CC BY
58
УДК 621.333-19(045)
Оценка ресурса и характеристик изоляции тяговых двигателей локомотивов методом ускоренного теплового старения
Д. И. Прохор, Н. В. Грачев
АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), Российская Федерация, 140402, Московская обл., Коломна, ул. Октябрьской революции, 410
Для цитирования: Прохор Д. И., Грачев Н. В. Оценка ресурсов и характеристик изоляции тяговых двигателей локомотивов методом ускоренного теплового старения // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 18. - Вып. 1. - С. 80-94. 001: 10.20295/1815-588Х-2021-1-80-94
Аннотация
Цель: Описание эквивалентного режима ускоренного теплового старения системы изоляции электрических машин для подтверждения ресурса, соответствующего заданным сроку и условиям эксплуатации. Методы: Эквивалентный режим ускоренного теплового старения был определен исходя из правила Монтзингера и опробован при выполнении научно-исследовательской опытно-конструкторской работы (НИОКР) по разработке, изготовлению и проведению комплекса стендовых и эксплуатационных испытаний системы изоляции повышенного класса нагревостойкости тепловозного тягового двигателя. Результаты: Выявлена актуальность выполнения НИОКР, вследствие выполнения которой и потребовалась реализация идеи, основанной на утверждении о сокращении ресурса изоляции электрических машин при превышении допустимых нагревов на 8-12 °С к различным видам изоляционных материалов. Представлены преимущества излагаемого метода по отношению к традиционным решениям такой задачи, а также охарактеризованы улучшенные потребительские свойства тягового электродвигателя тепловоза с замененной системой изоляции повышенного класса нагревостойкости. Как правило, экспериментальные испытания и данные опытной эксплуатации являются приемлемой основой для термической оценки электроизоляционных материалов. Однако при этом важно помнить о соблюдении критерия научности и не использовать в анализе результаты испытаний разных типов. На основе мирового опыта диагностики дополнительных параметров изоляции для контроля состояния параметров изоляции определена и практически подтверждена возможность внедрения приборов контроля изоляции серии «Доктор». В совокупности с результатами последующих эксплуатационных испытаний, контроль изоляции при которых проводился также при помощи данных мобильных приборов, утверждается, что после соответствующих исследовательских работ, благодаря мобильным устройствам серии «Доктор», возможно осуществлять предиктивную аналитику выхода из строя тяговых электродвигателей (ТЭД) в любых условиях эксплуатации. Определено и применено на практике функциональное значение ТЭД. Разработанная специалистами АО «ВНИКТИ» система изоляции класса «Н» выполнена в основном на базе изоляционных материалов производства АО «Холдинговая компания "Элинар"», в качестве пропиточного материала применяется компаунд «Элпласт 180 ИД» (АО «Электроизолит») или его аналог «Элком-180» (АО «Холдинговая компания "Элинар"»), для якорных катушек и уравнителей - обмотанный провод ППИПК-2 в полиимидно-фторопластовой изоляции (ГК «Москабельмет»). Практическая значимость: Констатируется, что все стадии изготовления и испытаний, определенные на начальной стадии НИОКР, подтвердили результаты этапов разработки (капитальный ремонт (изготовление) опытных образцов ТЭД с использованием новой системы изоляции по конструкторской документации АО «ВНИКТИ»), а стендовые испытания - типовые характеристики, заданный ресурс и характеристики изоляции при эквивалентном ускоренном тепловом старении, соответствующем сроку работы электродвигателя 20 лет в рядовой эксплуатации на тепловозе, остаточный ресурс элементов системы изоляции натурально вырезанных сегментов якоря, катушек главных и добавочных полюсов. В специализированной лаборатории АО «Холдинговая компания "Элинар"» изготовлен опытный тепловозокомплект ТЭД с исследуемой системой изоляции и осуществлена его
установка на две секции магистрального тепловоза 2ТЭ116. Эксплуатационные испытания опытного тепловозокомплекта ТЭД в условиях эксплуатации прошли успешно.
Ключевые слова: Тяговый электродвигатель, изоляция, тепловое старение, остаточный ресурс, дополнительные параметры изоляции, применение приборов серии «Доктор-060М» для контроля изоляции.
Введение
Улучшению потребительских характеристик локомотивов и увеличению периода межремонтного обслуживания их сборочных частей в ОАО «РЖД» придается первостепенное значение. И хотя почти повсеместно производители новых тепловозов переходят на двигатели - аналоги ЭД133 с классом нагревостойкости «Н», количество таких двигателей не всегда удовлетворяет техническим потребностям ОАО «РЖД». Использование двигателей типа ЭД118 (классов нагревостойкости «F» и «F/H») в ремонтном цикле остается пока еще актуальным.
Оздоровление локомотивного парка через заводские ремонты и модернизацию энергопотребляющих систем - стратегическая задача. Энергопотребляющими системами локомотивов в первую очередь являются тяговые силовые цепи. Анализ технического состояния локомотивного парка ОАО «РЖД», проводимый ежегодно Департаментом локомотивного хозяйства, показывает, что из узлов силовых цепей локомотивов недостаточно надежны электрическая аппаратура и тяговые электродвигатели (ТЭД). Их критическое состояние чаще проявляется в межремонтные периоды эксплуатации локомотивов, чем во время выполнения планово-предупредительных ремонтов, и в конечном счете поступающие на заводские виды ремонта локомотивы имеют не более 30 % ТЭД, установленные при постройке или на предыдущих «тяжелых» видах ремонта.
