CC BY
32
УДК 621.33
Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский, А. М. Худоногов
ОСНОВЫ ЛОКАЛЬНОГО МЕТОДА ПРОДЛЕНИЯ РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
ТЕПЛОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Основным повреждаемым узлом тяговых электрических машин тягового подвижного состава является изоляция в области основания лобовой части. Несовершенная система изоляции в торцевой части лобовых обмоток приводит к влажности. Причиной неудовлетворительной надежности является также повышенная напряженность в этой зоне. В качестве мероприятий, разработанных для продления ресурса электрических машин, авторами предлагается система локального капсулирования изоляции энергией ИК-излучения.
Электрические машины (ЭМ) тягового подвижного состава (ТПС) относятся к предельно нагруженному оборудованию, и поэтому с позиций комплексного воздействия на них тепловых, электромагнитных, механических и климатических факторов, несмотря на постоянно проводимые мероприятия конструктивно-технологического характера при изготовлении и ремонте, уровень повреждаемости их в эксплуатации хотя и снижается, но остается довольно высоким. Современные технологии по изготовлению коллекторных тяговых двигателей электровозов позволяют повысить ресурс по остовам на пробег до 2,5 млн км, однако использование этих же технологий для изготовления якорей не обеспечивает ресурс их более чем на 1 млн км пробега. Наиболее высокие показатели по неудовлетворительной надежности - у тяговых электрических машин грузовых электровозов, особенно низкие - у грузовых электровозов, эксплуатируемых на железных дорогах Восточного региона страны (Красноярская, Восточно-Сибирская, Забайкальская, Дальневосточная железные дороги). Основным лимитирующим элементом в надежности электрических машин тягового подвижного состава является изоляция. Одним из определяющих факторов, воздействующих на старение изоляции, является скорость нагревания изоляции электрической машины, т. е. быстрое изменение температуры обмоток до предельно допустимых значений для изоляции соответствующего класса нагревостойкости, особенно с переходом через 0 °С, что характерно для эксплуатации локомотивов в зоне «северного хода» на Восточно-Сибирской железной дороге. Морозы на участках эксплуатации достигают -50 °С и ниже, перепады температуры в течение суток до 20 - 35 °С, продолжительность работы при отрицательной температуре внешней среды составляет до 11 месяцев в году. При прохождении электровозами в зимний период искусственных сооружений (Северо-Муйский тоннель) разница значений температуры за ко-ротний период - более 60 °С. Аналогичное положение наблюдается и на других железных дорогах Сибири, Севера и Дальнего Востока [1]. Налицо проблемная ситуация, которая заключается в необходимости увеличения срока службы ЭМ ТПС в неблагоприятных условиях эксплуатации на железных дорогах Восточного региона и отсутствии соответствующей данным условиям зональной системы продления ресурса изоляции с минимальными затратами в процессах технического обслуживания и ремонта локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава.
Исследованию надежности, повышению и продлению ресурса тягового подвижного состава железных дорог, системам технического диагностирования и ремонта уделялось значительное внимание различными научными коллективами.
Большой вклад в изучение перечисленных проблем внесли Ю. А. Бахвалов, В. И. Бер-винов, И. В. Бирюков, И. Н. Богаенко, В. И. Бочаров, А. А. Воробьев, А. И. Володин, И. И. Галиев, З. Г. Гиоев, А. В. Горский, В. Г. Григоренко, А. А. Зарифьян, Д. Д. Захарченко, И. П. Исаев, В. А. Камаев, В. И. Киселев, В. Г. Козубенко, В. А. Кучумов, А. Л. Курочка, А. А. Лисицин, В. Н. Лисунов, В. Б. Медель, М. Д. Находкин, Е. С. Павлович, М. П. Пахомов, А. В. Плакс, В. В. Привалов, Н. А. Ротанов, А. Н. Савоськин, И. В. Скогорев, В. В. Стрекопытов, Т. А. Тибилов, В. П. Феоктистов, В. А. Четвергов, В. Г. Щербаков, В. П. Янов и другие исследователи.
