УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ И СУШКИ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для проведения автоматического контроля состояния и восстановления сопротивления изоляции обмоток (сушки) электрических машин без их демонтажа с объектов.
По статистике более 20% аварийных ситуаций с электрическими машинами (электродвигателями, трансформаторами, генераторами и т.д.) происходит из-за ухудшения состояния изоляции их обмоток. Поэтому своевременное выявление отклонений в состоянии изоляции ответственных электрических машин чрезвычайно важно для обеспечения бесперебойной работы производства и исключения существенного ущерба, вызванного остановкой или выходом из строя электрических машин.
В настоящее время электрические машины с низким сопротивлением изоляции просто заменяются на новые. Однако такой вариант решения является экономически неэффективным.
Также для сушки обмоток электрических машин в условиях производства широко используются сварочные трансформаторы в специальных печах, а также устройства нагрева пониженным напряжением с заблокированным валом. Указанные устройства, основанные на тепловых технологиях сушки, вызывают локальные перегревы изоляции и тепловое старение изоляции, что снижает срок службы электрических машин (электродвигателей, трансформаторов, генераторов и т.д.). Кроме того, использование таких устройств предполагает разборку и демонтаж электрических машин с объектов, на которых они установлены, что приводит к остановкам в работе, сказывается на снижении эффективности производственного процесса и в целом делает его трудозатратным.
Известно устройство диагностики и электроосмотической сушки УЭСИ (например, интернет-ресурс https://innov.vogu35.ru/index.php/44-ustrojstvo-dlya-elektroosmoticheskoj-sushki-izolyatsii-nizkovoltnykh-elektrodyigatelej-i-generatorov-uesi-0-4-kv, опубликовано 09.02.2018 г., просмотрено 23.07.2021 г.), принятое за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, которое содержит корпус, имеющий клеммы для подключения электрической машины и лицевую панель с органами управления, при этом внутри корпуса расположены соединенные между собой модуль управления, модуль измерений и электроосмотической сушки.
Модуль управления, модуль измерений и электроосмотической сушки представляют собой электрические схемы, реализованные на печатных платах.
Данное устройство за счет наличия модуля измерений и электроосмотической сушки позволяет проводить диагностику параметров электрической машины и электроосмотическую сушку без разборки и демонтажа электрической машины с объектов, на которых они установлены, что обеспечивает бесперебойную работу электрических машин и повышает эффективность производственных процессов. При этом нетепловое обезвоживание изоляции обмоток электрических машин позволяет исключить коробление, тепловое старение, термическую деструкцию и локальные перегревы изоляции, что повышает ресурс электрических машин, экономит энергетические и другие ресурсы, расходуемые при тепловых технологиях сушки.
Однако с помощью указанного устройства может быть проведена только электроосмотическая сушка, которую нельзя применять в случае значительного увлажнения изоляции обмоток с низким сопротивлением. Также в отношении данного устройства не приводится информация об измерении конкретных основных параметров изоляции, без которых невозможна полноценная и объективная оценка состояния сопротивления изоляции обмоток электрических машин.
В итоге, рассмотренное устройство УЭСИ имеет ограниченные функциональные возможности по организации процесса сушки изоляции, не является «гибким» и не позволяет точно отследить конкретные изменения у конкретного изделия, что может привести к искажению информации о состоянии изоляции обмоток, недостаточному восстановлению изоляции, сбоям в работе электрической машины и ее скорому выходу из строя.
Технической проблемой настоящей полезной модели является устранение недостатков, присущих аналогам, и создание устройства диагностики и сушки изоляции обмоток электрических машин, которое используется без их демонтажа с объектов и позволяет увеличить надежность и ресурс.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение необходимого высокого значения изоляции обмоток электрических машин при их эксплуатации за счет введения модуля токовой сушки, вычисления основных параметров изоляции обмоток электрических машин с помощью модуля измерений и электроосмотической сушки, обеспечения выбора режима сушки и своевременного прекращения режима сушки с помощью модуля управления.
Технический результат достигается при использовании устройства диагностики и сушки изоляции обмоток электрических машин, которое содержит корпус, имеющий клеммы для подключения к электрической машине и лицевую панель с органами управления, при этом внутри корпуса расположены соединенные между собой модуль управления, модуль измерений и электроосмотической сушки, причем клеммы подключаются к токоведущей фазе и заземлению цепи питания электрической машины, при этом устройство диагностики и сушки изоляции обмоток электрических машин также содержит модуль токовой сушки, соединенный с модулем управления и модулем измерения и электроосмотической сушки, причем модуль измерений и электроосмотической сушки выполнен с возможностью непрерывного измерения сопротивления изоляции и передачи данных в модуль управления, при этом модуль управления выполнен с возможностью вычисления итогового сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции и индекса поляризации по истечении заданного времени измерений, также модуль управления выполнен возможностью установки режима сушки, включающего токовую сушку посредством запуска модуля токовой сушки, или электроосмотическую сушку посредством запуска модуля измерения и электроосмотической сушки, или комбинированную сушку, включающую сначала токовую сушку посредством запуска модуля токовой сушки, а затем электроосмотическую сушку посредством запуска модуля измерения и электроосмотической сушки, при этом модуль управления также выполнен с возможностью прекращения процесса сушки при достижении необходимого высокого значения величины сопротивления изоляции обмоток электрической машины либо по истечении заранее установленного времени.
