Применение тепловизионной диагностики для оценки теплового состояния электрооборудования и температуры обмотки судовых электродвигателей

Вестник МГТУ, том 13, №4/2, 2010 г.

стр.937-941

УДК 658.26.001.63; 621.311.172

Применение тепловизионной диагностики для оценки теплового состояния электрооборудования и температуры обмотки судовых электродвигателей

А.Б. Власов, Е.А. Мухин

Судомеханический факультет МА МГТУ, кафедра электрооборудования судов

Аннотация. Проведен экспериментальный и теоретический анализ теплового состояния электрооборудования и температуры обмоток электрических машин на основе дистанционного измерения с помощью тепловизионной техники. Показано, что возможно с достаточной степенью точности произвести расчет температуры в объеме обмотки при различных нагрузках.

Abstract. Experimental and theoretical analysis of heat condition equipment and temperature of windings of marine electric machines on the base of remote measurement by means of thermovision inspection has been carried out. It has been shown that it is possible to calculate temperature in volume of windings under different load with sufficient degree of accuracy.

Ключевые слова: термография, тепловизионная диагностика, электрическое оборудование, провод, судовая электрическая машина, техническое состояние

Key words: IR thermography, thermovision inspection, electric equipment, wire, marine electrical machine, technical condition

1. Введение

Термографическая (тепловизионная) диагностика является ведущим оперативным методом контроля технического состояния объектов тепло- и электроэнергетики. Преимуществом данного метода является оценка технического состояния объектов непосредственно в процессе эксплуатации под нагрузкой. В последние годы тепловизионный контроль электрического оборудования стал незаменимым методом технической диагностики не только в российских энергетических системах и предприятиях, но и у энергетических предприятий СНГ, в том числе Украины, Белоруссии, Казахстана и других.

Особое значение имеет развитие, с одной стороны, методов технической диагностики для выявления, локализации и предупреждения отказов элементов оборудования, определяющих вероятные отказы и повреждения, с другой - разработка эффективных методов статистической обработки полученных данных для определения на их основе показателей надежности.

Для контроля судовой инфраструктуры, подчиненной правилам морского Регистра, требуется разработка оперативных методов неразрушающего контроля.

В связи с развитием нефте- и газодобывающих комплексов на Арктическом шельфе на первый план выходят вопросы безопасности морских нефтедобывающих платформ, являющихся пожароопасными объектами, несущими потенциальную экологическую угрозу.

Важное значение методы тепловизионного контроля имеют и для оценки технического состояния энергетических объектов береговой инфраструктуры флота, включающей в себя электрическое оборудование портальных кранов, распределительные и трансформаторные подстанции, кабельные трассы и т.п., обеспечивающих энергоэффективную деятельность судов (у причалов), судоремонтных предприятий и других объектов.

2. Перспективы тепловизионной диагностики судового энергетического оборудования

Возможности тепловизионного метода как средства контроля работоспособности энергетического оборудования представлены в работах (Власов, 2005; 2006a,b).

Задачей тепловизионной диагностики на судах является инженерный аудит разнообразного оборудования и выявление дефектов элементов судового энергетического оборудования с учетом уровня нагрузки, условий и сроков эксплуатации, районов плавания, перспектив ремонта и замены элементов оборудования на основе оперативного неразрушающего контроля непосредственно при рабочих режимах нагрузки. С этой позиции тепловизионная диагностика представляет собой высокоэффективное диагностическое средство для снижения техногенных и технологических рисков на судах как объектах повышенной опасности.

937

Власов А.Б., Мухин Е.А. Применение тепловизионной диагностики для оценки...

Тепловизионная диагностика судового электрооборудования имеет свои особенности, связанные со специфичностью её применения.

На большинстве отечественных судов основная часть оборудования выработала свой ресурс, но не меняется из-за недостатка финансирования. Если учесть еще и кратковременность пребывания судов в портах, на первый план выходит вопрос о временных затратах для экспресс-диагностики и устранения дефектов технического состояния. Поэтому для целей технической диагностики оборудования необходимо разрабатывать новые методы, которые обеспечивают оперативную дистанционную диагностику оборудования, находящегося под нагрузкой.

Существующие руководящие документы и методики тепловизионной диагностики, ориентированные, главным образом, на объекты высоковольтного электрооборудования, не учитывают проблемы, связанные со спецификой судового электрооборудования.

На примере тепловизионной диагностики электрооборудования судов и береговой инфраструктуры показана эффективность подобного технического метода (Власов, Мухин, 2010). Обследованию подвергалось энергетическое оборудование судов различного класса и назначения, в том числе РТМК-С типа "Моонзунд" проект "Атлантик 488" ("М-0011 Борис Сыромятников"), УПС "Седов" и др. Обследованы объекты судовой электро- и теплоэнергетики: кабельные трассы, оборудование ГРЩ, двигатели, технологическое, теплоэнергетическое и другое оборудование. В ряде случаев температура поверхности элементов электрического оборудования судов достигала 60-70 °С при нагрузке, составляющей 25-30 % от номинальной, что свидетельствует о повышенной электро- и пожароопасности.