Анализ неисправностей ТЭД локомотивов показывает, что более 53 % неисправностей приходится на низкое качество изоляции, из них 43 % составляют межвитковые замыкания и пробои изоляции, из-за чего не обеспечивается их требуемый ресурс до смены изоляции на
среднем или капитальном ремонте. При этом в большинстве случаев причиной недостаточности ресурса систем изоляции являются температурные воздействия на изоляцию обмоток ТЭД при поездной работе.
Снижение температурного воздействия за счет повышения мощности охлаждающих систем ТЭД локомотива приведет к ухудшению его энергоэффективности, уменьшению КПД и полезного использования мощности на тягу, а на существующих локомотивах это технически невозможно без критичных изменений конструкции ряда систем ТЭД.
Данная проблема имеет принципиальное решение, благодаря которому фактическое состояние системы изоляции ТЭД не только станет достаточным для реализации требований периодичности ремонтов по замене изоляции при различных условиях эксплуатации, но и будет иметь ресурсный запас для возрастающих критериев использования и загрузки локомотивов. Это решение заключается в использовании системы изоляции нагревостойкости двумя классами выше, чем минимально допустимый класс по ГОСТ 8865-93 [1], определенный исходя из средневзвешенной эксплуатационной температуры нагрева изоляции ТЭД.
В настоящее время на отечественных предприятиях разработаны и освоены в производстве изоляционные материалы, рассчитанные на применение в системах изоляции электрических машин класса «Н» (180 °С) и выше. И все вновь создаваемые и модернизируемые системы изоляции требуют опробования этих материалов и комплексных испытаний.
Многие электроизоляционные материалы, относящиеся к одному основному типу, поставляются в модификациях с разной нагре-востойкостью. Следовательно, общая химиче-
ская природа электроизоляционного материала не характеризует их термические возможности. При использовании изоляции в электротехнических изделиях характеристики нагревостой-кости отдельных материалов могут меняться в зависимости от их комбинации. Кроме того, на-гревостойкость изоляции в электротехнических изделиях также сильно зависит от конкретных функций, возложенных на них.
Испытание материалов, предназначенных для применения в электротехнических изделиях, включает в себя оценку материала, предназначенного для использования в системе изоляции в качестве компонента, а также материала, используемого отдельно или в качестве составляющей простой комбинации в системе изоляции.
Как правило, экспериментальные исследования и данные опытной эксплуатации являются приемлемой основой для термической оценки электроизоляционных материалов. Однако при этом важно помнить о соблюдении критерия научности и не использовать в анализе результаты испытаний разных типов.
Данное решение было успешно реализовано специалистами АО «ВНИКТИ» в НИОКР «Разработка системы изоляции повышенного класса нагревостойкости для тепловозных тяговых электродвигателей типа ЭД118, обеспечивающей повышение надежности и ресурса», результаты которого были приняты и высоко оценены заказчиком (АО «Желдорреммаш»), а разработанный в ходе НИОКР комплект конструкторской документации передан на хранение в ПКБ ЦТ - филиал ОАО «РЖД».
По результатам законченных НИОКР в АО «ВНИКТИ» разрабатываются и внедряются узлы и агрегаты для вновь создаваемых и находящихся в эксплуатации локомотивов, грузовых вагонов и путевых машин. Продукция института сопровождается в процессе эксплуатации не только в гарантийный период, но и в течение последующего срока службы.
Созданные в институте экспериментальная база и школа научно-конструкторских кадров позволяют проводить научные исследования, разработку, изготовление и всесторонние
испытания тягового подвижного состава, вагонов и путевых машин и их отдельных узлов и систем. Имеется свыше 40 стендов для различных видов испытаний, включая климатические и вибрационные, специализированные вагоны-лаборатории для проведения динамико-прочност-ных, тягово-теплотехнических, электротехнических, тормозных, виброакустических испытаний локомотивов, вагонов и путевых машин.
Условия возникновения задачи поиска метода ускоренного теплового старения
Разработанная специалистами АО «ВНИК-ТИ») система изоляции класса «Н» выполнена в основном на базе изоляционных материалов производства АО «Холдинговая компания "Элинар"», в качестве пропиточного материала применяется компаунд «Элпласт 180 ИД» (АО «Электроизолит») или его аналог «Элком-180» (АО «Холдинговая компания "Элинар"»), для якорных катушек и уравнителей - обмотанный провод ППИПК-2 в поли-имидно-фторопластовой изоляции (ГК «Мо-скабельмет»).
Применение на электродвигателях типа ЭД118 современных изоляционных материалов класса «Н» совместно с пропиточным компаундом при той же производительности вентиляторов охлаждающих устройств тяговых двигателей позволяет:
- снизить перегревы обмоток относительно нормируемых для данного класса изоляции примерно на 20-30 °С при прежних токовых нагрузках двигателя и повышенной теплопроводности системы изоляции класса «Н», что обеспечит срок службы изоляции не менее 20 лет для штатной эксплуатации на тепловозах;
- повысить длительную силу тяги тепловоза примерно на 10 % при увеличении тока продолжительного режима и момента, а в режимах ограниченной продолжительности эти показатели могут быть еще выше.
