METHOD FOR MONITORING AND DIAGNOSING THE TECHNICAL STATE OF THE "POWER SUPPLY - LOAD" SYSTEM
СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ "ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ - НАГРУЗКА"

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного автоматического контроля и диагностики технического состояния сложных, многоэлементных электротехнических объектов переменного тока, процесс функционирования которых содержит ряд последовательно выполняемых операций (циклов), привязанных ко времени.
1
2
3
Как известно, работа электрооборудования, имеющего циклический характер функционирования, может быть представлена в виде характерных областей (этапов), отличающихся параметрами токопотребления. Так, например, процесс запуска трехфазного асинхронного электродвигателя (АД) может быть рассмотрен в виде трех областей (этапов) (фиг. 1). На фиг. 1а) - 1в) показаны кинетики (изменения во времени) тока статора I при пуске двигателя с разным тормозным моментом М. В начальный момент, когда ротор неподвижен, индукционные токи в обмотке статора не возникают и потребляемый ток I определяется комплексным сопротивлением обмотки. По мере набора оборотов ротором индукционные токи снижают потребляемый АД ток I (этапы 1, 2, и 3) и он достигает установившегося значения при постоянной частоте вращения ротора. Тормозной момент М уменьшает частоту вращения и, соответственно, величину индукционных токов. В связи с этим возрастание тормозного момента сопровождается увеличением времени запуска (интервалы t t, t) и ростом величины установившегося значения тока I. Так, увеличение значения установившегося тока I в ситуации на фиг. 1в) составило порядка 30% по сравнению с ситуацией на фиг. 1а).
Таким образом, процесс установления вращения ротора АД можно представить состоящим из следующих этапов:
- подача электропитания на АД;
- нарастание вращающего момента при неподвижном роторе;
- ускоренное вращательное движение ротора;
- установившееся вращение ротора (установившееся значение тока I). Необходимо отметить, что с ростом тормозного момента М увеличиваются только продолжительность процесса запуска АД и амплитудные значения тока в установившемся режиме, тогда как явная выраженность этапов и форма токового сигнала сохраняются без изменений при всех последующих включениях АД.
Каждый из отмеченных этапов имеет определенную продолжительность, определенные величины электрических параметров (напряжений, токов), а также форму электрического сигнала, определенную фиксированную величину тормозного момента М и т.д. Перечисленные характеристики этих этапов будут одинаковы для всех АД одного типа и могут быть использованы для решения задач контроля параметров и определения технического состояния конкретного типа АД
Другим устройством, имеющим более сложный цикл функционирования, является трехфазный стабилизированный полупроводниковый выпрямитель. Эти выпрямители подвергаются периодической проверке на функционирование, заключающейся в последовательном контроле состояния его функциональных элементов при их подключении к заведомо известной нагрузке [1]. Для регистрации формы кривой потребляемого выпрямителем тока I могут быть использованы различные магниточувствительные датчики. На фиг.2 представлен вид выходного сигнала индукционного датчика, подключенного по схеме трансформатора тока к проводу одной из фаз питающего напряжения. С целью представления сигнала целиком выбран соответствующий масштаб его временной развертки. В данном масштабе внешний вид сигнала датчика для других фаз выглядит аналогично. Как и в примере с АД кривая токопотребления содержит ряд характерных фиксированных во времени этапов (участки 1-5), при этом каждый этап соответствует проверке определенногоэлемента (группы элементов) выпрямителя и характеризуется как определенной величиной, так и формой потребляемого тока. Очевидно, что данные перечисленные характеристики этих этапов будут практически одинаковы для всех выпрямителей данного типа.
Объектов различной степени сложности, имеющих циклический характер функционирования, может быть выявлено достаточно много и задача их контроля и диагностики в процессе работы в реальном масштабе времени также является достаточно актуальной. Техническое состояние объекта (и его элементов) определяется многими влияющими факторами, в частности, одним из значимых для электрооборудования является фактор качества питающего напряжения. Так, момент вращения и скольжение АД зависит от питающего напряжения на их зажимах. В случае снижения напряжения питания при той же потребляемой двигателем мощности увеличивается потребляемый ток. При этом происходит более интенсивный нагрев обмоток и соответственно снижается срок службы двигателя. При длительной работе полностью загруженного двигателя с отклонениями напряжения на зажимах в -10% от номинального значения срок его службы сокращается вдвое. Повышение напряжения приводит к увеличению потребляемой реактивной мощности. В среднем, на каждый 1% повышения напряжения от номинального значения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3% (в основном за счет увеличения тока холостого хода двигателя). Несинусоидальность напряжений, характеризующаяся наличием, помимо гармоники основной частоты, слагающими гармониками высших частот, оказывает влияние на работу устройств контроля, автоматики, телемеханики и связи. Несинусоидальные токи приводят к дополнительному нагреву электродвигателей, увеличению диэлектрических потерь в конденсаторах и т.д. Возможно также возникновение резонансных явлений, что приводит к резкому возрастанию токов и напряжений в устройствах и сетях [2].
В этой связи в процессе функционального контроля и диагностики электротехнических объектов важной является задача разделения причины возникновения аномальной ситуации между питающей стороной («Источник питания») и объектом («Нагрузка»). Одним из путей решения этой задачи является анализ формы кривой и параметров питающего напряжения (тока) на основных фиксированных областях функционирования объекта.
Известен способ диагностики состояния электротехнического объекта на основании анализа спектра сигнала от датчика информационного параметра состояния [3]. Объектами контроля здесь могут быть различные электрические машины, в частности, в качестве примера - АД. Информационными параметрами диагностического контроля технического состояния в работающем АД рассматриваются высшие гармонические спектральные составляющие сигнала датчика магнитного поля рассеяния или внешнего магнитного поля (ВМП) в лобовой части обмотки статора. На изменение амплитуд этих сигналов оказывает существенное влияние появление неисправностей в виде межвитковых или межфазовых замыканий.
Недостатком этого способа является сложный вид спектра сигнала (фиг. 3), содержащий большое число высших частот даже в том случае, когда объект находится в нормальном рабочем состоянии. Кроме того, в большинстве технических ситуаций частотный спектр непрерывно меняется во времени. Это приводит к тому, что различить спектры сигнала для двух моментов времени (либо двух технических состояний объекта) достаточно сложно.
Известен способ визуального контроля параметров энергопотребления и диагностики технического состояния электрооборудования переменного тока [4]. Согласно этому способу сигнал токопотребления электрооборудования переменного тока, снимаемый с помощью датчика ВМП, подключенного по схеме трансформатора тока к токоподводящим электрическую энергию проводам, преобразуют с помощью интегрирующего или дифференцирующего звеньев, т.е. создают из сигнала его искаженный заведомо известным методом образ (так называемую, реплику). Затем сигнал с выхода датчика подают на горизонтальные (вертикальные) отклоняющие пластины осциллографа, а сигнал-реплику с выхода интегрирующего (дифференцирующего) звена - на вертикальные (горизонтальные) отклоняющие пластины осциллографа. О режимах работы и техническом состоянии контролируемого электрооборудования судят на основании сравнения полученной на экране осциллографа текущей характеристической кривой (фигуры Лиссажу для негармонических сигналов) с набором (банком) эталонных характеристических кривых дефектных состояний объекта. На фиг.4 представлены формы сигналов датчика ВМП для различных фрагментов рассмотренного ранее (см. фиг.2) цикла проверки трехфазного полупроводникового выпрямителя и соответствующие им характеристические кривые.