Тепловое состояние судовых кабельных трасс эффективно анализируется в процессе тепловизионного контроля непосредственно при наличии токовой нагрузки. Это позволяет выявить состаренные участки кабельных трасс, предотвратить избыточный перегрев изоляции, устранить источники повышенной пожароопасности.

Перспективным является разработка методики тепловизионного контроля судовых электродвигателей в процессе эксплуатации и после ремонта (рис. 1).

Рис. 1. Фото и термограмма обмотки статора электродвигателя

3. Расчет температуры в объёме обмотки судовых электродвигателей

Известные методы оценки температуры поверхности обмоток не дают полной информации о техническом состоянии электродвигателя, поскольку отсутствуют методики оценки температуры в объеме, например, статорной обмотки.

Нами разработана методика оценки температуры в центре статорной обмотки асинхронного электродвигателя путем дистанционного измерения температуры поверхности /п и расчета поверхностной плотности теплового потока qs от обмоток при различной нагрузке Р.

Рассмотрим алгоритм расчета температуры статорной обмотки на примере асинхронного двигателя (АД) серии АОМШ со следующими паспортными данными: Рн = 0,35 кВт, 1н = 1 A, Пн = 380 В, Пн = 64 %, cos0 = 0,8, n = 2760 об/мин, класс изоляции В, режим работы «S1.

Температура поверхности /п обмотки контролировалась дистанционно с помощью тепловизора, пирометра, а также закрепленными контактными термопарами. Для измерения величины поверхностной плотности теплового потока q^n от статорной обмотки АД на её лобовую часть были установлены датчики теплового потока. Испытание проводилось согласно ГОСТ 7217-87 для трёх значений нагрузки: 0,6РН, Рн, 1,2Рн.

На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость температуры поверхности /п статорной обмотки АД от времени т испытаний непосредственно в процессе работы электродвигателя в различных режимах.

938

Вестник МГТУ, том 13, №4/2, 2010 г.

стр.937-941

80 70

О 60

О

С

50 40 30 20

0 51015 20 25 30 35 40 45 50 55 60 т, мин

Рис. 2. Зависимость температуры поверхности tn обмотки АД от времени испытаний:

1 - 0,6Рн; 2 - Рн; 3 - 1,2Рн

Рис. 3. Зависимость от температуры поверхности 4: 1 - Рн; 2 - 1,2Рн

В частности, после 60 минут испытаний при номинальной нагрузке Рн температура поверхности изоляции лобовой части обмотки достигла значения tH = 64,2 °С, а превышение температуры Ап поверхности над температурой окружающей среды t0 - 45,2 °С. Равновесная температура поверхности при номинальной нагрузке 1,2Рн равна tH = 69,8 °С, а Ап = 50,8 °С.

На рис. 3 приведена экспериментальная зависимость поверхностной плотности теплового потока q£эксп от температуры поверхности tH статорной обмотки АД для нескольких значений нагрузки. Например, поверхностная плотность теплового потока q^on, измеренная экспериментально при номинальной нагрузке Рн в момент т = 60 мин, составляет q.^^ = 738,9 Вт/м2.

Коэффициент теплоотдачи а от поверхности (цилиндрической формы) статорной обмотки АД упрощенно рассчитывается (Власов, 2006a,b):

а = 1,33-

где d - диаметр секции обмотки статора, м; е - коэффициент излучательности.

На рис. 4 представлен график изменения коэффициента теплоотдачи а от лобовой части статорной обмотки АД, рассчитанного по соотношению (1), в зависимости от температуры поверхности 4 при температуре среды t0 = 19 °С.

Например при нагрузке, равной номинальной Рн, в момент т = 60 мин при t0 = 19 °С и 4 = 64,2 °С, d = 0,006 м, е = 0,95 из соотношения (1) получаем:

а =1,33

При полном учете факторов, влияющих на коэффициент теплоотдачи (форма обмотки, определяющий размер и другие), с помощью разработанной программы (Власов, 2003) получено значение а = 19,2 Вт/(м2°С).

Известна взаимосвязь между поверхностной плотностью теплового потока qs и превышением температуры поверхности Ап:

q. = аА4.

Подставляя в соотношение (3) расчетное значение а при экспериментально измеренном значении Ап = 45,2 °С, получаем теоретическое значение q.геор = 867,84 Вт/м2.

Уменьшение экспериментального значения поверхностной плотности теплового потока q.,^ (738,9 Вт/м2) по сравнению с теоретическим значением q^^ (867,84 Вт/м2) объясняется сложностью измерения плотности теплового потока с помощью плоского датчика, контактно прижимаемого к обмотке цилиндрической формы.

Таким образом, расчет коэффициента теплоотдачи а по данным измерения температуры поверхности 4 и среды t0 позволяет теоретически оценить величину поверхностной плотности теплового потока q^^ по соотношению (3).

Объёмная плотность теплового потока qv, рассчитывается из отношения:

qv = 2qs /rH, Вт/м3,

где гн = d/2 = 0,003 м - радиус секции обмотки статора.