Основные параметры ТЭД ЭД118 класса и полученные в результате разработки системы класса «Н» указаны в табл. 1.
Для подтверждения заявленных характеристик и технологической пригодности на заводских видах ремонта потребовался комплекс мероприятий, испытаний и проверок опытной системы изоляции на начальных этапах:
- капитальный ремонт (изготовление) опытных образцов ТЭД с использованием новой системы изоляции по конструкторской документации АО «ВНИКТИ»;
- стендовые испытания подтверждения типовых характеристик по ГОСТ 2582-2013 [2];
- подтверждение заданных ресурса и характеристик изоляции при эквивалентном ускоренном тепловом старении, выполненное на натурных образцах ТЭД, соответствующем сроку их работы в течение 20 лет в рядовой эксплуатации на тепловозе, что является нетипичным и стало причиной поиска соответствующего решения данной задачи;
- подтверждение остаточного ресурса элементов системы изоляции натурально вырезанных сегментов якоря, катушек главных и добавочных полюсов в специализированной лаборатории АО «Холдинговая компания "Элинар"».
Для подтверждения эксплуатационной пригодности опытной системы изоляции был изготовлен тепловозокомплект опытных ТЭД с исследуемой системой изоляции. Опытные ТЭД были установлены на двух секциях магистрального тепловоза 2 ТЭ116, эксплуатируе-
мого в депо Дно и депо Выборг Октябрьской железной дороги.
Капитальный ремонт двух электродвигателей ЭД118 А (заводские номера 52072 и 52076) с установкой изоляции класса «Н» проведен в условиях Ярославского электровозоремонтного завода (ЯЭРЗ) в соответствии с действующими правилами ремонта электрических машин тепловозов и принятыми технологическими процессами, а также с учетом дополнительных требований конструкторской документации на систему изоляции класса «Н» с проведением заводских приемосдаточных испытаний, что подтвердило технологическую пригодность опытной системы изоляции (рис. 1).
После ремонта двигатели были доставлены в АО «ВНИКТИ» для проведения типовых и уникальных испытаний на подтверждение заданного ресурса и характеристик изоляции при эквивалентном ускоренном тепловом старении, соответствующем сроку работы ТЭД. Результаты успешного проведения типовых испытаний приведены в табл. 1.
В условиях выполнения НИОКР было определено, что для ТЭД с новой системой изоляции должен быть подтвержден ресурс, соответствующий штатной эксплуатации тепловоза в течение 20 лет.
Применение шаблонных секций при испытаниях ресурса, согласно ГОСТ 14950-75 [3], является более сложным и затратным, чем описываемый эквивалентный метод, а сами шаблонные секции не могут в точности повторить укладку,
ТАБЛИЦА 1. Основные параметры работы ТЭД типа ЭД118
Параметр Продолжительный режим Часовой режим
Класс «F» Класс «H»
Подведенная мощность, кВт 333 390
Расход охлаждающего воздуха, м3/с 1,3
Ток якоря, А 720 780 850
Вращающий момент, Нм 4984 5494 6112
Допустимая расчетная сила тяги шестиосного тепловоза, кгс 24 500 27 000 30 000
Увеличение расчетной силы тяги, % - 10,2 22,6
Рис. 1. Приемосдаточные испытания ТЭД типа ЭД118А с изоляцией класса «Н» после ремонта на ЯЭРЗ
посадки и зазоры уложенной изоляции и проводов в реальном двигателе, в связи с чем и было выбрано решение по выполнению ресурсных испытаний на натурном образце ТЭД с его самонагревом под нагрузкой. Допустимость проверки ресурса на натурных образцах электрических машин была подтверждена Л. М. Берн-штейн [4].
По сравнению с испытаниями систем изоляции на макетах по ГОСТ 10518-88 [5] и ГОСТ 14950-75 [3] испытания, осуществленные специалистами АО «ВНИКТИ», менее удобны и ограничивают выборку образцов, но позволяют получить более точные сведения о ресурсе именно системы изоляции при проведении цикла ускоренного теплового старения, достигаемого повышенными нагрузками, током возбуждения и ограничением количества охлаждающего воздуха, с последующим выдерживанием двигателя в камере влажности при температуре 20 ± 5 °С и относительной влажности 100 % (конденсация влаги) в течение 48 ч.
Уникальность требуемых испытаний заключалась в следующем:
- тепловое старение изоляции выполнялось на двигателе в сборе, что является абсолютным и прямым измерением и натурно характеризует совокупность примененных изоляционных материалов как законченную, финализированную систему, с которой ТЭД будут использоваться в реальной эксплуатации;
- испытаниями подтверждался тепловой ресурс заданного значения всей совокупности системы изоляции, соответствующий 20 годам штатной эксплуатации ТЭД в составе магистрального грузового тепловоза, а не фатальное значение конечного ресурса элементов системы изоляции;
- благодаря применению эквивалентного ускоренного режима теплового старения эксплуатационный цикл штатной общесетевой работы на локомотиве продолжительностью в 20 лет испытуемому двигателю удалось «прожить» за 14 дней в круглосуточном режиме.
