИХ СИЛОВИХ
КАБЕЛ1В
Старшня дiелектрика - поступова його змша, яка супроводжуеться попршенням або навггь повною втратою iзоляцiйних властивостей, -викликаеться рядом процесiв, пов'язаних з хiмiчними, тепловими, механiчними та електричними впливами (факторами). Ц процеси ддать одночасно i е взаемозалежними, тому кожний iз них може викликати появу iншого.
Кiнцевим результатом впливу на iзоляцiйну конструкцiю перерахованих факторiв е змiна структури дiелектрика, його властивостей, поява продуклв розкладання. Методи контролю стану iзолящl повиннi забезпечувати можливють виявлення цих змiн. Тому параметри, як використовуються для контролю дiелектрика або ж само! iзоляцil повиннi змiнюватися в ходi описаних процеЫв старiння iзоляцil. Необхiдно також мати можливють вимiру цих параметрiв в умовах експлуатаци доступними методами [1-5].
Методики, як застосовуються на цей час для дiагностування стану iзоляцil можуть бути розподiленi з врахуванням результат отриманих пiд час проведення дослщжень на три групи:
- руйшвш методи випробувань;
- методи, яю скорочують термiн служби;
- неруйшвш методи дiагностики.
Критичний анашз методик показуе, що всупереч великш динамiцi в розвитку дiагностуючих технологiй, дотепер не вiдома жодна методика, яка б могла задовольняти одночасно трьом дуже важливим, але настiльки рiзним вимогам, як:
- точшсть оцiнки залишкового термiну експлуатаци;
- локалiзацiя найбiльше постарiлих вiдрiзкiв iзоляцil;
- неруйнiвнi випробування вже змонтованих систем.
Виконати достовiрне прогнозування можна тшьки в тому випадку, коли вiдомi умови, у яких будуть використовувати техшчний об'ект: режими використання, характер навантаження, зовшшш фактори (температура, волопсть i т.п.). Чим бшьше фiзичних процесiв, що е
причинами деградаци об'екта, ^м складнiший характер змiни працездатностi, ^м важче здiйснити точне прогнозування. Однак змши параметрiв, випадковi для одного об'екта, носять стшкий статистичний характер для групи об'егав, причому статистичну стшюсть характеризуе явно виражена тенденщя монотонностi й плавностi, що служити одшею з вирiшальних передумов для здшснення прогнозування [6-9].
Електрична iзоляцiя в будь-якiй електроiзоляцiйнiй конструкци характеризуеться макро- та мiкроскопiчною неоднорщшстю, а також деякою неоднорiднiстю зовшшнього поля. Тому для будь-яко! електроiзоляцшноl конструкци можна записати
(к\ аёб + к\ Зёб + ^91 а )'а = (1)
де к аёб - коефiцiент, що характеризуе мiжшарову та макроскошчну
неоднорiднiсть дiелектрика,
к Зёб - коефiцiент, що характеризуе мжроскошчну неоднорiднiсть
дiелектрика;
^91 а - коефщент, що характеризуе неоднорiднiсть зовшшнього
поля;
а - стала величина; к а - коефщент абсорбци.
Практично не юнуе чисто макро- та мшронеоднорщного дiелектрика. Поляризацiя, обумовлена мiкронеоднорiднiстю дiелектрика, е величина постiйна протягом перюду експлуатаци електроiзоляцiйноl конструкци. У той же час макронеоднорщшсть дiелектрика в процес експлуатаци буде змiнюватися (за рахунок розтрюкування, розшаровування дiелектрика, перемщення пухирцiв вологи, повiтря й т. ь).
Тому за ступенем змши макронеоднорщност дiелектрика в процесi його експлуатаци можна судити про змшу електрично1 мiцностi. Важливо тiльки вивести дослщний критерiй, за допомогою якого можна було б робити висновки про макронеоднорщшсть дiелектрика (стан iзоляцil).
Абсорбцiя заряду викликана двома причинами: перевагою в даному дiелектрику повшьно стало1 поляризаци (мiкропричина) i натжанням зарядiв на елементарному макровключеннi (макропричина).
Схема замщення макро- та мжронеоднорщного дiелектрика наведена на рисунку 1.
