poster444

Оценка состояния корпусной изоляции тяговых двигателей

Чтобы тяговые электродвигатели (ТЭД), как и другое электрооборудование электровозов, работали безаварийно, их изоляция должна быть надежной. В процессе эксплуатации она, естественно, стареет, ухудшаются ее свойства, электрическая прочность снижается. В некоторых случаях изменение свойств изоляции носит необратимый характер и завершается пробоем. Однако в большинстве случаев последствия старения можно устранить восстановительным ремонтом изоляции.
В связи с этим, во избежание внезапных пробоев и поддержания надежности электрооборудования, состояние изоляции периодически необходимо контролировать, а ухудшение ее свойств компенсировать периодическими планово-предупредительными ремонтами на основе соответствующего цикла с назначенным межремонтным ресурсом. К сожалению, при этом не учитываются реальные условия эксплуатации, профилактика и ремонт ведутся по времени наработки.
Так, согласно Правилам ремонта электрических машин электроподвижного состава тяговые двигатели электровозов периодически в плановом порядке проходят текущий (ТР-3), средний (СР) и капитальный (КР) ремонты. Правила устанавливают следующую последовательность видов ремонта электрических машин в одном цикле от начала эксплуатации (НЭ) (капитального ремонта) до следующего капитального ремонта:
НЭ -» ТР-3 -» СР -» ТР-3 -» КР.
В среднем по сети дорог для электрических машин электровозов норма пробега между видами ремонта устанавливается равной 350 тыс. км ± 20 %.
Текущий ремонт изоляции включает в себя ее чистку, а иногда и пропитку. Средний — чистку, пропитку и сушку. Капитальный ремонт изоляции предусматривает полную ее замену.
Поскольку объем работ при капитальном ремонте значительно больше, чем при среднем, то его стоимость, как правило, на порядок выше. Условия эксплуатации ТЭД не одинаковые, следовательно, не одинаково происходит старение изоляции и не всякий электродвигатель с пробегом 1400 тыс. км обязательно нуждается в замене обмотки. В некоторых случаях оказывается достаточным более дешевый средний ремонт ТЭД, т.е. чистка, пропитка и сушка изоляции обмотки. Особенно актуальной становится такая постановка вопроса в современных условиях, когда ощущается острая нехватка меди и изоляционного материала.
Для того чтобы перейти от системы обслуживания по пробегу к альтернативной — по реальному техническому состоянию, нужны его объективные оценки.
Для этого необходимо разработать новые методы контроля и оценки состояния изоляции электрооборудования. Передовые фирмы мира в последние годы активно внедряют в практику новые методы диагностики с минимальной разборкой электрооборудования, получая при этом больше информации, чем при полной разборке.
Имеющиеся в распоряжении эксплуатационного персонала технические средства диагностики не удовлетворяют полностью перечисленным требованиям. На сегодня нет сравнительно просто реализуемых на практике надежных критериев для заключения о состоянии изоляции. Пригодность корпусной изоляции обмотки якоря ТЭД к дальнейшей эксплуатации определяется мегомметром по величине её сопротивления. Это, конечно, ненадежный критерий. Измерение сопротивления позволяет выявить лишь грубые дефекты. Кроме того, на точность измерения оказывают влияние многие факторы, в том числе увлажнение, загрязнение и т. д.
Эффективность диагностики может обеспечиваться только комплексным характером результатов контроля. Главная цель при этом — выявление наиболее вероятных видов и причин обнаруженных и прогнозируемых неисправностей электрооборудования.
Как показали исследования, проведенные нижегородскими учеными РГОТУПСа и работниками Московского электромеханического ремонтного завода (МЭМРЗ), средняя величина одноминутного значения сопротивления изоляции Ябо якорей тяговых двигателей типа НБ-406, пришедших в ремонт, составляет 336 МОм. После среднего ремонта оно достигает 383 МОм, а после капитального — 260 МОм. Таким образом, приведенные результаты наглядно подтверждают: судить о состоянии изоляции только по величине сопротивления нельзя.
Измерение частичных разрядов, являющихся основной причиной электрического старения внутренней изоляции, дает более объективную информацию. Однако оно очень сложно и имеет малую помехозащищенность и поэтому в основном применимо лишь в лабораториях, т.е. мало пригодно для промышленных условий.
Более объективные критерии оценки состояния можно получить, используя явление абсорбции, т.е. поглощения заряда внутри изоляции при ее подпитке от источника постоянного напряжения. По величине поглощенного заряда, называемого зарядом абсорбции, судят о степени старения изоляции и оставшемся ресурсе ее работы. Величину поглощенного заряда можно определить по току абсорбции. Он наблюдается непродолжительное время после подключения диэлектрика к источнику постоянного напряжения. Ток абсорбции спадает со временем до нуля по экспоненциальному закону, после чего остается постоянный ток сквозной утечки.