Решение задачи поиска метода ускоренного теплового старения. Выбор режима
Штатные электродвигатели типа ЭД118 (А, Б) широко применяются на магистральных и маневровых тепловозах с классом изоляции «Б» (155 °С). Срок службы изоляции этого класса в электродвигателях до замены на капитальном ремонте исчисляется продолжительностью в 12 лет.
Для штатных электродвигателей такого типа номинальный ток продолжительного режима составляет 720 А. В результате расчетных исследований электродвигателей с разработанной системой изоляции класса «Н» по допустимому нагреву возможна реализация тока продолжительного режима на уровне 780 А и тока часового режима на уровне 850 А.
Допустимое увеличение тока двигателей типа ЭД118 с системой изоляции класса «Н» в продолжительном режиме и режимах ограниченной продолжительности позволяет обеспечить повышенные тяговые свойства тепловозов, в частности тепловозов 2 ТЭ116 с системой поосного регулирования силы тяги.
По данным на период разработки рассматриваемой системы изоляции по сети ОАО «РЖД» средний пробег грузового магистрального тепловоза за год составил 150 тыс. км, средняя техническая скорость тепловоза - 42,5 км/ч. Таким образом, наработка ТЭД за год будет равна: 150 000/42,5 = 3529,41 ч. За 20 лет эксплуатации ТЭД будет иметь наработку: 3529,41 • 20 = = 70 588,24 ч [6].
Продолжительность различных токовых нагрузок для двигателя ЭД118 и влияние изменения температуры воздуха окружающей среды в рядовой эксплуатации ТЭД в течение года определены в соответствии с [7].
В качестве базовых приняты данные эксплуатации ТЭД ЭД118 Б грузовых магистральных тепловозов во многих климатических зонах работы локомотива при штатном охлаждении [7], которые были получены на основе экспериментальных поездок тепловозов с поездами
со средним весом 4240 т, что остается достаточно актуальным и в настоящее время. При этом учитывалась длительность как применения различных значений тока, так и действие разных температур окружающей среды. Согласно расчетам [7], ресурс изоляции ТЭД именно по фактору теплового старения изоляции для разных климатических зон средневзвешенно составляет 56-57 лет. Штатные ТЭД имели нагревостой-кость изоляции класса «Б».
Исходя из этих данных, найдем эквивалентную температуру изоляции двигателя в эксплуатации, соответствующую ресурсу 56 лет для изоляции класса «Б». Для этого определим наработку в часах за 56 лет с использованием полученной ранее годовой наработки. Она составит 197 646,96 ч.
Согласно правилу Монтзингера [7],
8-8,
(1)
Д = А-2 Ае
В (1) - срок службы изоляции при работе с температурой 01, при которой требуется оценка ресурса изоляции; Б - эмпирический срок службы изоляции при действующей температуре 9; Д9 - увеличение температуры, при котором срок службы изоляции данного класса сокращается в 2 раза (от 8 до 12 °С).
Применяем правило Монтзингера для определения эквивалентной температуры нагрева изоляции ТЭД относительно 91:
01 = 0н - Д0 ■ log2 ДД).
(2)
В (2) 91 - температура нагрева изоляции, при которой она сможет работать в течение требуемого срока; Б - требуемый срок службы изоляции (56 календарных лет в часах работы); Б9 - базовый ресурс ТЭД при температуре 9н = = 155 °С [5].
При подстановке в выражение (2) исходных данных для изоляции класса «Б» (Б9 = 20 000 ч; Б91 = 197 600 ч; 9н = 155 °С; Д9 = 10 °С) получим, что 91 = 121,95 °С.
Зависимость срока службы изоляции от ее температуры приведена на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость срока службы изоляции от ее температуры при работе ТЭД 3529,41 ч/год
В соответствии с поставленной задачей установим для гарантированного подтверждения ту часть ресурса изоляции, которая соответствует 20 годам эксплуатации ТЭД при полученной эквивалентной температуре штатной эксплуатации на тепловозах. Определим эквивалентное значение температуры изоляции класса «Н», при котором изоляция может быть состарена за приемлемый срок стендовых испытаний -14 дней (336 ч) аналогично тепловому старению за 20 лет эксплуатационной работы ТЭД на тепловозе. Согласно представленным выше расчетам, наработка в часах за этот срок составляет 70 588,24 ч, эквивалентная эксплуатационная температура изоляции - 121,95 °С. Температура эквивалентного режима ускоренного старения изоляции класса «Н» устанавливалась исходя из продолжительности стендовых испытаний 336 ч, для чего было применено правило Монт-зингера, справедливость которого для изоляции класса «Н» была подтверждена на основе исследований кремний-органических смол, при этом Д9 = 10 °С [7]:
91 = 9н - Д9 • (ад) =
= 121,95-10 • (336/70588,24) =
= 199,09 ~ 200 °С. (3)
Таким образом, температура эквивалентного теплового старения изоляции для заданных условий эксплуатации в течение 20 лет составила 200 °С. При испытании системы изоляции на натурных образцах ТЭД в сборе проводили с непосредственным нагружением на реостат.