939

Власов А.Б., Мухин Е.А. Применение тепловизионной диагностики для оценки...

га

о

мин

Рис. 4. Изменение а от температуры поверхности /п обмотки

Рис. 5. Зависимость изменения ^уэксп от времени испытаний: 1 - 0,6Рн; 2 - Рн;, 3 - 1,2Рн

На рис. 5 представлена зависимость экспериментального значения объёмной плотности теплового потока дуэксп от времени испытаний т.

Из соотношения (4) получаем дутеор = 2 • 867,84 / 0,003 = 578,56-103 Вт/м3.

Секция обмотки исследуемой электрической машины состоит из медных проводников, покрытых лаковым изоляционным материалом. Для описания процесса теплопроводности в объёме секции вводится понятие коэффициента теплопроводности замещающего тела Лзам(/), определяемого соотношением (Таев, 1987):

4ам

где используются следующие параметры: диаметр проводника статорной обмотки ^пров = 0,4 мм, толщина изоляции диз = 0,05 мм, коэффициент теплопроводности лакового покрытия проводников 2из = 0,18 Вт/м°С, безразмерные коэффициенты аи =1,45, Ьи = 1,57.

Зависимость коэффициента теплопроводности сухого воздуха ^(4) рассчитывается:

2в

При /п = 64,2 °С, коэффициент теплопроводности сухого воздуха 2в равен:

2в = 0,0244 + 210-11-64,23 - 410-8-64,22 + 8-10 5 64,2 = 0,029 Вт/моС.

С учетом (5-7) рассчитываем коэффициент теплопроводности замещающего тела 2зам:

2зам = 1,45-[0,180,029 {

Статорная обмотка АД является объектом с внутренним источником теплоты. При тепловыделении в объёме обмотки цилиндрической формы устанавливается равновесная температура /макс. Превышение температуры Л/макс центра обмотки над температурой окружающей среды t0, составляет (Исаченко, 1981):

Ломакс = [9^еор/22зам

Подставляя в соотношение (9) рассчитанные ранее значения qv, 2зам, а, определяем Л/макс:

Л/макс = [578,56-103/

Максимальная температура в центре статорной обмотки /макс рассчитывается с учетом t0:

^макс Л/макс + ^0.

Таким образом, расчетное значение максимальной температуры в объёме статорной обмотки при нагрузке, равной номинальной Рн, температуре окружающей среды t0 = 19 °С составляет

/макс = 49,9 +19 = 68,9 °C.

Аналогично, можно рассчитать, что при нагрузке 1,2Рн максимальная температура в обмотке достигает значения /макс = 75,4 °С.

940

Вестник МГТУ, том 13, №4/2, 2010 г.

стр.937-941

Известно, что допустимая температура нагрева изоляционного материала класса нагревостойкости В составляет 135 °С, а допустимая температура нагрева обмоток электродвигателя не должна превышать 120 °С при температуре среды t0 = 40 °C.

Результаты испытаний показывают, что при исследуемых режимах нагрузки расчетное значение температуры 1мах исследуемого двигателя не превышает 80 °С при температуре среды t0 = 19 °C. При перерасчете данных в соответствии с требованиями ГОСТ 8024-90 на температуру среды, равную t0 = 40 °С, можно ожидать, что 4ах изоляции проводов достигнет 100 °С, что свидетельствует об удовлетворительном тепловом состоянии изоляции исследуемой электрической машины.

4. Заключение

Разработанный метод позволяет с достаточной точностью рассчитать температуру в объёме статорной обмотки на основе дистанционного измерения температуры поверхности обмотки, расчета коэффициента теплоотдачи, теоретической или экспериментальной оценки величины теплового потока от поверхности при различных температурах окружающей среды, видов нагрузки, условий эксплуатации.

Представленные данные показывают возможности дистанционного метода оценки температуры центральных слоев обмотки судовых электрических машин в процессе эксплуатации для непрерывного мониторинга или периодического контроля их технического состояния.

Литература

Власов А.Б. Дистанционная оценка величины тепловых потоков оборудования на основе тепловизионной диагностики. Электротехника, № 4, c.45-49, 2006a.

Власов А.Б. Модели и методы термографической диагностики объектов энергетики. М., Колос, 280 с., 2006b.

Власов А.Б. Программа расчета коэффициента теплопередачи от поверхности при тепловизионном контроле. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611742 регистр. 22.08.2003. Российское агентство по патентам и товарным знакам, 2003.

Власов А.Б. Тепловизионная диагностика объектов электро- и теплоэнергетики (диагностические модели). Мурманск, МГТУ, 265 с., 2005.

Власов А.Б., Мухин Е.А. Оценка технического состояния электрооборудования судов методом тепловизионной диагностики. Эксплуатация морского транспорта, № 3, c.66-69, 2010.

Исаченко В.П. Теплопередача. Учебник для вузов. М., Энергоиздат, 416 с., 1981.

Таев И.С. Основы теории электрических аппаратов. Учеб. для вузов. М., Высш. шк, 352 с., 1987.

941