На приведенной фигуре 4 цифрами 1-5 указаны фрагменты (области) кривой, для которых проведен анализ с помощью рассматриваемого способа. Результаты анализа представлены в следующем виде: а) - фрагмент формы сигнала датчика; б) - вид характеристической кривой. Как видно из рисунков, идентификационный анализ формы сигналов тока для рассматриваемых фрагментов достаточно сложен, в то время как характеристические кривые содержат явно выраженные отличительные участки, позволяющие четко привязать изменения кривых к той или иной технической ситуации. Анализ кривых показывает, что каждому участку цикла соответствует своя характеристическая кривая. При изменении (даже самом незначительном) контролируемого в ходе проверки функционального элемента полупроводникового выпрямителя или параметров питающего напряжения произойдет изменение формы характеристической кривой (участков кривой), что будет зафиксировано соответствующим устройством обработки информации.
Недостатком этого способа является невозможность учета влияния на форму получаемой характеристической кривой возможных искажений формы сигнала питающего напряжения, что понижает достоверность контроля и диагностики.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению, является способ контроля и диагностики состояния сложных объектов [5], заключающийся в регистрации сигнала информационного параметра состояния объекта, выделении внутри периода изменения сигнала информационного параметра области (этапа), наиболее полно отражающей наличие имеющегося дефекта, которая при необходимости может перемещаться в пределах периода, а также изменяться по длительности, формирование для этой области (этапа) характеристической кривой (фигуры Лиссажу для негармонических сигналов), которая сравнивается с предварительно созданными характеристическими кривыми из банка эталонных характеристических кривых дефектных состояний объекта контроля.
К недостаткам способа, выбранного за прототип, относятся:
1. Достоверность выявления факта возникновения неисправности и локализации отказавшего элемента может быть существенно снижена за счет возникновения помех, в первую очередь вызванных низким качеством напряжения питания, подаваемого на вход объекта.
2. Для реализации наиболее достоверного контроля и диагностики технического состояния объекта банк эталонных характеристических кривых должен содержать достаточно большое количество (N) кривых дефектных состояний объекта, что усложняет практическую реализацию способа.
3. Изменение величины тока, вызванное изменением технического состояния контролируемого объекта, может быть незначительным и при непосредственном измерении этой величины трудно выявляемым, при этом способ, выбранный за прототип, не позволяет установить истинную причину этого изменения, например, вследствие изменения параметров питающего напряжения.
Это связано с тем, что процессы, происходящие в электрооборудовании объекта (старение, износ, изменение температуры, механические воздействия и др.) проявляются, прежде всего, в изменении сопротивления его электрических цепей. Этот факт вызывает, соответственно, изменение величины потребляемого данными элементами электрического тока. При этом важным является не столько измеренное значение величины тока, сколько особенности формы его кривой, поскольку именно присутствующие в ней, часто весьма малые искажения, являются теми информационными признаками, которые позволяют выявить появление неисправности в электрооборудовании на ранних этапах ее возникновения и развития. Вместе с тем, причиной изменения величины и формы кривой тока может быть не только изменение технического состояния электрической цепи (элемента, узла) контролируемого объекта, но и изменение величины и формы кривой питающего напряжения.
Таким образом, для электрооборудования с циклическим характером изменения энергопотребления важным является не только измерение величины потребляемого тока, но и учет особенностей изменения формы сигналов тока, потребляемого объектом, а также качества напряжения, его питающего, что позволит повысить точность определения технической ситуации в электрооборудовании [6]. В данном случае качество напряжения оценивается такими его показателями как отклонение и колебания значений напряжения, коэффициент несинусоидальности, который учитывает искажение формы сигнала, вызванное появлением в синусоиде высокочастотных спектральных составляющих и т.д. Причиной появления таких искажений часто является именно неисправность в источнике питания.
Целями предлагаемого изобретения являются:
1. Расширение возможностей контроля технического состояния объектов, функционирование которых носит циклический характер, и повышение его достоверности за счет учета влияния качества напряжения, поступающего на объект от источника питания.
