СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПО СЛОЯМ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
METHOD OF DETERMINING DISTRIBUTION OF ELECTRIC VOLTAGE ACROSS ELECTRICAL MACHINE INSULATION LAYERS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для нахождения распределения электрического напряжения по слоям изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины (ЭМ) для оценки изменения ее электрической прочности.
Предпосылки к изобретению
В процессе эксплуатации электрической машины ее электрическая изоляция претерпевает тепловое и электрическое старение, подвергается действию вибрации и других вредных факторов, вследствие чего в изоляции происходят физические и химические изменения, в частности, увеличивается ее поперечная слоистая неоднородность, приводящая к более неравномерному перераспределению напряжения по слоям в изоляции между проводниками и корпусом машины, в результате чего в слоях изоляции повышается электрическая напряженность и в итоге снижается ее электрическая прочность. Существующие методы и средства не позволяют неразрушающим методом устанавливать распределение напряжения по слоям изоляции обмотки электрической машины, находящейся в эксплуатации.
Предлагаемый способ позволяет судить об изменении электрической прочности изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины посредством определения распределения электрического напряжения по слоям изоляции методом неразрушающего контроля.
Известна высоковольтная изоляция конденсаторного типа [1], в которой распределение напряжения между ее дополнительными слоями рассчитывают на основе соотношения емкостей между элементами конструкции изоляции и ее схемы замещения.
Приведенный в [1] расчет распределения напряжения между слоями высоковольтной изоляции конденсаторного типа не позволяет его использовать для установления распределения напряжения в слоях изоляции электрической машины в силу ее конструктивных особенностей, не дающих возможности получить параметры, используемые в расчетах соответствующих величин в [1].
Известен способ определения распределения напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций [2] на основе расчета с использованием величин собственных емкостей изоляторов, емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т.д.), емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (провода, арматуры).
Расчет распределения напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций [2] не позволяет его использовать для установления распределения напряжения по слоям изоляции электрической машины в силу отличия ее конструкции от изоляционных конструкций в [2].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ [3, с. 4, 5], в котором для оценки степени увлажнения изоляции электрической машины используют коэффициент абсорбции, рассчитываемый на основе начального значения тока, проходящего через изоляцию при ее включении на постоянное напряжение, и его установившегося значения.
Для электрических машин, находящихся в эксплуатации, характерна сухая (неувлажненная) изоляция, поэтому способ [3, с. 4, 5] не решает задачу по нахождению распределения электрического напряжения по слоям изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является -выявление тенденции изменения электрической прочности изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины с целью прогнозирования ее пробоя.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в период технического обслуживания электрической машины измеряется ток, проводимый через ее изоляцию, включающий в себя переходный (ток абсорбции) и установившийся ток. Параметры тока, проводимого через изоляцию, используются в алгоритме расчета распределения напряжения по ее слоям.
Способ осуществляют следующим образом
aбc
абс
∞
К обесточенной электрической машине, например, к статорной обмотке асинхронного двигателя (АД) и его корпусу подключается источник постоянного тока, под воздействием которого через изоляцию обмотки статора будет проходить ток, состоящий из переходного тока абсорбции i с начальным значением I, обусловленного главным образом слоистой неоднородностью изоляции, и установившегося тока I, обусловленного сквозным током утечки изоляции. Переходный ток будет иметь постоянную времени, обозначенную параметром Т. Вид графика переходного и установившегося тока через изоляцию обмотки показан на фигуре 1.
Изложенный процесс моделируется эквивалентной электрической схемой замещения двухслойной изоляции электрической машины, приведенной на фигуре 2. На схеме использованы следующие обозначения. ИП - источник постоянного тока, с выходным напряжением - U; Кл - ключ замыкания (размыкания) цепи схемы; Пр - предохранители; Ш - шунт для съема сигнала тока цепи; блок ИЗ, содержащий эквивалентную электрическую схему замещения двухслойной изоляции электрической машины с точками вывода 1, 2, включающий в себя:
1
С - эквивалентную емкость первого слоя изоляции;
1
R - эквивалентное сопротивление, характеризующее активные потери емкости изоляции первого слоя;
2
С - эквивалентную емкость второго слоя изоляции;
2
R - эквивалентное сопротивление, характеризующее активные потери емкости изоляции второго слоя;
К - корпус электрической машины;
i(t) - сигнал по току, проходящего через изоляцию, поданный на осциллограф Ос;
1
2
u, u - напряжения первого и второго слоя изоляции.