Со старением изоляции ток абсорбции уменьшается. Следовательно, по нему можно судить о состоянии изоляции и степени ее старения. Для количественной оценки тока абсорбции измеряют коэффициент последней Ка, равный отношению R6o/Ri5- С уменьшением тока абсорбции ее коэффициент также снижается.
Как показали исследования, у новых тяговых двигателей типа НБ-406 (или прошедших капитальный ремонт с полной заменой обмотки), среднее значение коэффициента абсорбции составило 3,35. После среднего ремонта (промывка, пропитка и сушка изоляции) коэффициент уменьшается до 2,74. У двигателей, пришедших в ремонт (до ремонта и неувлажненных), Ка составил 1,46.
Таким образом, данный коэффициент дает более объективную оценку состояния изоляции по сравнению с величиной ее сопротивления, так как он учитывает заряд абсорбции. Однако контроль последнего по току абсорбции неудобен тем, что этот ток мал, и промышленные помехи сильно его искажают. Измерения осуществляются с большой погрешностью. Кроме того, приходится защищать измерительные приборы от сильного броска тока заряда геометрических емкостей изоляции. Перед измерением токов утечки изоляция должна быть хорошо разряжена, так как имеющийся в ней внутренний заряд может исказить результаты измерения. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения явления абсорбции, например, методом измерения возвратного напряжения.
Опыт, в котором оно наблюдается, состоит в следующем. В течение одной минуты изоляция заряжается при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем источник постоянного напряжения отключается, и электроды изоляции замыкаются на очень малый промежуток времени Dt, после чего вновь размыкаются. За время Dt геометрическая емкость полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный внутри изоляции, остается практически неизменным. За счет данного заряда на изоляции медленно начинает возрастать напряжение, которое и называют возвратным. Оно сначала возрастает, достигая максиума, а затем постепенно уменьшается. По величине и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции.
Для объективной оценки параметров с использованием явлений абсорбции в Нижегородском филиале РГОТУПС было разработано оригинальное устройство, защищенное авторским свидетельством. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 1.
Оборудование включает в себя: высоковольтный стабилизированный источник питания ВИП с выходным напряжением 1000 В, измеритель тока И1 и напряжения И2, а также два высоковольтных реле Р1 и Р2, которыми управляет система автоматики. Она построена на интегральных микросхемах с применением программируемых запоминающих устройств или микро-ЭВМ. Схема замещения неоднородной изоляции тягового двигателя представлена двумя конденсаторами С1 и С2, зашунтированными резисторами R1 и R2.
Процесс контроля изоляции состоит из четырех циклов. В первом — оба реле обесточены, и изоляция в течение одной минуты разряжается на «землю». Во втором — они срабатывают, и изоляция в течение одной минуты заряжается от источника высокого напряжения. По мере заряда измеряется ее традиционный параметр — сопротивление. В третьем цикле изоляция кратковременно (на протяжении 5 с) разряжается на «землю». В это время оба реле Р1 и Р2 обесточены. В течение данного кратковременного разряда заряды, накопившиеся на геометрической емкости, успевают стечь на «землю», а заряды абсорбции внутри изоляции на границе раздела двух сред стечь на землю не успевают. За счет этих зарядов в четвертом цикле после отключения изоляции от «земли» на ней образуется напряжение, называемое возвратным. Оно представляет собой апериодическую функцию времени, определяемую параметрами R1, R2 и С1, С2. Как показали исследования, наиболее информативной величиной является возвратное напряжение, измеренное через 30 с после отключения изоляции от «земли». Оно обозначается Ub зо-.
С помощью описанного устройства на Московском электромеханическом ремонтном заводе были проведены за¬меры возвратного напряжения тяговых двигателей типа НБ- 406 до ремонта, а также после среднего и капитального. На рис. 2 приведены дифференциальные функции распределения данных тяговых двигателей по величине возвратного напряжения, измеренного на 30-й секунде UB зо для трех случаев: до ремонта, после среднего и по завершении капитального оздоровления.
Для анализа брались выборки возвратного напряжения ТЭД до ремонта (110 шт.), после среднего (196 шт.) и капитального (260 шт.).