26 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 1(17) 2014
= _
Значительный вклад в решение вопросов надежности наиболее «слабых» узлов тяговых электрических машин - изоляционных конструкций и коллекторно-щеточного узла тяговых двигателей внесли такие ученые, как В. Д. Авилов, А. Е. Алексеев, А. А. Бакланов, В. Г. Галкин, М. Д. Глущенко, А. Т. Головатый, И. П. Гордеев, А. В. Грищенко, Р. М. Девликамов, Г. Б. Дурандин, М. Г. Дурандин, Ш. К. Исмаилов, М. Ф. Карасев, В. И. Карташев, А. С. Космодамианский, В. А. Кручек, А. С. Курбасов, А. Б. Лебедев, Е. Ю. Логинова, А. С. Мазнев, Р. Я. Медлин, А. Т. Осяев, А. Д. Петрушин, В. М. Попов, Н. П. Семенов, А. С. Серебряков, В. П. Смирнов, Л. Н. Сорин, Н. О. Фролов, В. В. Харламов, О. И. Хомутов, В. А. Шевалин, и многие другие.
Рисунок 1 - Места проникновения влаги в паз из-за несовершенства конструкции обмоток якоря (вверху) и статора (внизу) ЭМ: 1, 2 - зоны возможного проникновения влаги
В работах предшественников и нашими исследованиями было установлено, что конструктивное исполнение лобовых частей обмотки и систем вентиляции создает условия для повреждения изоляции преимущественно у выхода стержней из пазов или в торце. Со временем происходит опускание корзинки лобовых частей обмотки, в связи с чем появляются дополнительные напряжения, а лобовые части становятся наиболее уязвимыми при вибрации и ударах под действием внезапных электродинамических усилий (короткие замыкания, пуск, реверсы и т. д.). Проведенные исследования показали, что амплитуда вибрации лобовых частей обмоток крупных электрических машин при этих условиях может измеряться миллиметрами, что соответствует деформации на поверхности изоляции порядка 10~4...10~3 относительных единиц. Такая амплитуда особенно опасна при пуске электрических машин из холодного состояния, когда эластичность изоляции понижена. Вторым фактором, оказывающим отрицательное влияние на торцевые части лобовых обмоток, является повышенная влажность в этой
Рисунок 2 - Зависимости превышения температуры
обмоток якорей ТД НБ-418К6 с закрытыми (1 - при Рч = 790 кВт и 1' - при Рч = 835 кВт) и НБ-514 с открытыми головками секций (2 и 2' - при тех же мощностях)
№21(147) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 27
зоне из-за несовершенства систем вентиляции. Можно полагать, что влага из этой зоны через лобовую часть перемещается по капиллярам в пазовую часть обмотки, в результате чего наступает переувлажнение изоляции и ее пробой (см. рисунок 1). Несовершенство систем вентиляции создает также неравномерность перегрева изоляции в различных точках обмотки. Исследованиями ученых ВЭлНИИ была получена картина распределения температуры по длине якоря тяговых электродвигателей грузовых электровозов переменного тока при различных параметрах часового тока (рисунок 2).
Как следует из рисунка 2, превышение температуры по задней лобовой части якоря (со стороны, противоположной коллектору) достигает значений на 25...35 % больше, чем на передней лобовой части.
Опасным для изоляции в рабочих условиях являются частичные разряды, образующиеся под действием электрического поля как внутри, так и на внешней поверхности изоляции [2]. При этом частичные разряды действуют в зоне сердечника (пазовая часть) и в месте выхода обмотки из паза (лобовая часть).
Картина эпюры электрического поля в месте выхода секции из паза сердечника (рисунок 3) аналогична полю проходного изолятора.