Величини N \ ** та г ** мiкронеоднорiдного дiелектрика певною
мiрою залежать вiд величини прикладено1 напруги. Це пояснюеться тим,
що зi збiльшенням випробувально!' напруги виникають новi види поляризаци, якi можна врахувати, додавши емностям вiдповiдне значення.
Величини Ы, *
а
и
а макронеоднорiдного дiелектрика постiинi та не
залежать вщ величини прикладено! напруги.
Я
Рисунок 1 - Схема замщення мжро- та макронеоднорiдного
дiелектрика:
Я - отр 1золяцн; Ст - геометрична емтсть д1електрика; Ыа*, г* -абсорбцшна емтсть та отр абсорбци макронеоднорвдного д1електрика; Ы^*, га** - абсорбцшна емтсть та отр абсорбци мшронеоднорвдного д1електрика
Припустимо що Я = . Про стушнь неоднорiдностi дiелектрика можна судити по величиш напруги, що з'явиться на електродах
(обкладках) дiелектрика пiсля зняття
и
ае1 .
(зарядно! напруги)
короткочасного замикання обкладок iзоляцп. Цю напругу ще називають зворотною (тобто рашше вона була накопичена а по^м повернена) идат б.
Тодi при данiИ величинi и?ат б можна написати рiвнiсть
и дат б = ка ' и аетб, де ка - деякиИ поправочниИ коефщент, що називають
коефщентом абсорбци. Коефщент абсорбци показуе, у скшьки разiв максимум зворотно! напруги менше випробувально! напруги
и
дат б (даааё) Ф
идат б (Т аеб),идат б (Т Зеб)
отже
ка =
и9а1 б = / (и9а1 б, и9а1 б)
и.
ае1
и
(2)
ае1
де и 9а1 б - зворотна напруга, що з'явилась, за рахунок
макронеоднорщност дiелектрика;
и9а1б - зворотна напруга, що з'явилась, за рахунок
мшронеоднорщност дiелектрика.
Таким чином, якщо видшити та г ** окремо вщ N * та г *, то
^ а ^ а
можна було б одержати три коефщенти абсорбци (к- макро-, к^** -мшро- та ка - загальний) i знайти мiж ними функщональний зв'язок
ка*= /1(Са*, Га*, Ст);
ка** = /2 ((**, Га**, Ст);
ка = /3 ((*, Г *, Ст, Са**, Га** ).
(3)
Максимальне значення и^хб на iзоляцil може бути знайдене з
умови збереження кшькосл електрики. Тому що ми припустили, що ^ — т (витоку струму немае), та цю умову можна записати в наступному видi
иса1 б (Са + Ст) = иае1 бСа ,
або ж
и9пл б (С ^ * + С ** + Ст ) — иае1 б (С ^ ** + С ** )
9й1 б\ а а т) ае1б\ а а )
и,
9а1 б
С ** + С *
а а
С * + С ** + С,
'иае1 б .
а
а
т
(4)
Звiдки
к.
С * + С *
а а
а
Ст + С _* + С,
■и ае 1 б
а а
(5)
Аналопчно ка** (коефiцiент мжроабсорбцп)
с **
к = а
/V ** —
а с + с
а
(6)
Коефщент макроабсорбци
к * а
с *
а
с + с
а
(7)
Так як са** = / (иает б), i при збiльшеннi иает мае тенденцiю до
збiльшення (це означае, що з пiдвищенням и ает збшьшуеться поляризацiИниИ ефект, ^м того, виникають новi види поляризаци), то коефiцiент мжроабсорбцп е величина, що залежить незначним чином вщ иает . Припустимо що, юнуе якесь иает критичне, вище якого са** не
зростае. Величина ка* не залежить вщ величини иает . Однак к ^ * може
а
змшюватися для даного дiелектрика тодi, коли змшиться результуюча величина абсорбцшно! емносл са*. Це можливо для iзоляцil тiльки в тому
випадку, якщо в И макроструктурi вщбулися змiни (розтрiскування, розшаровування, перемiщення пухирщв вологи, повiтря И т. д.).
Спробуемо встановити фiзичний змiст к а *, для чого розглянемо
баланс енергш.