Согласно правилам ремонта двигатели после пробега в 700 тыс. км проходят средний ремонт, а с пробегом 1400 тыс. км — капитальный. Однако пропитка обмоток якорей и полюсных катушек двигателей делается не только при среднем ремонте, но в ряде случаев (например, при замене бандажей) и при текущем. В таких случаях текущий ремонт с пропиткой обмотки выполняется не в депо, а на заводе и для изоляции по существу определяется средний ремонт. Таким образом, на МЭМРЗ должны поступать на пропитку тяговые электродвигатели с пробегами 350 тыс. км (350, 700, 1050, 1400). В действительности же двигатели приходят в ремонт как с пробегом меньше 350 тыс. км, так и с перепробегами. Реальные пробеги поступающих в ремонт ТЭД лежат в довольно широких интервалах (±20 %).
Примем первый интервал пробегов равным 350 — 700 тыс. км (середина интервала 525 тыс. км), второй 700 — 1050 тыс. км (середина — 875 тыс. км) и третий 1050 — 1400 тыс. км (середина — 1225 тыс. км.). Три максимума в кривой плотности распределения UB 30 до ремонта при напряжениях 155, 95 и 20 В относятся к разным пробегам и соответствуют средним значениям интервалов 525, 875 и 1225 тыс. км.
Два явных максимума в кривой плотности распределения UB зо по завершении среднего ремонта также относятся к двум средним значениям интервалов пробегов, после которых этот вид ремонта выполняется. Один максимум соответствует отремонтированным двигателям со средним пробегом 525 тыс. км и наблюдается при напряжении UB зо = 215 В, а второй, соответственно, 875 тыс. км и ивзо = =155 В. Кривая распределения UB 30 после капитального ремонта имеет закон, близкий к нормальному, и небольшую дисперсию. Максимум плотности распределения со¬ответствует возвратному напряжению UB 30 = 220 В.
Следует отметить, что корпусная изоляция обмоток тяговых двигателей может быть выполнена несколькими видами материалов. Однако они не столь сильно отличаются по электрическим свойствам. Основное отличие носит технологический характер. С точки зрения статистических оценок состояния изоляции, разница в их параметрах не является значимой.
Полученные кривые дают возможность построить зависимость возвратного напряжения от пробега L и вида ремонта (рис. 3).
Видно, что с увеличением пробега L изоляция стареет и возвратное напряжение снижается. Средний ремонт восстанавливает свойства изоляции и повышает возвратное напряжение примерно на 60 В. После него выполняется капитальный ремонт, причем полностью восстанавливается качество изоляции. На рис. 3 также видно, что у двигателей, имеющих средний пробег 1225 тыс. км, среднестатистическое напряжение UB составляет 20 В. Это говорит о большой изношенности изоляции. Ее свойства нельзя восстановить средним ремонтом и требуется полная замена обмотки.
Вместе с тем, если у двигателя с таким пробегом возвратное напряжение оказывается значительно больше 20 В, то это значит, что изоляция имеет еще значительный запас до полного износа. Ее свойства можно восстановить при среднем ремонте, т.е. пропиткой изоляции и ее сушкой. При этом экономятся дефицитные обмоточные и изоляционные материалы и удешевляется ремонт.
Итак, как показали исследования, о старении изоляции без ее разрушения можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. Это доказывается следующими положениями. С увеличением пробега изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом пробега уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции даже лучше, чем пробивное напряжение.
Дело в том, что пробивное напряжение характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе старения материала увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою диэлектрика при длительном приложении напряжения.
Для каждого вида изоляции существует внутренний ресурс, который характеризуется ее способностью в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию процессов, протекающих при этом. Внутренний ресурс определяется количеством вещества, которое должно быть разрушено для того; чтобы привести к резкому снижению электрических параметров и последующему пробою. Внутренний ресурс у каждого вида новой изоляции — величина постоянная и, естественно, он постепенно уменьшается с ростом пробега. Снижается и возвратное напряжение. Следовательно, величина последнего лучше, чем какой-либо другой параметр, характеризует старение изоляции.
На основании проведенных исследований Департамент локомотивного хозяйства МПС разрешил МЭМРЗу в виде эксперимента для ТЭД, имеющих пробег более 1 млн. км, при достаточно высоком значении UB 30 выполнять вместо капитального ремонта — средний и увеличивать пробег данных двигателей до следующего планового оздоровления. Анализ эксплуатации этого оборудования показал, что ни одно депо не предъявило рекламаций по отремонтированной изоляции и ни один из двигателей не поступил на МЭМРЗ в плановый ремонт. Проведенная экспериментальная работа подтверждает, что возвратное напряжение является надежным критерием оценки состояния изоляции и приборы, позволяющие проводить такую оценку, целесообразно внедрять на электровозоремонтных заводах и в депо сети дорог.
Результаты исследований были доложены и получили одобрение на секции локомотивного хозяйства Научно- технического совета МПС, где рекомендовано разработать, изготовить и внедрить в депо устройства для контроля изоляции ТЭД по возвратному напряжению.

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin