СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК С МОНОЛИТНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СЕРДЕЧНИКАМИ
STATUS MONITORING METHOD FOR WINDINGS WITH METAL MONOLITHIC CORES

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при диагностике обмоток электрических машин с монолитными металлическими сердечниками, например, электродвигателей и электромагнитов.
Во время эксплуатации электрических машин могут происходить межвитковые замыкания в обмотках. Для их своевременного выявления и предотвращения аварийных ситуаций проводят периодические плановые проверки состояния обмоток. В ряде случаев такие испытания на наличие короткозамкнутых витков (КЗВ) выполняют на месте дислокации изделий без демонтажа оборудования (неразрушающий контроль). Когда прямой доступ к обмоткам невозможен, измерительные приборы подключают к ним дистанционно, при этом из-за протяженности подводящих линий и наличия промежуточных элементов в электрической цепи возрастают помехи, увеличиваются экспериментальные погрешности и выявление КЗВ становится затруднительным.
В настоящее время известны различные способы и устройства для выполнения неразрушающего контроля обмоток. Однако они оказались неэффективными применительно к классу электрических машин, у которых обмотки снабжены монолитными металлическими сердечниками. В этом конкретном случае КЗВ диагностируются на фоне сердечника, который фактически тоже является массивным замкнутым витком и при измерениях маскирует сигнал, информирующий об искомом дефекте. Для данного класса машин с монолитными сердечниками разрабатываются специфические способы контроля, обладающие большей чувствительностью и селективностью.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ контроля электрических обмоток на короткое замыкание по патенту РФ 2413955 С1, опубл. 30.11.2009. В известном способе к обмотке подсоединяют измеритель иммитанса, включающий гармонический генератор, измерители тока и напряжения, измеряют действительную и мнимую компоненты импеданса при различных значениях частоты. Затем строят годограф импеданса обмотки, сравнивают его с реперным годографом и на основании заданного критерия принимают решение о наличии дефекта. Для определения реперного годографа используют тест-образец с эталонной обмоткой, идентичной контролируемой по размерам, количеству витков и материалу сердечника. В тест-образце с помощью переключаемой перемычки имитируют межвитковые замыкания. В качестве реперного выбирают годограф с наименьшим отклонением от годографа без имитации КЗВ. Далее на реперном годографе выбирают участок диапазона частот с максимальной чувствительностью к дефекту. Затем в пределах этого участка определяют значения модуля импеданса реперного тест-образца и исследуемой обмотки. Если у исследуемой обмотки это значение оказывается меньшим, принимают решение о наличии КЗВ.
Известный способ имеет ряд недостатков. Один из них обусловлен тем, что эталонная и исследуемая обмотки изначально не могут быть идентичными, а отличия между ними со временем возрастают даже при бездефектной эксплуатации изделия. Поэтому критерий, основанный на сравнении электрических характеристик работающего изделия и тест-образца с имитацией КЗВ не представляется вполне надежным. Другой недостаток связан с ограниченным набором имитаций КЗВ, при котором не учитываются все возможные формы дефектов. Кроме того, сравнение с реперным годографом проводят лишь по нескольким или даже по единственному измерению в одном узком частотном диапазоне. При дистанционных испытаниях с протяженными подводящими линиями, промежуточными элементами и электрическими помехами в цепи это приводит к значительным экспериментальным погрешностям и снижению чувствительности. В известном способе не удается надежно отделить полезный сигнал от фонового воздействия монолитного сердечника, в особенности на начальных стадиях развития дефектов с одиночными КЗВ, достоверность выявления дефектов недостаточно высока. Кроме того, испытания дополнительно усложняются из-за необходимости замещающего подключения тест-образца в электрическую цепь изделия.
С учетом вышеизложенного, применение известного способа не в лабораторных, а в реальных производственных условиях на месте дислокации изделия представляется проблематичным.
