СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТОКОПРОВОДНИКА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF ELECTRIC EQUIPMENT CURRENT CONDUCTOR INSULATION

Изобретение относится к способам диагностирования изоляции токопроводников электрооборудования и может быть использовано для определения диэлектрических свойств изоляции электрических обмоток электродвигателей.
Известны способы контроля состояния изоляции обмоток электродвигателей путем измерения электрического сопротивления изоляции (например, RU 2028639, опубликовано 09.02.1995). Эти способы не позволяют распознавать вид повреждения изоляции.
Наиболее близким к предложенному является способ контроля состояния изоляции обмоток электродвигателей, при котором подают сигнал прямоугольной формы на обмотку и по диагностическим параметрам судят о состоянии изоляции обмоток электродвигателя, в качестве диагностических параметров используют амплитуды первого и второго полупериодов и величины первого и второго периодов затухающего колебательного процесса, при сравнении значений которых с эталонными диагностическими параметрами делают заключение о состоянии изоляции обмоток (RU 2208236 С2, опубликован 20.02.2003). Однако данный способ также не позволяет распознавать вид повреждения изоляции.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способа, обусловленное возможностью распознавания вида повреждения изоляции токопроводника электрооборудования, в частности электрической обмотки тягового двигателя.
Указанный выше технический результат достигается за счет того, что способ диагностирования изоляции электрической обмотки электрооборудования характеризуется тем, что в электрооборудовании подают на электрические выводы токопроводника электрической обмотки электрическое напряжение, измеряют значение величины омического сопротивления токопроводника, после этого измеряют значение величины омического сопротивления токопроводника при обратной полярности поданного электрического напряжения, вычисляют значение абсолютной величины разности измеренных значений омических сопротивлений токопроводника в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы токопроводника, сопоставляют вычисленное значение со значениями абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, соответствующих определенным видам повреждения изоляции токопроводника, по результату сопоставления идентифицируют наличие и вид повреждения изоляции. Это позволяет выдать рекомендации по техническому обслуживанию и эксплуатации диагностируемой обмотки.
При этом состояние изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности измеренных омических сопротивлений токопроводника, равному или менее 4-5% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, идентифицируют как неувлажненную изоляцию токопроводника, не имеющую повреждений и нарушений оплошностей, а состояние изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности измеренных омических сопротивлений токопроводника, более 5-6% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, идентифицируют как влажную изоляцию или как повреждение, характеризующееся нарушением сплошности, структуры, частичными пробоями изоляции.
В частности, повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности измеренных омических сопротивлений токопроводника, равному 7-10% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, идентифицируют как увлажненную изоляцию, а повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности измеренных омических сопротивлений токопроводника, более 10-12% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, идентифицируют как изоляцию с нарушением слоев или частичным пробоем.
Предлагаемый способ предназначен для диагностирования состояния изоляции электрических машин (статора, ротора, якоря, возбуждения, дополнительных полюсов), катушек, реакторов и т.д., в которых токопроводники обмоток выполнены из медных сплавов, а сердечники, на которых расположена обмотка, из электротехнической стали. Данный способ применим как к тяговым двигателям локомотивов железных дорог, так и к общепромышленным электродвигателям, электрогенераторам, трансформаторам и реакторам.
Предложенный способ направлен на диагностирование состояния изоляции обмоток электрических машин (статора, ротора, якоря, возбуждения, дополнительных полюсов), катушек, реакторов и т.п., в которых токопроводники выполнены из медных сплавов, а сердечники, на которые намотана обмотка, из электротехнической стали.
Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1, где показана схема измерения омического сопротивления токопроводника электрической обмотки. На фиг.1 показаны токопроводник 1 электрооборудования, имеющий электрические выводы (контакты) 2 и 3, а также прибор 4 контроля изоляции (например, омметр) с измерительными щупами 5 и 6.