2. Сокращение объема операций, составляющих способ и упрощение устройства его реализующего, за счет существенного сокращения количества эталонных характеристических кривых (К), так как при реализации заявляемого способа необходимы характеристические кривые, соответствующие только лишь исправному состоянию объекта для соответствующих выделенных областей (интервалов), т.е. К « N.
Поставленные цели достигаются тем, что в объекте происходит регистрация информационного параметра (сигнала) состояния системы, формирование текущей характеристической кривой сигнала (фигуры Лиссажу для негармонических сигналов) и ее сравнение с эталонными характеристическими кривыми, причем, формирование текущих характеристических кривых происходит в строго фиксированных областях внутри циклической кривой токопотребления системы, отличающихся друг от друга формой кривой тока, сравнение этих кривых с эталонными характеристическими кривыми, полученными для данных областей и соответствующими исправному состоянию объекта, при этом несовпадение текущих и эталонных характеристических кривых в одной (нескольких) областях соответствует неисправности соответствующих функциональных элементов объекта, а несоответствие текущих и эталонных характеристических кривых во всех областях циклической кривой соответствует низкому качеству напряжения питания объекта или неисправности источника питания.
Сущность изобретения состоит в следующем. Кривая токопотребления электрооборудования, имеющего циклический характер функционирования, представляет собой чередование областей (этапов), отличающихся как величиной тока, так и формой его кривой. Характеристические кривые, полученные в ходе измерения и обработки сигнала датчика ВМП, фиксируют изменение тока в этих областях. Далее производится сравнение этих кривых с набором эталонных, что позволит выявить появление дефектов (в том числе и на ранних стадиях) в той или иной области цикла функционирования. Это позволит определить потребителя(-ей), задействованного(-ых) в этой области и его(их) возможную неисправность.
В качестве иллюстрации на фиг. 5а) представлены графики тока I с допустимыми границами изменения (заштрихованные участки) в цикле функционирования исправной электроустановки, содержащей 4 последовательно задействованных функциональных элемента (потребители П1-П4); соответствующие каждой области (этапу) цикла текущие характеристические кривые и набор эталонных кривых для каждой области цикла. На фиг. 5б) в области, соответствующей задействованию второго потребителя (П2) зафиксирована его неисправность, показана соответствующая этой ситуации текущая характеристическая кривая, отличающаяся от эталонной.
Фиг. 6а) соответствует исправно работающей электроустановке, получающей напряжение заданного качества (источник питания исправен). На фиг. 6б зафиксировано отличие текущих характеристических кривых от эталонных во всех областях цикла (этапах). Это свидетельствует о низком качестве питающего напряжения, вызванного, в том числе, возможной неисправностью источника питания.
Предлагаемый способ позволяет реализовать высокочувствительный бесконтактный контроль и диагностику технического состояния системы «Источник питания - Нагрузка», в том числе решить проблему размещения и ориентации датчиков. При этом важным обстоятельством является тот факт, что датчики ВМП, подключаемые к токоподводам по схеме трансформатора тока, могут быть установлены как непосредственно у объекта, так и в любом другом, удобном для размещения аппаратуры контроля, месте [6].
На фиг. 7 представлена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего заявленный способ. Датчик внешнего магнитного поля 2, производящий измерение информационного параметра (например, измерительный преобразователь напряженности ВМП объекта) размещается вблизи объекта контроля 1. Выход датчика подключен ко входу блока формирования выходного сигнала 3, выход которого подключен к первому входу блока формирования выделенной области сигнала 5. Кроме того, выход датчика 2 подключен ко входу блока формирования синхроимпульсов 4, выход которого подключен ко входу блока установок масштабных коэффициентов 6, выход которого также подключен ко второму входу блока формирования выделенной области сигнала 5. Выход блока формирования выделенной области сигнала подключен ко входу блока формирования характеристической кривой 7, выход которого подключен ко входу блока сравнения 9. Ко второму входу блока сравнения 9 подключен блок эталонных характеристических кривых 8. Выход блока сравнения 9 подключен ко входу блока логического 10, а его выход подключен ко входу блока индикации 11. Информацию с блока индикации 11 воспринимает оператор 12; он же управляет работой блока установки масштабных коэффициентов 6.
