СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА КОМПАУНДИРОВАНИЯ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
METHOD FOR DETERMINING QUALITY OF COMPOUNDING OF ELECTRIC MACHINE WINDINGS

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для определения качества компаундирования обмоток электрических машин на этапах испытания изоляции обмоток при изготовлении и эксплуатации, в частности обмоток статора маслонаполненных погружных асинхронных электродвигателей.
Ряд применяемых на практике способов оценки состояния изоляции обмоток электрических машин основан на измерении сопротивления изоляции с помощью электроизмерительных приборов (электрометров, мегаомметров и пр.) в течение некоторого времени, достаточного для фиксации значений сопротивления как в практически установившихся режимах, так и в переходных процессах заряда конденсатора, две обкладки которого представляют собой обмотку электрической машины и ее корпус. Между этими обкладками находится многослойная изоляция (изоляция провода, пазовая изоляция и компаунд обмотки).
Известен способ измерения величины сопротивления изоляции [1], который направлен на сокращение времени измерения при оценке состояния изоляции и установлении норм для сопоставления результатов измерений. Этот способ заключается в том, что измеряют величину сопротивления, его первую и вторую производные по времени и за установившееся значение сопротивления изоляции принимают удвоенное значение сопротивления изоляции в тот момент времени, когда первая производная имеет максимум, а вторая производная равна нулю.
Недостаток этого способа состоит в сложности обработки результатов измерений, а также неопределенности оценки полученного результата, т.к. не сформулирован диагностический признак (критерий оценки качества изоляции). При этом измеряется только сопротивление изоляции, хотя основным свойством диэлектрика является поляризация, которая характеризуется его диэлектрической проницаемостью помимо удельного объемного сопротивления.
Известен способ, который используется для контроля увлажнения изоляции [2].
15
60
абc
60
15
абс
абс
При испытаниях не определяется вся зависимость сопротивления R(t) изоляции до установившегося значения. Оценка состояния изоляции производится по значениям сопротивления, измеренного мегаомметром, через 15 и 60 с (R и R) после включения напряжения. По этим данным определяется коэффициент абсорбции К=R/R. При этом, как отмечается в [2], опытным путем установлено, что при допустимом увлажнении изоляции К>1,3. При К<1,3 изоляция недопустимо увлажнена и соответствующее электрооборудование эксплуатироваться не может.
Недостаток этого способа заключается в том, что, как и в предыдущем случае, измеряется только неустановившееся значение сопротивления изоляции, а коэффициент абсорбции может иметь различные значения в зависимости от типоразмеров испытуемых объектов, т.е. диагностический признак не позволяет оценить качество изоляции достоверно, т.к. в явном виде не учитываются характеристики диэлектрика.
p
Bm
Известен способ диагностирования корпусной изоляции электрической машины [3], заключающийся в том, что на объект измерений подают постоянное напряжение U. При достижении установившегося значения тока зарядки объект закорачивают и после разрядки геометрической емкости объекта измеряют величину восстановленного напряжения в момент его максимума U.
a
Далее определяют величину коэффициента абсорбции k по формуле
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>B</mi><mi>m</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mi>p</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi></mrow>
a
a
a
и сравнивают ее со среднестатистическим значением k, характерным для данного типа изоляции в исходном состоянии. По величине снижения измеренного k относительно исходного судят о техническом состоянии изоляции. При этом снижение k более чем на 50% говорит об изношенности изоляции.
а
ν
Недостаток этого способа состоит в том, что процесс измерения довольно сложный и требуется специальный электрометр. Кроме того, далеко не очевидно, что диагностический признак - «максимальное значение напряжения восстановления» определяет состояние диэлектрика, т.е. ухудшение его основных характеристик - ε и ρ.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ измерения установившегося значения сопротивления изоляции [4], при котором за установившееся значение сопротивления изоляции принимают величину сопротивления, когда она практически перестает изменяться.
Диагностическим признаком при этом является так называемый индекс поляризации
1
10
Ip=R/R,
1
10
где R, R - сопротивления изоляции, измеренные мегаомметром на 1-ой и 10-ой минутах соответственно.
Установлено техническими условиями [5] для погружных асинхронных электродвигателей, что величина Ip должна быть не менее 2. Несомненное достоинство этого способа, широко применяемого на практике, является простота и высокая достоверность измерения сопротивления изоляции с помощью мегаомметра, имеющего высокую точность.