Выбор модели двухслойной изоляции электрической машины обусловлен тем, что один слой условно принимается за слой исправной изоляции, сохранившей свою монолитность, другой - представляет собой слой поврежденной изоляции, претерпевшей физические и химические изменения (образование в нем трещин, расслоений, полостей и т.п.).
При подключении источника постоянного тока ИП ключом Кл к клемме одной из фаз асинхронного двигателя (точка 1, фигура 2) и к корпусу АД (точка 2) через изоляцию, эквивалентируемую ее двухслойной схемой замещения (блок ИЗ), протекает ток i(t), регистрируемый осциллографом Ос по сигналу, снимаемого с шунта Ш. Этот ток согласно [3] равен:
1
2
1
2
При длительной транспортировке, хранении, простое в условия повышенной влажности электрические машины имеют увлажненную изоляцию. У таких машин проводимости слоев изоляции могут отличаться друг от друга (R≠R) при проникновении влаги в один слой изоляции или они могут быть приблизительно равны между собой при сквозном увлажнении изоляции (R≈R).
1
2
из
из
Для электрических машин, находящихся в эксплуатации, характерна сухая (неувлажненная) изоляция с приблизительно равными проводимостями слоев (R≈R=R=R/2, где R - сопротивление изоляции статорной обмотки). В этом случае выражения (1) приобретают следующий вид:
1
2
из
абс
1
2
Два последних выражения сводятся в систему из двух уравнений с двумя неизвестными С и С, параметры U и R=R/2 являются исходными, а параметры I и Т определяются из осциллограммы (фигура 1). Решением этой системы уравнений будут значения емкостей первого и второго слоев - С и С.
1
2
Согласно теории диэлектриков напряжения на слоях двухслойной изоляции в начальный момент (t=0) заряда емкостей С и С распределяются обратно пропорционально их величинам:
1
2
По окончании заряда емкостей слоев изоляции напряжение на них распределяется равномерно, прямо пропорционально величинам сопротивлений слоев R≈R=R:
1(0)
2(0)
Для рассматриваемого случая наиболее неравномерное перераспределение напряжения по слоям в изоляции происходит в начальный момент заряда емкостей слоев (u≠u), а после окончания их заряда распределение напряжения по слоям становится равномерным
У работающей электрической машины, напряжение U из выражения (1) будет переменным рабочим напряжением между фазой машины и корпусом. Это напряжение может быть кратно больше его номинального значения при импульсных перенапряжениях.
Таким образом, осуществляя регулярный контроль распределения напряжения по слоям изоляции, судят о тенденции изменения электрической прочности изоляции статорной обмотки.
Пример
m
∞
абс
Пусть изоляция статорной обмотки АД имеет следующие параметры: U=100В, R=1 МОм, I=0,1 мА, I=0,04 мА, Т=4 сек.
1
2
Подставив значения этих параметров в (2), получим, что С=13 мкФ, С=3 мкФ. Тогда распределение напряжений по слоям в начальный момент заряда их емкостей согласно (3) будет следующим:
1(0)
2(0)
u=18,7 В; u=81 В
Если рабочее напряжение между фазой машины и корпусом будет, например, 6,6 кВ, то распределение напряжения по слоям изоляции будет:
1(0)
2(0)
u=1,24 кВ=1240 В; u=5,36 кВ=5360 В
1(0)
2(0)
Полученный результат свидетельствует о значительной неравномерности распределения напряжения по слоям изоляции (u≤u) ухудшающей ее электрическую прочность.
Источники информации
1. ru-patent.info/20/l5-19/2017247 … копия
2. revolution.allbest.ru/physics/ … копия
3. Ваксер Н.М., Бородулина Л.К. Изоляция электрических машин, лабораторный практикум. - Л.: ЛПИ имени М.И. Калинина, 1981.