До перехщного процесу енерпя, запасена в схемi
ж = + с А
2 \ а а ;
(8)
Пiсля перехiдного процесу в схемi залишаеться енергiя
Л 2
ждаё = + са* + с Д
даё ~ \ Ж а а /
(9)
Вони можуть бути рiвнi мiж собою, тому що частина енерги була витрачена на перенос зарядiв при вщновленш (при перехiдному процесi ).
Отже,
Ж > ^ае.
Можна одержати
Ж — N ■ Ж^ (10)
i визначити N. Пiдставимо (8) i (9) в (10)
иае-1 б (Са* + Са**)— N ■и ае-1 б (Ст + Са* + Са**).
Звiдки
идеу б о С * + С ** 1
ае1 б — к2 — а а___(11)
и* Ст + С ** + С ** N
и 9а1 б 00 а а
Шдставляючи (11) в (10) , одержимо
Ж -
ка — ^т. (12)
аЖ
Таким чином, коефщент абсорбци е число, що показуе, яка частина загально1 енергп, запасено1 в iзоляцil при макро- та мжрополяризаци, вiддаеться при вiдновленнi. Очевидно, що шша частина енерги Ж (1 - ка)
йде на перемщення мжрочастинок i на перемщення макрозарядiв при вiдновленнi.
Тепер встановимо зв'язок мiж ка, ка** i ка*. 1з (7) можна виразити Са* через
к *
Са*— Ст—а—. (13)
а т1-к * V 7 а
Анaлогiчно з (6) одержимо
К **
С^** = Сю . (14)
1 к **
а
Пiдставимо (13) i (14) в (5)
К *(1 - К ** ) + К ** (1 - К *)
=_а у а / а У а )__(15)
(1 - К * )(1 - К **) + К ** (1 - К **) + К ** (1 - К * ) \ а Л а / а У а / а У а/
Таким чином, отриманий вираз для Ка як функци двох незалежних
змiнних (якщо вiрний принцип суперпозици струмiв). Можна вважати, що Ка** при данш випробувальнiй напрузi е величина постшна, тобто
кiлькiсть зарядiв, що приймають участь у поляризаци при даному ^аётб, протягом часу експлуатаци дiелектрика не змiнюеться. Змiна Ка в процес експлуатаци дiелектрика (так називане старшня) викликаеться винятково змiною Ка*. Тому бiльш чутливим до змш, що вiдбуваються в ¿золяци,
буде не ка а ка*. З рiвняння (15) можна виразити ка* = / (ка, Ка**).
Доцшьшсть цього перетворення випливае з наступних мiркувань. Допустимо, перед початком експлуатаци електроiзоляцiйноl конструкци
пiд час проведення замiрiв встановлено, що и(а! б при иаё) б. Будемо
(1) и (Ш б
вважати цей час випробувань дорiвнюе 11, при цьому Ку = —^-т—. Через
иШ. д
який-небудь iнший перiод експлуатаци iзоляцil, будемо вважати цей час випробувань ¿2, одержали иЩ б при иа2) б. Якщо иаё) б = иа2) б (за таких умов проводилися вимiри), то
К (2) = и (2)б ^ иа(2) б .
аё1 б
Для кожного Ка) можна обчислити К((г*) тобто визначити величини
^ = / (К^, Ка») для ¿1,
ка2) — / (ка2), ка**) для ¿2.
Коефщент мжроабсорбци за умови и^ б — и|2) б е величина
постшна.
Введемо нову величину
№
Назвемо цю величину коефщентом стану iзоляцil. Якщо £ — 1, то це значить, що за час експлуатацп ? — ¿2 - ¿1 в iзоляцil не вiдбулося нiяких змш. Якщо £ > 1, то це нове значення £ е величина, що показуе, у скшьки рaзiв попршився стан iзоляцiя за час ? — ¿2 - ¿1 у порiвняннi з тим, яким вш був при випробуваннях до уведення И в експлуатацш (для часу ¿1). З (15) одержимо вираз для ка*
^^ к **
ка*—-а-а-. (17)
а 1 - 2к
** + как **
а а а
Таким чином, користуючись методом вимiру зворотно1 напруги, (рис. 2), визначаемо не загальну величину коефiцiентa абсорбцй, а величину коефiцiентa макроабсорбци. Так як у формулi (17) ка** — 0 то
одержуемо
ка*— ка. (18)
Звщки
к (2)
* — (19)
а
Нaйбiльш простим методом визначення к * е методи, засноваш. на
вимiрaх зворотно1 напруги. Вимiр зворотно1 напруги [10-16], можна здiйснювaти за допомогою пристрою, схема якого наведена на рисунку 2.