Фактическими аспектами предлагаемого способа диагностирования изоляции электрической обмотки, токопроводник которой выполнен из медного сплава, а сердечник, на который намотана обмотка, - из сплава железа (электротехнической стали), являются следующие процессы и явления.
2+
2+
2+
2+
1. В процессе окислительно-восстановительной реакции происходит переход электронов от восстановителя к окислителю. Так, в паре медь-железо происходит реакция Fe+Сu=Сu+Fe. Здесь восстановитель - железо - отдает электроны - Fe-2е=Fe. Окислитель - ион меди - принимает электроны - Сu+2е=Сu.
При данной окислительно-восстановительной реакции образуется гальваническая ЭДС, которую можно измерить, для дальнейшей обработки и постановки диагноза. Именно на данном принципе и основан предлагаемый метод диагностирования.
2. Функционирование любого гальванического элемента основано на протекании в нем к окислительно-восстановительной реакции. При работе гальванического элемента электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах протекают электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.
3. Аналогичные процессы протекают в расположенной на сердечнике электрической обмотке с увлажненной или нарушенной изоляцией, которые представляет собой гальванические пары железа и меди, разделенные электролитом (влага, содержащая различные примеси, элементы, загрязняющие изоляцию, токопроводящая пыль или продукты повреждения изоляции).
Поскольку гальваническая ЭДС имеет направление, то при измерении омического сопротивления проводника в прямой и обратной полярности измеренные значения будут отличаться от опорного напряжения на величину гальванической ЭДС.
А. Измерительный режим, при котором направление измерительного тока совпадает с направлением гальванической ЭДС.
ом
ом
При измерении сопротивления омметр (прибор 4) создает опорное (тестовое) напряжение U на измеряемом контуре (токопроводник 1), при этом по цепи протекает ток I, который определяется равенством [1].
ом
где U - опорное напряжение, создаваемое омметром. В;
гал
E - гальваническая ЭДС, возникающая в результате электрохимических процессов, описанных в п.1, В;
об
R - искомое сопротивление обмотки. Ом.
Б. Измерительный режим, при котором направление измерительного тока противоположно направлению гальванической ЭДС.
ом
ом
При измерении сопротивления омметр (прибор 4) создает опорное (тестовое) напряжение U на измеряемом контуре (токопроводник 1), при этом по цепи протекает ток I, который определяется равенством [2].
ом
где U - опорное напряжение, создаваемое омметром, В;
гал
E - гальваническая ЭДС, возникающая в результате электрохимических процессов, описанных в п.2, В;
об
R - искомое сопротивление обмотки, Ом.
гал
ом
Гальваническая ЭДС E составляет 0,4-0,5% от опорного напряжения омметра U.
ом
об
Таким образом, на основании формул расчета [1, 2] ток I, протекающий по измеряемой цепи при прямой и обратной полярности подключения омметра, будет различен, а следовательно, и рассчитанные омметром значения сопротивления R измеряемой обмотки также будут отличаться при возникновении гальванической ЭДС вследствие увлажнения изоляции.
4. Если изоляция сухая и не имеет повреждения, то в ней не возникает гальваническая ЭДС, и при измерении омического сопротивления токопроводника на разных полярностях подключения диагностического прибора показания будут отличаться в пределах не более 4-5%.
5. Если же изоляция влажная или имеет повреждения (нарушение сплошности, структуры, частичные пробои), то появляется разность при замерах омического сопротивления в режимах прямой и обратной полярности более 5-6%, данная разность обусловлена тем, что при измерении в режиме прямой полярности опорное напряжение, создаваемое диагностическим прибором, складывается с гальванической ЭДС изоляции, а в режиме обратной полярности вычитается, как показано выше.
Процесс диагностирования изоляции электрической обмотки, основанного на сравнении мгновенных значений омического сопротивления обмоток (токопроводников) контролируемого электрооборудования состоит из следующих этапов (см. фиг.1):
1. Подключение прибора 4 контроля изоляции (диагностического прибора - омметра) к выводам 2 и 3 (электрическим контактам 2 и 3) токопроводника 1 контролируемого оборудования (вход и выход обмотки, начало и конец кабеля, разнопотенциальные точки электрической цепи и т.д.), измерение осуществляется щупами 5 и 6.