В зоне лобовой части возникают направленные вдоль поверхности разряды. С повышением напряжения такие разряды могут проскакивать на большую длину, вплоть до полного перекрытия лобовой части. Начальное напряжение обеих стадий (кВ) описывается общей формулой Теп-лера, полученной эмпирическим путем:
Рисунок 3 - Картина эпюры электрического поля в месте выхода секции из паза сердечника обмотки АВМ электровоза
ин = 1,36-104
• С
-0,45
уд
(1)
где С - удельная поверхностная емкость изоляции [Ф/см ].
Такие тлеющие разряды возникают при напряжении, в три - четыре раза меньшем рабочего, и могут повреждать изоляцию при длительной эксплуатации.
Краевые разряды устраняются с помощью изменения конструкции изоляции лобовой части обмотки - на ее поверхность наносится полупроводящее покрытие высокого сопротивления [3].
При создании электровозов нового поколения планируется широкое внедрение частотно-регулируемого асинхронного электропривода на новой полупроводниковой элементной базе.
В большинстве современных преобразователей частоты используются биполярные транзисторы с изолированным затвором (ЮВТ) с частотой переключения 2 ^ 8 кГц. [4].
Длительность фронта импульсов определяется типом ключевых элементов преобразователя, он может составлять 0,2 ^ 1мкс.
Как известно из теории переходных процессов, подача на обмотку асинхронного двигателя импульса прямоугольной формы с большой скоростью нарастания вызывает протекание в обмотке волновых процессов. Под волновыми процессами следует понимать весь сложный комплекс физических явлений, сопровождающих возникновение, распространение и быстрое изменение электромагнитного поля цепи или системы. Эти явления вызывают в обмотке значительное перенапряжение, что отрицательно влияет на изоляцию двигателя, при этом прочность и долговечность функционирования машины снижаются. Кроме того, при быстром нарастании напряженности электрического поля на фронте волны в изоляции машины возникают заметные электрические потери.
Таким образом, проблема локальных методов повреждения изоляции обмоток электрических машин имеет место. Эта проблема заключается в необходимости увеличения срока службы ЭМ ТПС в неблагоприятных условиях эксплуатации на железных дорогах Восточного региона и
28 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(17) 2014
- _ = _Ш
в отсутствии соответствующей данным условиям зональной системы продления ресурса изоляции. Внедрение зональной системы продления срока службы ЭМ ТПС путем локальных методов восстановления изоляции позволит с минимальными затратами получить требуемый результат независимо от существующих систем технического обслуживания и ремонта.
В локальных методах восстановления изоляции предлагается использовать тепловое излучение, позволяющее прецизионно транспортировать поток электронов в точку повреждения изоляции обмотки электрической машины с целью ее восстановления. Механизм восстановления изоляции локальным методом представлен на рисунке 4.
а б в
Рисунок 4 - Механизм восстановления изоляции локальным методом: 1 - электроизоляционный пропиточный материал (лак, компаунд и т. д.); 2 - пропитанный изоляционный материал; 3 - проводник обмотки ЭМ; 4 - пары растворителя
При восстановлении изоляции локальным методом с использованием теплового излучения используется вид нагрева, основывающийся на поглощении изоляционными материалами энергии субинфра и инфракрасного (ИК) излучения. Преобразование энергии излучения в тепловую происходит в некотором слое изоляции, глубина которого определяется длиной волны и оптическими свойствами изоляционных материалов. Тепловые лучи, в основном коротко- и средневолновые с длиной волны 0,8 - 5,0 мкм, проходят расстояние от источника излучения до облучаемой поверхности почти без потерь (коэффициенты отражения и поглощения), а основные диффузионные процессы имеют оптимальное направление (рисунок 4). Нагретые основным потоком ИК-лучей металлические части обмотки 3, в свою очередь, нагревают лакокрасочный материал 2 снизу, способствуя передаче тепла от нижних слоев изоляции к верхним и ускоряя удаление растворителя 4, тем самым значительно сокращая процесс восстановления изоляции (капсулирования).