В частности, в качестве электрических машин используют электродвигатели постоянного тока, синхронные и асинхронные двигатели переменного тока, трансформаторы.
В частности, модуль управления по истечении заданного времени измерений помимо указанных параметров изоляции вычисляет значения фазных токов, температуру электрической машины и другие параметры, необходимые для объективной диагностики в каждом конкретном случае.
С помощью модуля токовой сушки осуществляется подогрев обмоток электрической машины. В процессе эксплуатации электрической машины режим токовой сушки используется при наличии изрядно увлажненной изоляции с низким сопротивлением менее 100 кОм при напряжении 380 В, когда модуль измерения и электроосмотической сушки изоляции для проведения электроосмотической сушки не может быть использован.
Модуль управления устанавливает режим комбинированной сушки, в соответствии с которым сначала в работу запускается модуль токовой сушки, а затем модуль измерений и электроосмотической сушки. Комбинирование обоих типов сушки позволяет избежать побочных эффектов, которые могут возникнуть при использовании только одного из типов сушки (при наличии только токовой сушки возникает тепловое расширение, что неизбежно приводит к «старению» изоляции, а использование только электроосмотической сушки не позволяет применить ее при наличии изрядно увлажненной изоляции), и в то же время использовать преимущества каждого из режимов сушки.
Проведение диагностики с непрерывным измерением сопротивления изоляции посредством модуля измерений и электроосмотической сушки, а также вычисление по истечении заданного времени измерений итогового сопротивления, коэффициента абсорбции и индекса поляризации посредством модуля управления позволяет своевременно получить объективные данные о состоянии изоляции обмоток электрической машины и выбрать точные значения тока и напряжения для проведения токовой сушки или электроосмотической сушки, или комбинированной сушки для конкретных условий работы электрической машины. Приведение указанных параметров изоляции к требуемым значениям обеспечивает безопасный пуск электрической машины без вероятности повреждения ее обмоток.
Возможность выбора режима сушки с помощью модуля управления позволяет, в зависимости от результатов диагностики, адаптивно запустить необходимый режим сушки с точными параметрами для каждого конкретного случая с целью повышения качества работы электрической машины и срока ее службы.
Во избежание пересушивания изоляции и возникновения теплового старения, снижающего ресурс электрических машин, модуль управления прекращает процесс сушки при достижении необходимого высокого значения величины сопротивления изоляции обмоток либо по истечении заранее установленного времени, которое вычисляется программным путем исходя из результатов диагностики при помощи контроллера, входящего в состав модуля управления.
Таким образом, изоляция обмоток электрических машин всегда находится в «сухом» состоянии, а любое отклонение автоматически и своевременно отслеживается модулем управления с подбором необходимого режима и времени сушки в каждом конкретном случае, что делает заявляемое устройство более «гибким» и адаптивным по сравнению с известными аналогами.
Во время работы электрической машины заявляемое устройство находится в режиме ожидания и отслеживания питающего напряжения. После пропадания напряжения устройство автоматически детектирует отсутствие напряжения на электрической машине и включается в работу.
В основе модуля управления заявляемого устройства лежит промышленный управляющий контроллер линейки STM32, который с помощью интерфейса RS-485 взаимодействует с контроллерами модуля токовой сушки и модуля измерений и электроосмотической сушки. Также с помощью интерфейса RS-485 управляющий контроллер модуля управления взаимодействует с внешним интерфейсом USB, LCD дисплеем (интерфейс UART), системой охлаждения (два кулера), световой индикацией, лицевой панелью с органами управления (клавиатурой управления, графическим интерфейсом, тумблерами и т.д.). Также модуль управления оборудован держателем sim-карт и карт памяти, энергонезависимой памятью. Питание модуля управления осуществляется с блока питания постоянного тока с напряжением 12 В и мощностью 75 Вт.
В основе модуля токовой сушки лежит контроллер линейки STM32. Контроллер аналоговым способом осуществляет управление работой регулируемого блока питания мощностью 3 кВт в режиме стабилизации тока, с которого через силовые реле на выходные разъемы подается напряжение и ток заданной величины (до 48 В, до 60 А). Питание модуля токовой сушки осуществляется с блока питания постоянного тока с напряжением 12 В и мощностью 75 Вт.
В основе модуля измерений и электроосмотической сушки также находится контроллер линейки STM32. Принцип работы указанного модуля строится на стабилизации выходного программируемого постоянного напряжения с ограничением максимального тока в цепи нагрузки. Для получения высокого напряжения (до 10 кВ) используется повышающий высоковольтный трансформатор. После трансформатора стоит токоизмерительный «шунт», напряжение до шунта и после измеряется через делители напряжения из высоковольтных резисторов. Измерения производит микропроцессор, сравнивая падение напряжение на измерительном «шунте» с эталонным сопротивлением. Питание модуля измерений и электроосмотической сушки осуществляется с блока питания постоянного тока с напряжением 12 В и мощностью 75 Вт.