Заявленное изобретение направлено на преодоление перечисленных недостатков прототипа. Его задачей является повышение надежности диагностирования межвитковых замыканий в обмотках электрических машин с монолитными металлическими сердечниками, ранняя идентификация таких дефектов за счет чувствительности на уровне регистрации одиночных КЗВ.
Технический результат изобретения состоит в том, что селективно и с высокой точностью выявляются те изменения электрических характеристик обмотки, которые достоверно свидетельствуют о возникновении КЗВ, а решение о наличии КЗВ принимается на основе более надежного критерия. При этом процесс испытаний отличается простотой и не требует подключения дополнительных эталонных тест-образцов, а отказ от эталонного сравнения в пользу динамического анализа собственных состояний обмотки уменьшает вероятность принятия ошибочных решений. Надежность нового критерия диагностирования проявляется за счет использования в нем параметров, специфически меняющихся при появлении КЗВ. При расчете критерия учитываются данные измерений на большом массиве исследуемых частот во всем их рабочем диапазоне. Это позволяет повысить точность результатов испытаний и статистически скомпенсировать знакопеременные погрешности, вызванные электрическими помехами.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе контроля состояния обмоток с монолитными металлическими сердечниками в электрических машинах при различных значениях частоты измеряют действительную и мнимую компоненты импеданса обмотки, строят годограф импеданса, проводят его сравнение с реперным годографом и на основе критерия констатируют возникновение дефекта в обмотке, вызванного межвитковым замыканием, при этом в качестве реперного используют годограф предыдущего измерения, сравнение проводят по почастотно построенному годографу векторных разностей импедансов годографов, а в качестве критерия принимают увеличение площади годографа векторных разностей.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично показаны графики годографов импеданса электрической цепи обмотки до и после появления КЗВ, фиг. 2 иллюстрирует построение годографа векторных разностей этих графиков в соответствие с изобретением, на фиг. 3 приведены примеры реальных графиков годографов при разных положениях КЗВ в обмотке, а на фиг. 4 представлены соответствующие годографы векторных разностей обмотки.
Согласно изобретению, для контроля состояния обмотки периодически определяют действительную и мнимую компоненты ее импеданса. Для этого к электрической цепи, содержащей исследуемую обмотку, подключают измеритель иммитанса, например, стандартный промышленный определитель RLC с генератором гармонических колебаний и измерителями тока и напряжения. Затем измеряют значения модуля комплексного сопротивления и угла фазового сдвига при разных рабочих частотах генератора и вычисляют компоненты импеданса. Получаемые экспериментальные данные должны быть репрезентативными и детализированными как по ширине исследуемого частотного диапазона, чтобы гарантированно охватить область влияния КЗВ на характеристики обмотки, так и по количеству измерений, чтобы статистически компенсировать экспериментальные погрешности. Этот массив рабочих частот генератора выбирают заранее перед первым испытанием и в дальнейшем оставляют неизменным.
В соответствии с изобретением, после этапа измерений проводят сравнение полученных данных с результатами предыдущего испытания, с тем чтобы на основе заданного критерия установить, произошло ли межвитковое замыкание в обмотке за предшествующий период эксплуатации. Для этого используют графики годографа импеданса, то есть решение о наличии КЗВ принимают на основании того, какие изменения наблюдаются в текущем графике годографа по сравнению с реперным графиком, полученным в предыдущем испытании.
График годографа импеданса является известным и широко используемым в электротехнике показателем, описывающим свойства элементов электрических систем. Он строится на комплексной плоскости координат активного R и реактивного JX сопротивлений и представляет собой кривую, соединяющую концы векторов комплексного сопротивления исследуемого элемента электрической цепи при изменении частоты f (фиг. 2).