С целью проверки гипотезы и изучения механизма процесса капсулирования изоляции обмоток электрических машин тепловым излучением была спроектирована и изготовлена лабораторная установка, общий вид которой представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Общий вид лабораторного стенда для физического моделирования процессов восстановления изоляции тепловым излучением: 1 - ИК-излучатель; 2 - панель измерений; 3 - прибор для определения терморадиационных свойств изоляции (TermoRad-1); 4 - пирометр (ADA); 5 - выдвижные панели с ИК-излучателями различных типов и видов
VA? ИЗВЕСТИЯ Транссиба 29
Основная часть оборудования стенда и его пускозащитная аппаратура смонтированы на стеллаже 2 (см. рисунок 5). В верхней части стенда предусмотрена вытяжная вентиляция, предназначенная для удаления паров растворителей пропитанной изоляции. В нижней части стенда установлен шкаф 5, в котором расположены различные виды ИК-излучателей.
ИК-излучатель монтируются к закрепленному на стенде ИК-облучателю 1 при помощи специальной крепежной скобы. Расстояние от ИК-излучателя до медной подложки, на которую устанавливается изоляционная лента, регулируется при помощи подвижной алюминиевой рамы и варьируется в диапазоне от 0 до 45 см. Плотность излучения изменяется при помощи регулятора мощности типа NF245.
Стенд позволяет осуществлять физическое моделирование технологии восстановления изоляции и получать основные характеристики в процессе взаимодействия системы «облучатель - материал».
В дальнейшем планируется проведение работы по математическому моделированию с применением современных программных комплексов по инженерному анализу корпорации MSC Software. В связи с этим на представленном лабораторном стенде будет проверяться сходимость математических моделей с реальными экспериментальными результатами.
Список литературы
1. Худоногов, А. М. Инновационная технология повышения и продления ресурса тягового подвижного состава [Текст] / А. М. Худоногов, Е. М. Лыткина, Е. Ю. Дульский // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск. - 2012. - № 4 (36). - С. 102 - 108.
2. Ваксер, Н. М. Изоляция электрических машин [Текст]: Учебное пособие / Н. М. Вак-сер / Ленинградский политехн. ин-т. - Л., 1985.
3. Ваксер, Н. М. Изоляция электрических машин: Лабораторный практикум [Текст] / Н. М. Ваксер, Л. К. Бородулина, В. В. Старовойтенков / Ленинградский политехн. ин-т. - Л., 1994. - 72 с.
4. Белассел, М.-Т. Емкостные параметры и перенапряжения в обмотке асинхронного двигателя, питаемого от ШИМ-преобразователя [Текст] / М.-Т. Белассел, В. Я. Беспалов, Ш. Бухемис // Электротехника. - 2005. - № 1. - С. 44 - 48.
УДК 621.316.97
К. В. Авдеева, А. А. Медведева, Н. К. Слептерева
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ТРЕХ ОДНОПРОВОДНЫХ ЛИНИЙ С УЧЕТОМ ИХ ВЗАИМНОГО ВЛИЯНИЯ
В статье приводится решение системы уравнений для расчета тока и напряжения трех однопроводных линий с учетом их взаимного влияния.
В электроснабжении, телемеханике и связи на железнодорожном транспорте широко используются электрические линии различных конструкций, которые работают в условиях взаимных влияний, а также влияния со стороны электротяги и линий электропередачи. Любая такая линия может быть представлена как однопроводная или как сочетание п однопро-водных линий в зависимости от конструкции. Переход энергии с одной линии на другую обеспечивается за счет электромагнитных связей между отдельными проводниками. Таким образом, наличие соседних линий, проходящих параллельно рассматриваемой, ведет к изменению распределения токов и напряжений во всех линиях.
Решение системы уравнений для токов и напряжений для двух однопроводных линий с учетом их взаимного влияния представлено в работе [1, 2]. Поскольку в системе электро-
30 ИЗВЕСТИ Я Транссиба №.1!1.7)