Недостатком этого способа, как показывают проведенные испытания изоляции погружных асинхронных электродвигателей, является тот факт, что величина Ip может достигать значений 3-9 и более, т.е. очень велика степень неопределенности этого критерия. Измерение только сопротивления не обеспечивает оценку основного свойства диэлектрика изоляции - поляризации, которая характеризуется диэлектрической проницаемостью, хотя диагностический признак и называется «индекс поляризации». Это не позволяет объективно оценить собственно качество компаундирования обмоток электрической машины в сравнении с каким-либо эталоном.
k
Технической задачей изобретения является повышение качества изготовления электродвигателей путем контроля процесса компаундирования на основании определения объективного универсального критерия (критерия качества компаундирования - К), позволяющего оценить качество компаундирования обмоток электрических машин.
a
v
эксп
k
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе определения качества компаундирования обмоток электрических машин, заключающемся в том, что на объект измерений подают постоянное напряжение U, измеряют сопротивление R(t) объекта в течение времени, достаточного для достижения величины сопротивления практически установившегося значения, определяют значения переходного тока i(t)=U/R(t), далее, по кривой тока определяют диагностический признак оценки качества компаундирования обмотки в виде произведения экспериментальных значений основных характеристик компаунда (ε·ρ) - абсолютной диэлектрической проницаемости и удельного объемного сопротивления соответственно, затем определяют критерий качества компаундирования К путем сравнения экспериментальных характеристик компаунда с его паспортными данными по формуле:
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
v
a
а
К основным характеристикам изоляции относятся удельное объемное электрическое сопротивление ρ и абсолютная диэлектрическая проницаемость ε. Ни в одном из указанных способов оценки качества изоляции [1-6] не учитывается в явном виде именно диэлектрическая проницаемость ε, что не позволяет сформировать объективный критерий оценки, на основании которого можно было бы сравнить испытуемый образец с некоторым эталоном, характеризующим качество «идеальной» изоляции.
а
v
При этом диагностическим признаком является произведение абсолютной диэлектрической проницаемости ε и удельного объемного электрического сопротивления ρ - основных характеристик диэлектрика изоляции обмоток.
k
Способ определения величины критерия К реализуется при испытаниях изоляции обмоток электрической машины и заключается в вычислении постоянной времени Т по графику переходного тока i(t), характеризующего процесс заряда конденсатора, подключенного к источнику постоянного напряжения. Обкладками конденсатора являются провод обмотки статора и корпус электрической машины.
а
v
ут
абс
абс
Установлено, что постоянная времени Т, определяемая экспериментально, зависит от основных характеристик компаунда - абсолютной диэлектрической проницаемости ε, удельного объемного электрического сопротивления ρ и пропорциональна отношению тока утечки i, равного установившемуся значению тока заряда i(t), к току абсорбции i(t) при t=0-i(0):
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
.
а
v
эксп
Получив из этого выражения экспериментальное значение диагностического признака (ε·ρ)
<mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>Э</mi><mi>К</mi><mi>С</mi><mi>П</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
k
а
v
величина критерия К определяется через паспортные («идеальные») значения ε и ρ применяемого компаунда следующим образом:
<mrow><mn>3</mn><mo>≥</mo><msub><mi>K</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>1</mn></mrow>
.
k
Из этого выражения следует, что величина критерия К, как показывают экспериментальные исследования, должна находиться в довольно узком диапазоне от 1 до 3, т.е. повышается точность диагностирования и обеспечивается инвариантность критерия к типоразмеру электрической машины.
k
При ухудшении свойств диэлектрика (увлажнение изоляции, загрязнение ее примесями, появление грубых сосредоточенных дефектов, например, растрескивания или проколов и пр.) величина критерия К может оказаться более 3, что является объективным признаком ухудшения качества компаундирования обмоток электрической машины.
Предлагаемый способ определения качества компаундирования обмоток электрических машин иллюстрируется графическими и табличными материалами.
На фиг.1, 2, 3 представлены результаты обработки экспериментальных данных для определения критерия оценки качества компаундирования обмоток статора для ряда асинхронных погружных электродвигателей различной мощности и габаритов (значения переходного тока, построенные графики переходных токов для соответствующих электродвигателей).
На фиг.4 представлены результаты сравнения оценки критерия качества компаундирования погружных электродвигателей различной мощности и схема замещения. Для сравнения в табл.4 приведены также соответствующие значения индексов поляризации и коэффициентов абсорбции.
Предлагаемый способ определения качества компаундирования обмоток электрических машин реализуется следующим образом.
Испытуемая изоляция ПЭД (обмотка-корпус) подключается к высоковольтному источнику постоянного напряжения U и производится измерение мегаомметром сопротивления изоляции R(t) в течение времени t, за которое величина сопротивления достигает практически установившегося значения, как это принято для экспоненциальных функций. Как показывают эксперименты, это время составляет примерно 10 минут. Измерения проводятся с нарастающими интервалами времени (примерно): 0, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0, 5.0, 7.0, 10.0 минут (всего 10-15 измерений), как показано в табл.1-3 в качестве примера для ряда асинхронных ПЭД различной мощности и габаритов.