Практическая реализация решения на стенде
При испытаниях температура якоря, главных и добавочных полюсов контролируется термопарами типа ХК, индикаторами максимальной температуры «Интем» и бесконтактным прибором марки ТМ-908, измеряющим температуру по инфракрасному излучению нагретых поверхностей электродвигателя. Термопары закрепляются (приклеиваются) на поверхности главных и добавочных полюсов - в четырех точках на разных полюсах. Индикаторы максимальной температуры «Интем» устанавливаются на по-
Рис. 3. Стенд испытания системы изоляции на натурных образцах в сборе: 1 - опытный ТЭД типа ЭД118А; 2 - регулируемая вентиляторная установка; 3 - дополнительная регулирующая заслонка распределения охлаждающего потока;
4 - микроманометр
люсах, зубцах и бандажах якоря. После остановки двигателя с помощью переносного прибора ТМ-908 фиксируется нагрев коллектора, бандажа якоря и полюсов (дополнительно к показаниям термопар и индикаторов).
Цикл ускоренного теплового старения проводится методом непосредственного нагружения испытуемого двигателя ЭД118 с системой изоляции класса «Н». В качестве нагрузки применен второй электродвигатель ЭД118 с системой изоляции класса «Н», работающий в режиме генератора. Принципиальная схема стенда приведена на рис. 4.
Испытываемый двигатель включался в работу при уменьшенном количестве охлаждающего воздуха. Количество требуемого охлаждающе-
го воздуха и величина нагрузки определяются опытным путем.
Во время проведения цикла теплового старения температура наиболее нагретых частей машины (главные полюса) поддерживалась на уровне 200 ± 5 °С.
В процессе регулирования тока нагружаемого двигателя и расхода охлаждающего его воздуха максимальный наблюдаемый режим по току работы стенда при поддержании температуры наиболее нагретых частей двигателя ТЭД1 около 200 °С (200 ± 5 °С) не превышал значений, представленных в табл. 2.
Выбранный режим самонагрева испытываемого ТЭД определялся опытным путем и был наиболее энерговыгодным, позволяющим как
ТАБЛИЦА 2. Основные параметры ТЭД типа ЭД118 класса нагревостойкости «Н»
при тепловом старении изоляции
ТЭД 1 (испытуемый) ТЭД 3 (нагрузка) n , об/мин дв'
Ц, В Iv А "^возб 3, А I „ А як 3' U , В як 3
177 350 300 277 188 240
поддерживать заданную температуру, так сохранять его составные части (коллектор, мотор-ноякорные подшипники) в исправном состоянии.
Цикл выдерживания электродвигателя в камере влажности проводится только после завершения цикла теплового старения изоляции ТЭД. Перед установкой в камеру влажности двигатель нужно выдержать не менее суток в нормальных климатических условиях:
- температура воздуха плюс 25 ± 10 °С;
- относительная влажность воздуха 40-80 %;
- атмосферное давление 630-800 мм рт. ст.
Это требуется для выравнивания температуры
двигателя с температурой окружающей среды.
Электродвигатель был помещен в камеру влажности с температурой 20 ± 5 °С и относительной влажностью 100 % (конденсация влаги) на 48 ч. По завершении цикла выдерживания электродвигателя в камере влажности не более чем через 15 мин после высыхания конденсата на открытых токоведущих частях ТЭД был включен в работу в режиме холостого хода при напряжении 50 В, после чего в течение 1 ч демонстрировал полную работоспособность.
По завершению ресурсных испытаний испытуемый образец был разобран для визуального осмотра, в ходе которого дефектов изоляции, вспучиваний и деформации обмоток выявлено не было.
Проверка остаточного ресурса в физико-химической лаборатории АО «Холдинговая компания "Элинар"» [8] показала, что при проведении циклических испытаний образцов в течение 960 ч при 230 °С и 80 ч при испытательном напряжении 1,5 кВ (50 Гц) не было зафиксировано ни одного случая пробоя изоляции образцов, что свидетельствует о ресурсе системы изоляции, превышающем 20 тыс. ч при базовом воз-
действии температуры 180 °С (Н) и рабочем напряжении 1 кВ.
Контроль изменения состояния изоляции при эквивалентном тепловом старении
При проведении испытаний производился контроль сопротивления изоляции, а также измерения других параметров изоляции при помощи мобильных приборов «Доктор-060 М» и «Доктор-060Z» [9]:
- коэффициента абсорбции;
- возвратного напряжения;
- емкости и тангенса диэлектрических потерь.
Охарактеризуем приведенные параметры.
Коэффициент абсорбции. При приложении к изоляционной конструкции постоянного напряжения возникает кратковременный импульс тока заряда геометрической емкости, медленно затухающий ток заряда абсорбционной емкости и постоянный ток, определяемый проводимостью, что показывает степень увлажнения и неоднородность изоляции. Коэффициент абсорбции -это величина, равная отношению сопротивления изоляции по результатам измерения на 15-й и 60-й секундах после подачи напряжения на объект (К = Л. Высокие значения (Я„ >
4 а 60 157 4 60
Я15; Ка > 1) свидетельствуют о том, что изоляция не содержит влаги, она сухая и не имеет явно выраженных дефектов. По мере старения изоляции коэффициент абсорбции снижается.