Устройство работает следующим образом. Сигнал информационного параметра с выхода датчика ВМП 2 поступает на входы блока формирования выходного сигнала 3 и блока формирования синхроимпульсов 4. Датчик может быть либо включен непосредственно в электрическую схему объекта, либо может осуществлять бесконтактные измерения путем регистрации параметров, например, электромагнитного излучения, сопровождающего работу объекта. Блок формирования выходного сигнала 3 осуществляет преобразование сигнала информационного параметра с выхода датчика 2 в кривую токопотребления с характерными участками, соответствующими различным этапам работы объекта (например, см. фиг. 1 и 2). В блоке формирования синхроимпульса 4 происходит «жесткая» привязка выходного импульса этого блока к начальной («нулевой») фазе, полученной в блоке формирования выходного сигнала 3 кривой токопотребления. Выходные импульсы блока формирования синхроимпульсов 4 поступают на вход блока установки масштабных коэффициентов 6. В этом блоке оператором (в случае необходимости) осуществляется корректировка (увеличение или уменьшение) продолжительности циклической кривой токопотребления объектом. Такая ситуация соответствует, например, кинетике пуска асинхронного двигателя с различной величиной тормозного момента (см. фиг. 1). В соответствии с результатом корректировки блок формирования выделенной области сигнала 5, осуществляет выделение конкретных областей цикла из сигнала информационного параметра, снимаемого с датчика магнитного поля 2 для каждого характерного участка процесса токопотребления. Выделенные области сигнала поступают в блок формирования характеристической кривой 7, после чего в блоке сравнения 9 полученные для каждой области кривые сравниваются с соответствующими кривыми из блока эталонных характеристических кривых 8. Результаты сравнения поступают в блок логический 10, где происходит подсчет количества совпадений текущих и эталонных характеристических кривых. В случае различия характеристических кривых в одной из областей, кривой токопотребления фиксируется возникновение дефекта в соответствующем потребителе. Отличие характеристических кривых во всех областях кривой токопотребления свидетельствует о низком качестве питающего напряжения, вызванного, в том числе, возможной неисправностью источника питания. Результаты анализа ситуации из блока логического 10 поступают в блок индикации 11 для представления оператору.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет выявлять причины возникновения отклонений в работе электрооборудования с циклическим характером функционирования за счет разделения возникающих неисправностей в самом электрооборудовании и отклонений от нормы параметров питающего электрооборудование напряжения, вызванных, в том числе, неисправностью источника питания.
Использованные источники 1. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. и др. Повышение эффективности эксплуатации электрооборудования с продленными сроками гарантии. Труды III Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные проблемы развития и эксплуатации систем внутреннего и автономного электроснабжения специальных объектов». Балашиха.: Военная академия РВСН им. Петра Великого, 2017.
2. Солдаткина Л.А. Электрические сети и системы: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1978.
3. Гаджиев Г.А. и др. Исследование магнитных полей рассеяния в электрических машинах для их диагностики в условиях работы. «Электротехника», №6, 2000, С. 22-27.
4. Сукиязов А.Г., Вербов В.Ф, Просянников Б.Н. и др. Патент РФ на изобретение №2378656 "Способ визуального контроля параметров энергопотребления и диагностики технического состояния электрооборудования переменного тока", 2010.
5. Вербов В.Ф., Просянников Б.Н., Сукиязов А.Г. Патент РФ на изобретение №2641322 "Способ контроля и диагностики состояния сложных объектов", 2018. (прототип)
6. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. и др. О возможности реализации непрерывной диагностики технического состояния электрических машин переменного тока. «Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения», №1, 2009, С. 125-129.