Способ определения изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки электрической машины
METHOD FOR DETERMINING CHANGES IN THE LEVELS OF DISTRIBUTED LEAKAGE CURRENTS THROUGH THE INSULATION OF THE WINDING OF AN ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины.
Предпосылки к изобретению. В процессе эксплуатации электрической машины в силу старения ее изоляции происходят изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию вдоль проводника обмотки и корпусом.
Регулярный контроль изменения уровней указанных токов на элементарных участках изоляции вдоль проводника обмотки и корпусом электрической машины позволяет выявлять дефектные участки изоляции, облегчающие поиск и устранение неисправностей обмотки, а также позволяет судить о тенденции ухудшения состояния изоляции.
Известен способ определения сопротивления путей утечек на землю в электрических системах [1], согласно которому производят ряд замеров токов утечки на землю и общего тока системы, составляют систему уравнений, решением которой будут значения сопротивлений путей утечек току на землю каждого элемента системы.
Применение способа [1], в определении изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины требует в процессе замеров параметров обмотки поочередное шунтирование амперметром его элементов (витков), что практически не осуществимо применением методов неразрушающего контроля.
Известен способ установления места снижения сопротивления изоляции и определения мощности токовой утечки [2], согласно которому у исправного объекта измеряют эталонное сопротивление изоляции, при подключенном между полюсом объекта и его корпусом потенциометре, при различных значениях его сопротивления измеряют напряжение между точками его подключения, определяющего диаграмму напряжений между витками обмотки и корпусом, рассчитывают число витков обмотки, приходящихся на один Вольт разности между фазным напряжений и каждым значением измеренного напряжения между точками подключения потенциометра, в случае снижения сопротивления изоляции в обмотке измеряют данный параметр, измеряют напряжение между полюсом обмотки и корпусом, определяют соответствующую этому напряжению диаграмму напряжений между витками обмотки и корпусом, рассчитывают сопротивление возникшей дополнительной утечки через изоляцию, в исходных данных находят значение сопротивления потенциометра, близкое к сопротивлению дополнительной утечки и соответствующее ему напряжение между полюсом обмотки и корпусом, находят разность напряжения между полюсом обмотки и корпусом, соответствующего дополнительной утечке, и напряжения между полюсом обмотки и корпусом, соответствующего значению сопротивления потенциометра, близкого к сопротивлению дополнительной утечки, используя найденные значения в соответствующих расчетных формулах определяют порядковый номер витка с дефектной изоляцией, по диаграмме напряжений между витками обмотки и корпусом, соответствующей дополнительной утечке, находят напряжение, приложенное к возникшей утечке, по формуле для расчета мощности рассчитывают активную мощность, выделяемую на дополнительной утечке.
Применение способа [2] в определении изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины накладывает ряд ограничений, связанных с тем, что проводник диагностируемой обмотки будет электрически связан с проводниками других обмоток электрической машины, а также с проводниками внешних цепей и поэтому с увеличением их токов утечки на корпус будет расти погрешность в определении необходимых параметров. Кроме того, применение способа [2] в решении задачи, поставленной в заявленном изобретении, не позволяет непосредственно судить об изменении уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ [3], в котором для нахождения мест повреждения изоляции у объектов, содержащих последовательно соединенные участки (элементы) с неодинаковыми параметрами, измеряют ток однополюсного замыкания на земляную шину, а также сопротивление изоляции при отключенном питании, измеряют у исправного объекта распределение напряжения между соответствующими точками вдоль объекта и земляной шиной. При снижении сопротивления изоляции измеряют этот параметр, вновь измеряют значение однополюсного замыкания образца, находящегося под напряжением, на земляную шину, рассчитывают сопротивление дополнительной утечки через изоляцию и приращение тока однополюсного замыкания, по их произведению определяют падение напряжения на сопротивлении дополнительной утечки, сравнивают полученное падение напряжения с распределением напряжения между соответствующими точками исправного объекта и земляной шиной и по результатам сравнения судят о месте повреждения изоляции.
Применение способа [3] для определения изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины ограничено тем, что подключение ее диагностируемой обмотки к источнику постоянного тока будет возможно при малых значениях его напряжения в связи с малым омическим сопротивление обмотки, вызывающим большой ток нагрузки, протекающим по обмотке. Однако малое напряжение, приложенное к диагностируемой обмотке, влечет за собой небольшое падение напряжения на его витках и соответственно малые величины токов утечки витков на корпус и в связи с этим сложности в определении изменения их уровней. Кроме того, проводник диагностируемой обмотки будет электрически связан с проводниками цепей источника постоянного тока и поэтому с увеличением их токов утечки на корпус будет расти погрешность в определении необходимых параметров. Следует также отметить, что применение способа [3] в решении задачи, поставленной в заявленном изобретении, не позволяет непосредственно судить об изменении уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус электрической машины. Указанные недостатки устраняются в предлагаемом изобретении.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является -определение изменения уровней распределенных токов утечки через элементарные участки изоляции (витков) от проводника обмотки на корпус, позволяющие устанавливать участки дефектной изоляции и судить о тенденции изменения состояния изоляции. При этом диагностируемая обмотка электрически разобщена с проводниками других обмоток, что обеспечивает определение изменения уровней распределенных токов утечки через ее изоляцию на корпус без влияния токов утечки на корпус проводников других цепей.