Возвратное напряжение. О степени старения изоляции можно судить по характеру процессов поляризации диэлектрика, которые определяются возвратным напряжением. Изоляция в течение минуты заряжается постоянным напряжением, чтобы в ней накопился заряд абсорб-
ции. Затем изоляция отключается от источника и замыкается накоротко на очень малый промежуток времени, за который емкость полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный внутри изоляции, остается. За счет этого заряда на изоляции медленно возрастает напряжение, которое называют возвратным. По величине возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции. У изоляции высокого качества значение возвратного напряжения высокое, с уменьшением качества изоляции значение возвратного напряжения уменьшается.
Емкость изоляции электрическая. Емкость изоляции также позволяет оценивать ее качество: степень увлажнения изоляции, загрязнение, местное разрушение. Увеличение емкости у сухой изоляции говорит о развитии в изоляции перечисленных дефектов.
Тангенс диэлектрических потерь. Тангенс диэлектрических потерь характеризует удельные диэлектрические потери на единицу физической емкости диэлектрика при данных величинах приложенного переменного напряжения и его частоты. Увеличение значения тангенса говорит о росте потерь (в изоляции появились новые дефекты или получили развитие старые).
Результаты замеров дополнительных параметров изоляции испытуемых двигателей до и после испытаний приведены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что параметры изоляции ТЭД 1, находящегося в режиме эквивалентного ускоренного теплового старения 14 дней, ухудшились, что и следует предполагать для двигателя, эксплуатируемого в течение 20 лет.
Это подтверждает адекватность и правильность выбора средств контроля состояния изоляции испытываемых объектов, а также возможность применения приборов «Доктор-060 М» и «Доктор-060Z» для контроля дополнительных параметров изоляции ТЭД в дальнейшем.
В совокупности с результатами последующих эксплуатационных испытаний, контроль изоляции при которых осуществлялся также данными мобильными приборами, считаем, что после проведения соответствующих исследовательских работ с помощью указанных устройств можно осуществлять предиктивную аналитику выхода из строя ТЭД в любых условиях эксплуатации, что возможно выполнить при системном контроле на плановых видах ремонта в условиях сервисного депо.
Заключение
Определен и опробован метод теплового старения системы изоляции электрических машин
ТАБЛИЦА 3. Результаты замеров дополнительных параметров изоляции
Объект и время замера Сопротивление изо-ляцииR , из3 МОм Коэффициент абсорбции К, Ед а' ^ Возвратное напряжение U , В воз7 При частоте 1000 Гц
Емкость C, нФ Тангенс угла потерь D, мЕд
До испытаний ТЭД 1 (испытуемый) 59,21 0,993 36 38,83 1,9690
ТЭД 3 (генератор) 25,20 0,998 52 40,44 1,5570
После испытаний ТЭД 1 (испытуемый) 23,50 0,800 4 12,83 2,8370
ТЭД 3 (генератор) 170,00 1,400 36 39,55 0,8694
для подтверждения ресурса на натурных образцах, соответствующего заданным сроку и условиям эксплуатации.
Рассматриваемый метод является более натурализованным и менее сложным, чем метод применения шаблонных секций, а также способен дать качественную оценку укладке, посадкам и зазорам уложенной изоляции и проводов в реальном двигателе.
Метод успешно опробован в выбранном режиме ускоренного теплового старения изоляции класса «Н» электродвигателя ЭД118 для ресурса, соответствующего сроку работы электродвигателя 20 лет в рядовой эксплуатации на тепловозе.
Применение описанного метода позволяет получить результаты реального физического состояния системы изоляции в ТЭД для условий контролируемого ресурса.
Подтверждена возможность контроля состояния изоляции при ресурсных испытаниях натурных образцов по дополнительным параметрам изоляции - коэффициенту абсорбции, возвратному напряжению, емкости изоляции и значению тангенса диэлектрических потерь, которые в настоящее время не нормированы. Для выполнения предиктивной аналитики состояния изоляции ТЭД по ее дополнительным параметрам в эксплуатации требуются дополнительные исследовательские работы в условиях сервисного депо.
Для выполнения последующих эксплуатационных испытаний [10] на Октябрьской железной дороге, на Воронежском тепловозоре-монтном заводе был изготовлен опытный тепло-возокомплект ТЭД, который был установлен на две секции тепловоза 2 ТЭ116У-1431 при выполнении капитального ремонта.
Рассмотрение результатов эксплуатационных испытаний данной системы изоляции повышенного класса нагревостойкости для тепловозных ТЭД типа ЭД118, обеспечивающей повышение надежности и ресурса, а также ее промышленное применение будет являться темой отдельной статьи.
Библиографический список
1. ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84). Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 6 с.
2. ГОСТ 2582-2013. Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия (с Поправкой, с Изменением № 1). - М. : Стандартин-форм, 2014. - 54 с.