Опытным путем установлено, что возникновение КЗВ в обмотке вызывает изменение формы графика годографа. Преимущественно это проявляется в стягивании точек графика к началу координат. Указанные изменения иллюстрируются на фиг. 1, где схематично показаны годографы обмотки с монолитным сердечником до появления КЗВ (годограф А) и при его наличии (годограф В). В реальности, из-за влияния сердечника и большого числа витков в обмотке, эти графики оказываются расположенными близко друг к другу (рис. 3), что существенно затрудняет диагностирование дефекта, однако независимо от места расположения КЗВ все же наблюдается выраженный участок на протяженном диапазоне частот, на котором годограф с КЗВ оказывается смещенным во внутреннюю сторону от графика годографа без КЗВ. Вне этого участка в областях соответственно малых и больших значений частот рассматриваемые графики практически сливаются. При этом узкая замкнутая область, располагающаяся между графиками, отражает информацию об ухудшении эксплуатационных свойств обмотки из-за образования КЗВ.
n
n
Формоизменение годографа можно определить как совокупность смещений всех образующих его векторов импеданса, соответствующих определённым частотам измерения f. Каждое такое смещение описывается вектором разности d(В-А), соединяющим концы векторов импеданса текущего (фиг. 1, график В, с КЗВ) и предыдущего (график А, без КЗВ) испытания, измеренных на той же частоте.
Отложив полученные векторы разностей от одной общей точки путём их параллельного к ней переноса, можно построить годограф векторных разностей (ГВР), описывающий отличия текущего годографа от предыдущего. ГВР определяется, как разность комплексных функций (фиг.2):
где dR(f) и jdX(f) - вещественная и мнимая компоненты годографа векторных разностей;
A
A
dR(f) и jdX(f) - вещественная и мнимая компоненты годографа А обмотки без КЗВ;
B
B
dR(f) и jdX(f) - вещественная и мнимая компоненты годографа В обмотки с КЗВ;
График ГВР учитывает изменение импеданса обмотки как по модулю, так и по углу фазового сдвига, поэтому он имеет большую информативность по сравнению с характеристиками, ранее предлагавшимися для контроля состояния обмоток.
Экспериментально подтверждено, что если график ГВР представляет собой выраженную замкнутую кривую, проходящую через начало координат (фиг.4), то это достоверно свидетельствует о возникновении КЗВ в обмотке, а степень повреждения, вызванного данным дефектом, характеризуется величиной ограниченной внутри него площади. Данный экспериментальный факт используется в заявляемом способе. Целевым параметром, по которому судят о возникновения КЗВ, принимается график ГВР, а величина площади внутри графика служит интегральным критерием при оценке степени повреждения обмотки и надежности его диагностирования.
Интегральный критерий определяется из соотношений
вр
где ИКС - интегральный критерий сравнения годографов по векторным разностям,
n
n
n-1
n
S - площадь треугольного элемента ГВР, соответствующего измерениям на частотах f и f (фиг.2, точечная штриховка). S определяется через векторное произведение и может принимать как положительные, так и отрицательные значения;
n
n
n
dR и dX - координаты вектора d(B-A);
n-1
n-1
n-1
dR и dX - координаты вектора d(B-A).
вр
вр
вр
Как ранее указывалось, в заявленном способе расчет критерия ИКС проводится на статистически репрезентативном массиве экспериментальных данных, охватывающем весь рабочий диапазон частот. С одной стороны, за счет большей детализированности измерений (см. фиг. 4) это позволяет увеличить чувствительность способа по сравнению с решением-прототипом. С другой стороны, его чувствительность и точность повышаются вследствие того, что при суммировании площадей согласно соотношению (1) взаимно сокращаются знакопеременные вклады случайных погрешностей, вызванные фоновыми помехами. Данное обстоятельство подтверждено экспериментами, в которых значение ИКС при появлении КЗВ возрастало на один-два порядка по отношению к фоновой ненулевой величине ИКС, регистрируемой при отсутствии КЗВ (вследствие случайных измерительных погрешностей).
Заявленный способ прошел промышленную апробацию. Контроль обмоток серийных шаговых электродвигателей с монолитными металлическими сердечниками с числом витков более 1000 проводился в диапазоне частот от 0.1 до 120 кГц. Когда массив измерений в испытании включал более 20 значений (равномерно распределенных по шкале частот), чувствительность диагностирования дефектов обмоток обеспечивалась на уровне единичных КЗВ.