Затем вычисляются значения переходного тока i(t)=U/R(t), значения представлены для соответствующих моментов времени в табл.1-3 фиг.1-3.
Осуществляется построение графиков переходных токов; i(t), изображенных на фиг.1-3, для соответствующих электродвигателей, и представленных аппроксимирующими функциями следующего вида:
<mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>t</mi><mo>/</mo><mi>T</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                                       (1)</mtext></mrow>
ут
где i - ток утечки, мкА;
абс
i(0) - ток абсорбции при t=0;
0
Т=R·C - постоянная времени заряда конденсатора, С.
0
Здесь R·и С - сопротивление и емкость цепи заряда конденсатора, соответствующие схеме замещения, приведенной на фиг.4. Схема замещения соответствует процессу заряда, который описывается формулой (1).
На основании формулы (1) и схемы замещения записываются следующие величины, соответствующие процессу заряда:
<mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>δ</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                               (2)</mtext></mrow>
из
v
э
э
где R - сопротивление изоляции, Ом, выраженное через удельное объемное сопротивление ρ, и эквивалентные толщину δ и площадь поверхности S изоляции.
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                                                                        (3)</mtext></mrow>
э
э
Заметим, что в выражениях (2) и (3) многослойная изоляция представлена в виде эквивалентной однослойной, т.к. более подробный анализ показывает, что преобладающим является слой компаунда с эквивалентными и неизвестными значениями δ и S. Такое представление не противоречит экспериментальным кривым i(t), учитывающим поляризационные процессы в 3-слойной изоляции обмоток ПЭД.
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mtext>                                                             (4)</mtext></mrow>
неизвестное заранее сопротивление цепи заряда, выраженное через известные из эксперимента величины.
С учетом (2), (3), (4) определяется выражение для постоянной времени Т:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>δ</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>а</mi></msub><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>S</mi><mi>э</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>δ</mi><mi>э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>.</mo><mtext>         (5)</mtext></mrow>
Определяется экспериментальное значение произведения
<mrow><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>T</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                                      (6)</mtext></mrow>
Здесь величина постоянной времени Т определяется, как это принято для экспоненциальных функций (фиг.1-3): на графике i(t) находится точка с ординатой
<mrow><mn>0.37</mn><msub><mi>i</mi><mrow><mi>а</mi><mi>б</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mn>0.37</mn><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>у</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>.</mo><mtext>                                                                (7)</mtext></mrow>
Из этой точки опускается перпендикуляр до пересечения с осью времени. Точка пересечения определяет отрезок, равный постоянной времени Т заряда конденсатора в выбранном масштабе по оси времени t.
k
Определяется критерий качества компаундирования К путем сравнения экспериментальных характеристик компаунда с их паспортными значениями
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>v</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>э</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext>                                                                                   (8)</mtext></mrow>
k
k
На основании экспериментальных данных устанавливается диапазон допустимых значений критерия К для соответствующих изделий и типа компаунда изоляции обмоток. Проведенные эксперименты с рядом ПЭД асинхронного типа с компаундом Элпласт 220 ИД показали (см. табл.4), что значение критерия Кнаходится в диапазоне от 1 до 3:
<mrow><mn>3</mn><mo>≥</mo><msub><mi>K</mi><mi>k</mi></msub><mo>≥</mo><mn>1.</mn><mtext>                                                                                          (9)</mtext></mrow>
k
а
v
Таким образом, критерий К является объективным и универсальным критерием, практически не зависящим от типоразмеров изделия, т.к. определяется экспериментально с учетом только основных свойств диэлектрика ε и ρ.
Список цитируемой литературы
1. Патент РФ 2101716. Способ измерения установившегося значения сопротивления изоляции.
2. В.В.Базуткин, В.П.Ларионов, Ю.С.Пинталь. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжение в электрических системах: Учебник для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 464 с.: ил.
3. Патент РФ 2229143. Способ диагностирования корпусной изоляции электрической машины.
4. Руководство по эксплуатации MI 2077. http://www.astena.ru/mi2077_2.html
5. Двигатели асинхронные погружные унифицированной серии БПЭД. Технические условия ТУ 3381-030-00136679-2011. ОАО «Бугульминский электронасосный завод», РТ, г.Бугульма, 2011 г.
6. Polarization Index Test. http://www.powertestasia.com/polarization-index/polarization-index-testing.html.