3. ГОСТ 14950-75. Конструкция изоляции электрических машин с предварительно изолированными шаблонными секциями обмотки. Метод определения нагревостойкости (с Изменениями № 1, 2). - М. : Изд-во стандартов, 1982. - 18 с.
4. Бернштейн Л. М. Изоляция электрических машин общепромышленного назначения / Л. М. Бернштейн. - М. : Энергия, 1971. - 368 с.
5. ГОСТ 10518-88. Системы электрической изоляции и другие полимерные системы. Общие требования к методам ускоренных испытаний на нагрево-стойкость (с Изменением № 1). - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 33 с.
6. Отчет о НИР № 27-88-05. - Коломна : АО «ВНИКТИ», 1988. - 243 с.
7. Хвостов В. С. Электрические машины. Машины постоянного тока / В. С. Хвостов ; под ред. И. П. Ко-пылова. - М. : Высшая школа, 1988. - 336 с.
8. Протокол № ЛИ-06-07 «Оценка остаточного ресурса системы изоляции класса нагревостойкости Н модернизированного двигателя ЭД-118». - Наро-Фоминск : ОАО «Холдинговая компания "Элинар"», Служба технического развития ЭИМ, Лаборатория испытаний систем изоляции, 2007. - 7 с.
9. 11 ДК 401163.001 РЭ. Руководство по эксплуатации серии мобильных приборов контроля и диагностики «Доктор-060 М». - Омск : ООО «Омский завод транспортной электроники», 2007. - 60 с.
10. Программа эксплуатационных испытаний опытного комплекта тяговых электродвигателей типа ЭД-118 с изоляцией класса нагревостойкости «Н» в составе тепловоза 2 ТЭ116-1431. - М. : Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД», 2008. - 8 с.
Дата поступления: 15.01.2021 Решение о публикации: 19.01.2021
Контактная информация:
ПРОХОР Денис Иванович - аспирант, зав. отделом газового оборудования и газовых локомотивов конструкторского отделения по подвижному составу; Prohor_Denis@mail.ru
ГРАЧЕВ Николай Валерьевич - аспирант, зав. лабораторией систем управления газовых локомотивов отдела тяговых и вспомогательных статических преобразователей научно-исследовательского конструкторского бюро по электрооборудованию и микропроцессорным системам управления; N_V_grachev@mail.ru
Evaluation of the resource and characteristics of the insulation of traction motors of locomotives by means of accelerated heat aging method
D. I. Prokhor, N. V. Grachev
JSC "Research and Development Institute of Rolling Stock" (JSC "VNIKTI"), 410, October Revolution ul., Moscow region, Kolomna, 140402, Russian Federation
For citation: Prokhor D. I., Grachev N. V. Evaluation of the resource and characteristics of the insulation of traction motors of locomotives by means of accelerated heat aging method. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2021, vol. 18, iss. 1, pp. 80-94. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2021-1-80-94
Summary
Objective: An equivalent mode of accelerated thermal aging of the insulation system of electrical machines is described to confirm the resource corresponding to a given period and operating conditions. Methods: The equivalent mode of accelerated heat aging was determined based on the Montzinger rule and tested in the course of research and development work (R&D) on the development, manufacture and implementation of a set of bench and operational tests of the insulation system of an increased heat resistance class of a diesel locomotive traction motor. Results: The relevance of R&D has been revealed, as a result of which the implementation of the idea was required, based on the statement about the reduction of the insulation resource of electrical machines when the permissible heating is exceeded by 8-12 °C to various types of insulating materials. The advantages of the method presented in the article in relation to traditional solutions of this problem are demonstrated, and also improved consumer properties of the traction electric motor of a diesel locomotive with a replaced insulation system of an increased class of heat resistance are presented. Generally, experimental tests and preliminary operational data are an acceptable basis for thermal evaluation of electrical insulating materials. However, it is important to remember that the scientific criterion is met and not to use the results of different types of tests in the analysis. Based on the world experience in diagnostics of additional insulation parameters for monitoring the state of insulation parameters, the possibility of using the "Doctor" series insulation monitoring devices has been determined and practically confirmed. Together with the results of subsequent operational tests, during which the insulation was also monitored using these mobile devices, it is argued that after carrying out the relevant research work, thanks to the mobile devices of the "Doctor" series, it is possible to carry out predictive analytics of the failure of traction motors (TED) in any operating conditions. The functional value is determined and applied in practice. The "H" class insulation system developed by the specialists of JSC "VNIKTI" is mainly based on insulating materials produced by JSC "Holding Company „Elinar""; the compound "Elplast 180ID" (JSC "Electroizolit") or its analogue "Elkom-180" JSC "Holding company „Elinar""), for anchor coils and equalizers, a wound PPIPK-2 wire in polyimide-fluoroplastic insulation (GC "Moskabelmet") is used. Practical importance: It is stated that all stages of manufacturing and testing, determined at the initial stage of R&D, confirmed the results of the deve-
lopment stages (overhaul (manufacture) of prototypes of TED using a new isolation system according to the design documentation of JSC "VNIKTI"). Bench tests have confirmed typical characteristics, specified resource and insulation characteristics with equivalent accelerated thermal aging corresponding to an electric motor's service life of 20 years in ordinary operation on a diesel locomotive, residual life of elements of the insulation system of naturally cut armature segments, main and auxiliary poles coils. In the specialized laboratory of JSC "Holding Company „Elinar"", an experimental TED diesel locomotive set with the investigated insulation system was manufactured and installed on two sections of the mainline diesel locomotive 2TE116. Operational tests of an experimental TED diesel locomotive set under operating conditions were successful.