Заявляемое устройство подключается к любой токоведущей фазе и заземлению цепи питания электрической машины посредством клемм-клипс (наподобие тех, которые используются для зарядки автомобильных аккумуляторов).
При этом нет необходимости в физическом отключении электрической машины от щита управления, то есть демонтаже оборудования. Все физические коммутации производятся однократно при монтаже оборудования и в процессе эксплуатации требуется лишь периодическая проверка и протяжка контактов.
Устройство может устанавливаться рядом со шкафом управления либо внутри шкафа управления электрической машиной без каких-либо дополнительных соединений между электрической машиной и шкафом управления.
Питание заявляемого устройства происходит от стандартной электрической сети напряжением 220-240 В. Непрерывная передача полученных данных о состоянии сопротивления изоляции обмоток происходит посредством стандартного интерфейса RS-485 с протоколом Modbus в локальную АСУ ТП и/или любую другую систему передачи и обработки данных.
В случае, если начальное сопротивление изоляции и режим сушки не известны, первоначально следует провести диагностику электрической машины с использованием безопасных параметров с измерительным напряжением не более 100 В, после чего на основании полученных данных подобрать требуемые параметры.
Через графический интерфейс на лицевой панели корпуса заявляемого устройства устанавливается необходимое напряжение и режим измерений. В зависимости от выбранного режима измерений устройство непрерывно отслеживает основные параметры изоляции электрической машины и по истечении заданного времени вычисляет их значения: сопротивление изоляции, коэффициент абсорбции (одна минута измерений), индекс поляризации (10 минут измерений) и т.д. С учетом полученных данных делается заключение о состоянии изоляции, а также необходимости проведения сушки с выбором ее режима.
В случае изрядно увлажненной изоляции сначала может быть выбран режим токовой сушки, когда в обмотки электрической машины контролируемо подается установленный ток и напряжение, в результате чего их температура увеличивается и происходит ускорение испарения влаги.
Принцип работы электроосмотической сушки заключается в подаче напряжения уже не в обмотки электрической машины с их разогревом, а в создании электрического потенциала между обмотками (положительный потенциал) и корпусом (отрицательный потенциал) электрической машины путем подачи импульсов низкого тока (до 1 мА) и высокого напряжения (до 5 кВ), за счет чего происходит движение молекул воды в изоляции обмоток так, что они «выталкиваются» на поверхность.
Электроосмотическая сушка безвредна для изоляции, так как в данном случае не происходит ее нагрева и термического расширения, а также практически отсутствуют ограничения по максимальной мощности электрической машины.
Благодаря конструктивной реализации устройства и наличию обоих типов сушки, их можно успешно комбинировать в процессе, перекрывая тем самым недостатки и используя сильные стороны каждого из типов: если по итогам диагностики выявлено излишнее увлажнение изоляции, то первоначально электрическая машины оперативно просушивается токовым методом до момента, когда уже можно использовать электроосмос, при помощи которого происходит основной процесс сушки. В этом случае можно использовать токовую сушки в «щадящих» для двигателя режимах, чтобы избежать сильного нагрева изоляции.
При комбинированной сушке на модуле управления задаются параметры для токовой и электроосмотической сушки, минимальное сопротивление для переключения с токовой сушки на осмотическую, и обратно. В ходе процесса комбинированной сушки переключение между режимами происходит в автоматическом режиме.
Процесс сушки при любом режиме останавливается, когда сопротивление изоляции обмоток достигает оптимального значения для работы электрической машины, либо по истечении заранее установленного времени.
Пример 1.
Устройство подключают к высоковольтным разъемам электродвигателя АИР 160 S4 (15 кВт, 1500 об/мин).
Для предварительной диагностики выбраны параметры:
- время проведения: 60 секунд;
- напряжение: 500 В.
По ее итогам получены значения параметров:
- итоговое сопротивление: 0,15 МОм;
- коэффициент абсорбции: 1.
Это означает, что необходимо провести комбинированную сушку, сначала токовую сушку, затем - электроосмотическую.
Параметры для проведения токовой (тепловой) сушки:
- время сушки: 4 часа (до сопротивления изоляции 0,5-1 МОм);
- ток: 20 А; напряжение: 48 В.
Параметры для проведения электроосмотической сушки:
- время: сушка до требуемых показателей сопротивления;
- напряжение: 500 В.
По итогам проведения комбинированной сушки сопротивление изоляции равно 50 МОм что соответствует сухой изоляции согласно ПУЭ: Нормы приемо-сдаточных испытаний.
Заявляемое устройство позволяет провести сушку ответственных электрических машин без трудоемких подготовительных и демонтажных работ с минимальными затратами. При этом возможно восстановление сопротивления изоляции любых электрических машин без ограничений по мощности и питающему напряжению.