2. Измерение мгновенных значений омического сопротивления исследуемых токопроводников 1 соответственно в прямой и обратной полярности (фиг.1) - данная операция выполняется диагностическим прибором 4.
3. Расчет абсолютной величины разности между выполненными измерениями - данная операция выполняется диагностическим прибором 4.
4. Выдача рекомендаций по эксплуатации электрической обмотки - необходимость сушки, электроизоляционного покрытия или частичной замены изоляционных покрытий или слоев.
Для проведения измерений электрическое напряжение подается на электрические контакты 2 и 3 в прямом и обратном направлении.
У неувлажненной изоляции, не имеющей повреждений и нарушений оплошностей, разность измеренных мгновенных значений омического сопротивления составляет не более 4-5%, а изоляция влажная или с нарушением сплошности структуры, частичными пробоями имеет указанную разность более 5-6%. В частности, увлажненная изоляция имеет разность измеренных значений на уровне 7-10%, а изоляция с нарушением слоев или частичным пробоем соответственно более 10-12%.
Способ диагностирования реализуется следующим образом.
В электрооборудовании выявляют электрическую обмотку, изоляция которой подлежит диагностическому контролю. Подают на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1 выявленной обмотки электрическое напряжение, измеряют и запоминают значение величины омического сопротивления токопроводника 1, после этого измеряют и запоминают значение величины омического сопротивления токопроводника 1 при обратной полярности поданного электрического напряжения. Вычисляют значение абсолютной величины разности запоминаемых измеренных значений омических сопротивлений токопроводника в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1. Сопоставляют вычисленное значение со значениями абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, соответствующих определенным видам повреждения изоляции токопроводника, и по результату сопоставления идентифицируют вид повреждения изоляции токопроводника и выдают рекомендации по техническому обслуживанию и эксплуатации диагностируемой электрической обмотки.
Повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, измеренных в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, равному или менее 4-5% от значения величины омического сопротивления токопроводника 1, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, идентифицируют как неувлажненную изоляцию, не имеющую повреждений и нарушений сплошностей.
Повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, измеренных в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, равному 5-6% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, идентифицируют как влажную изоляцию или как повреждение, характеризующееся нарушением сплошности, структуры, частичными пробоями изоляции.
Повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, измеренных в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, равному 7-10% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, идентифицируют как увлажненную изоляцию.
Повреждение изоляции обмотки, соответствующее значению абсолютной величины разности омических сопротивлений токопроводника, измеренных в режимах прямой и обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, равному 10-12% от значения величины омического сопротивления токопроводника, измеренной в режимах прямой или обратной полярности электрического напряжения, поданного на электрические выводы 2, 3 токопроводника 1, идентифицируют как изоляцию с нарушением слоев или частичным пробоем.
Пример технологического процесса диагностирования состояния изоляции обмоток тяговых двигателей электровозов:
1. Подключение диагностического прибора 4 к электрическим контактам 2 и 3 (выводам) контролируемой обмотки тягового двигателя (выполняется на клеммной рейке реверсивного переключателя);
2. Измерение мгновенных значений омического сопротивления обмотки тягового двигателя в прямой и обратной полярности;
3. Расчет абсолютной величины разности между выполненными тестовыми замерами и выдача рекомендаций по возможности эксплуатации контролируемого тягового двигателя и необходимости выполнения ее сушки, электроизоляционного покрытия или частичной замены изоляционных покрытий или слоев.
Измеренные величины омических сопротивлений представлены в таблице, в которой также приведены заключения по обнаруженным повреждениям.
Таким образом, предлагаемый способ диагностирования изоляции электрических обмоток электрооборудования позволяет распознавать вид повреждения изоляции.