Keywords: Traction motor, insulation, heat aging, residual life, additional insulation parameters, use of "Doktor-060M" series devices for insulation monitoring.
References
1. GOST 8865-93 (MEK 85-84). Sistemy elektri-cheskoy izolyatsii. Otsenka nagrevostoykosti i klassi-fikatsiya [GOST 8865-93 (IEC 85-84). Electrical insulation systems. Heat resistance assessment and classification]. Moscow, Izdatel'stvo standartov [Publishing house of standards] Publ., 2003, 6 p. (In Russian)
2. GOST2582-2013. Mashiny elektricheskiye vrash-chayushchiyesya tyagovyye. Obshchiye tekhnicheskiye us-loviya (s Popravkoy, s Izmeneniyem no. 1) [GOST2582-2013. Electric rotating traction machines. General specifications (Amendmended, with amendment no. 1)]. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 54 p. (In Russian)
3. GOST 14950-75. Konstruktsiya izolyatsii elek-tricheskikh mashin s predvaritel'no izolirovannymi shablonnymi sektsiyami obmotki. Metod opredeleni-ya nagrevostoykosti (s Izmeneniyami no. 1, 2) [GOST 14950-75. Insulation design for electrical machines with pre-insulated template winding sections. Method for determination of heat resistance (with amendments no. 1, 2)]. Moscow, Izdatel'stvo standartov [Publishing house of standards] Publ., 1982, 18 p. (In Russian)
4. Bernshteyn L. M. Izolyatsiya elektricheskikh mashin obshchepromyshlennogo naznacheniya [Isolation ofelec-trical machines for general industrial purposes]. Moscow, Energiya Publ., 1971, 368 p. (In Russian)
5. GOST 10518-88. Sistemy elektricheskoy izolyatsii i drugiye polimernyye sistemy. Obshchiye trebovaniya k metodam uskorennykh ispytaniy na nagrevostoykost' (s Izmeneniyem no. 1) [GOST 10518-88. Electrical insulation systems and other polymer systems. General requirements for accelerated heat resistance test methods (with amendment no. 1)]. Moscow, Izdatel'stvo standar-
tov [Publishing house of standards] Publ., 1988, 33 p. (In Russian)
6. Otchet o NIR no. 27-88-05 [Research report N 2788-05]. Kolomna, JSC "VNIKTI" Publ., 1988, 243 p. (In Russian)
7. Khvostov V. S. Elektricheskiye mashiny. Mashiny postoyannogo toka [Electric machines. DC machines]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1988, 336 p. (In Russian)
8. Protokol no. LI-06-07 "Otsenka ostatochno-go resursa sistemy izolyatsii klassa nagrevostoykosti Nmodernizirovannogo dvigatelya ED-118" [Protocol N LI-06-07 "Assessment of the residual life of the insulation system of heat resistance class H of the modernized ED-118 engine"]. Naro-Fominsk, JSC "Holding Company „Elinar"", Sluzhba tekhnicheskogo razvitiya EIM [Technical Development Service of EIM], Laborato-riya ispytaniy sistem izolyatsii [Laboratory for testing insulation systems] Publ., 2007, 7 p. (In Russian)
9. 11 DK 401163.001 RE. Rukovodstvopo eksplua-tatsii seriya mobil'nykh priborov kontrolya i diagnos-tiki "Doktor-060M" [11 DK401163.001 RE. Operation manual for a series of mobile monitoring and diagnostic devices "Doctor-060M"]. Omsk, OOO "Omskiy zavod transportnoy elektroniki" [LLC "Omsk plant of transport electronics"] Publ., 2007, 60 p. (In Russian)
10. Programma ekspluatatsionnykh ispytaniy opyt-nogo komplekta tyagovykh elektrodvigateley tipa ED-118 s izolyatsiyey klassa nagrevostoykosti "H" v sostave teplovoza 2TE116-1431 [Program of operational tests of an experimental set of traction electric motors of ED-118 type with class "H" insulation of heat resistance as part of a diesel locomotive 2TE116-1431]. Moscow, Departa-ment lokomotivnogo khozyaystva OAO "RZHD" [De-
partment of Locomotive Facilities, Russian Railways] Publ., 2008, 8 p. (In Russian)
Received: January 15, 2021 Accepted: January 19, 2021
Authors' information:
Denis I. PROKHOR - Postgraduate Student, Head of the Department of gas equipment and gas loco-
motives of the rolling stock design department; Prohor_Denis@mail.ru
Nikolay V. GRACHEV - Postgraduate Student, Head of the Laboratory of control systems for gas locomotives of the Department of traction and auxiliary static converters of the Research and development bureau for electrical equipment and microprocessor control systems; N_V_grachev@mail.ru