К:1
А
ФИФ
К2
-1 Г А
♦ г *д
■
] [
г
с* Ф
I
1
т
АЦП
л
Рисунок 2 - Схема приладу для вимiру зворотно! напруги iзоляци обмоток збудження тягових електричних машин локомотивiв: К:, К2 - контакти високовольтних реле; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; МП - мшропроцесор; СИП - стабшзоване високовольтне джерело живлення; Сх, Ях - екв1валентна схема 1золяцп
Основнi вимоги як були встановленi до приладу:
- захищешсть сигналу вiд зовнiшнiх та внутршшх чинникiв;
- мiнiмальна величина похибки отриманого сигналу (величини параметру);
- достовiрнiсть та шформатившсть параметру (величини зворотно! напруги);
- доступшсть в отриманнi параметра;
- процес проведення вимiру параметра не впливав негативно на стан iзоляцil;
- мшмально можливий час проведення вимiру параметра;
- простота в обробщ та наочнiсть отримано! шформаци;
- автономшсть приладу та простота в його обслуговуванш;
- безпечнiсть приладу в обслуговуванш.
За допомогою приладу можливо додатково отримувати наступну шформацш:
- струм витоку;
- отр iзоляцil,
- форму наростання та спад напруги ^ кута нахилу дотично! до криво! наростання та спаду напруги);
- величину (площу) накопичено! енергi! (заряду).
Автономшсть приладу дае можливiсть виконувати необхщш замiри
прямо на локомотивi пiд час проведення технiчного обслуговування та ремонту, також в умовах локомотиворемонтних заводiв без використання вантажошдйомних пристро!в для доставки якоря, магнiтно! системи чи ТЕД у цшому до мiсця проведення випробувань.
Застосування такого приладу в локомотивних депо та на локомотиворемонтних заводах:
- дае можливють виявляти дефекти iзоляцi! на раншх стадiях !х появи;
- не потребуе довготривалих та енергомютких випробувань;
- не потребуе вантажошдйомних засобiв для пересування ТЕД до мюця проведення випробовувань;
- шд час виконання ремонтiв комплектувати ТЕД по пригодним якорях та магштним системам;
- збершати шформацш по кожному якорi (магнiтнiй систем^ та по ТЕД у цшому;
- не руйнуе передчасно iзоляцiю ТЕД.
Техшчна характеристика приладу:
- величина напруги на виход^ В......................500 i 1500;
- величина струму, мА......................................10;
- габаритш розмiри, мм.....................................200*300*300;
- вага, кг ............................................................4,5 (без акумулятора
2,3);
- виконаний на сучаснш мжропроцесорнш елементнш базц
- працюе з портативним комп'ютером для встановлення рiзних режимiв випробувань або автономно в наперед запрограмованому режимь
Таким чином на основi теоретичних викладок та проведених дослщних випробувань iзоляцi! тягових електричних машин локомотивiв розроблений та виготовлений портативний переносний пристрш, який протягом 5-7 хв дозволяе встановити поточний стан iзоляцi!.
За допомогою такого приладу можливе також дiагностування стану iзоляцi! силових електричних кабелiв, iзоляцi! трансформаторiв i т. i.
Висновки: застосування такого приладу (у майбутньому системи дiагностування) дасть можливють при плановш ^CTeMi дiагностування електричних машин, встановлювати тi чи iншi об'еми ремонтних робiт i здiйснювати подальшу 'х eксплуатацiю в залежност вiд поточного стану на момент дiагностування. Також надасть можливють автоматизувати збiр, реестращю, обробку та аналiз поточно'' дiагностичноi шформаци, отримано'' в процeсi випробувань iзоляци. Прилад (система) при наявност вiдповiдниx програм, також може формувати паспорт i3 необхщними параметрами на кожну окремо взяту електричну машину.
Список лтератури
1. Krefter K.-H., Fischer M.: Fachvorträge VDEW-Kabeltagung. Hannover. - 1993.
2. Meurer D., Schuppe W.-D.: VPE-isolierte Mittelspannungskabel Langzeitverhalten und Alterungsdiagnostik. ETG-Fachtagung, Würzburg. -1992. - S. 333-338.
3. Kalkner W.: Prüfungen zur Beurteilung von Kunststoffkabeln in Mittelspannungsnetzen. HDT-Seminar, Essen. - 1992. - S. 277-289.
4. Olshausen R. V.: Aktuelle Probleme und Entwicklungstendenzen bei Kabeln. -ETG-Fachtagung, Würzburg. - 1992.
5. Patsch R., Paximadakis A.: Correlation between electrical Signals, tree sizes and breakdown voltages of water treed model cables. IEEE Symposium. -USA. - 1992.
6. Исаев И. П., Матвеевичев А. П., Козлов Л. Г. Ускоренные испытания и прогнозирование надежности электрооборудования локомотивов. - М.: Транспорт, 1984. - 248 с.
7. Анал1з техшчного стану i розробка пропозицш з рацюнального утримання локомотив1в. Зв^ по НДР (заключний) / Дншропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна. - № ГР 0102U005869. -Дншропетровськ, 2003. - 114 с.
8. Серебряков А. С. Оценка состояния корпусной изоляции тяговых двигателей // Локомотив. - 1999. - № 12. - С. 25-27.
9. Дiагностування та прогнозування стану iзоляцii обмоток тягових електродвигушв локомотивiв / Боднар Б. €., Катца М. I., Ляшук В. М.; Вюник Схщноукр. нац. ун-т. iм. В. Даля - Луганськ, 2002. № 6(52). - С. 21-25.
10. Ляшук В. М., Я. Е. Савич Я. Е., М. И. Капица М. И.. Устройство для оценки состояния изоляции обмоток тяговых электродвигателей локомотивов / Збiрник наукових праць Кшвського ушверситету економши i технологш транспорту: Сeрiя «Транспортнi систeмi i технолог^'». Вип. 1-2, К.: КУЕТТ, 2003. - С. 72-79.
11. Капица М. И. Построение интегральной функции распределения отказов по функции сопротивляемости изоляции обмоток возбуждения ТЭД. Вюник Схщноукр. нац. ун-т. iм. В. Даля. - Луганськ, 2003. - № 9(67) - С. 34-38.
12. Капица М. И., Лагута В. В. Применение математического моделирования при оценке остаточного ресурса изоляции электрических машин // Машиностроение и техносфера XXI века. Сборник трудов международной научно-технической
конференции в г. Севастополе 8-14 сентября 2003 г. В 4-х томах. - Донецк: ДонНТУ, 2003. Т.3. - С. 279-283.
13. Капица М. И., Ляшук В. М., Матяш В. А. Результаты опытной эксплуатации устройства для замеров параметров изоляции обмоток возбуждения тяговых электродвигателей // Зб. наук. Праць. - Харюв: УкрДАЗТ, 2003. - Вип. 54. - С. 132-137.
14. Капица М. И., Кузнецов Т. Ф., Ляшук В. М. Диагностические испытания изоляции электроподвижного состава // Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса: Тез. докл. Международ. научн.-прак. конф. Ч. I / Под общ. ред. В. И. Сенько. - Гомель: БелГУТ, 2003. С. 25-26.
15. Капща М. I. Визначення функцп напрацювання 1золяци ТЕД за експериментальними даними // Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету зал1зничного транспорту 1меш академ1ка В. Лазаряна. - Вип. 1. - Дншропетровськ. -2003. - С. 102-105.
16. Катца М. I., Чабанюк В. I. Виявлення зв'язку м1ж показниками надшносп та ф1зичними факторами при прогнозуванш надшносп електричних машин локомотив1в // Вюник Схщноукр. нац. ун-т. 1м. В. Даля - Луганськ, 2004. № 8(78). - С. 199-203.