На фигуре 1 показаны: (а) - электрическая схема трехфазной обмотки электрической машины; (б), (в) - диаграммы токов утечки через изоляцию на корпус и электрических потенциалов витков обмотки относительно корпуса; (г) - графики функций тока замыкания на корпус и его производной.
ут
На электрической схеме (а) трехфазной обмотки электрической машины обозначены: 1 - источник переменного напряжения, подключаемый к двум обмоткам, соединенных последовательно; А, В, С - обозначение клемм начала фаз; 2 - магнитный сердечник, общий для фаз электрической машины; 3 - перемычка, соединяющая последовательно обмотки двух фаз, обеспечивающая увеличение числа витков, создающих магнитодвижущую силу в сердечнике; АЦП - аналого-цифровой преобразователь, преобразующий аналоговые сигналы тока в цифровые сигналы с дальнейшей передачей их в процессор Пр, выполняющий обработку и отображение данных; мкА - микроамперметр (датчик тока), измеряющий сигнал, пропорциональный току замыкания проводника обмотки на корпус; К - ключ цепи замыкания (размыкания) проводника обмотки на корпус, содержащей микроамперметр с последовательно соединенным потенциометром П. Ключ К, разомкнутый в исходном состоянии, двухпозиционный: в позиции I цепь датчика тока и потенциометра П подключается к клемме начала диагностируемой обмотки, например, фазы С, в позиции II эта цепь подключается к клемме конца обмотки фазы С. Потенциометр П, регулирующий величину тока замыкания проводника обмотки на корпус, имеет градуированное поле (х) для фиксации положения движка на этом поле, находящийся в исходном положении в введенном состоянии; i - ток утечки через изоляцию элементарного участка обмотки (витка) на корпус; 4 - корпус электрической машины; е - э.д.с, индуцируемая в обмотке С магнитным потоком сердечника; u - напряжение на обмотке С.
При подключении напряжения от источника 1 к обмоткам А и В через их витки протекает ток, создающий магнитодвижущую силу и магнитный поток в сердечнике, индуцирующий в обмотке С э.д.с. индукции (e), равную напряжению (u) на обмотке, находящейся в состоянии холостого хода.
На диаграммах (б) показано исходное распределение электрических потенциалов u(х) проводника обмотки С относительно корпуса в одном из полупериодов изменения напряжения на обмотке. При равенстве электрических сопротивлений витков проводника и их сопротивлений изоляции относительно корпуса, характерное для исправной изоляции, это распределение будет близким к линейному, определяемое согласно правилу Кирхгофа алгебраическим равенством токов утечки через элементарные участки изоляции Σ(+iут), протекающих на корпус (узловая точка) от проводника обмотки с положительными потенциалами относительно корпуса (участок проводника от точки перемены полярности тока утечки (n) до точки конца проводника обмотки m) и от корпуса к проводнику обмотки Σ(-iут) с отрицательными потенциалами относительно корпуса (участок проводника от 0 до n) в соответствующий полупериод изменения напряжения на обмотке. Линия 0-n-m является линией нулевого потенциала. Принимая непрерывными изменения величин рассматриваемых потенциалов по длине обмотки (х), указанное распределение электрических потенциалов представляется непрерывной функцией с графиком u(х).
ут
ут
Под действием указанных потенциалов через изоляцию протекает ток утечки, также имеющий для данного случая распределение, близкое к линейному вдоль длины проводника обмотки, представленный непрерывной функцией распределения тока утечки с графиком i(x) и -i(x).
мкА
ут
мкА
ут
мкА
ут
На диаграммах (в) показаны конечные положения диаграмм потенциалов u'''(x) и распределения тока утечки через изоляцию на корпус i'''ут(x) при подключенной к клемме С через ключ К (положение I) внешней измерительной цепи микроамперметра мкА с выведенным потенциометром, замыкающим проводник обмотки на корпус. При этом потенциал клеммы С относительно корпуса будет нулевым, а потенциал клеммы конца проводника обмотки будет равен индуцируемой е.д.с (e=u), а ток утечки через изоляцию будет протекать от проводника обмотки на корпус в соответствующем полупериоде изменения напряжения на обмотке. При последовательном выведении потенциометра от исходного введенного состояния до состояния полного выведения исходная линия нулевого потенциала 0-n-m последовательно перемещается в конечное положение линии нулевого потенциала 0'''(n''')-m''' через промежуточные положения, в частности, положения 0'-n'-m' и 0''-n''-m''. При этом точка (n) на линии нулевого потенциала будет последовательно перемещаться влево вдоль этой линии до конечного положения 0''' пропорционально перемещению движка потенциометра вдоль его градуированной линии (х). В процессе выведения потенциометра микроамперметр фиксирует увеличивающийся отрицательный ток замыкания проводника на корпус -I(х) во внешней измерительной цепи в функции от длины проводника х, график которой показан на рисунке (г) фигуры 1, обеспечивающий баланс положительного и отрицательного токов утечки в связи с уменьшением отрицательного тока утечки -I. Функция тока замыкания -I(х) является интегральной величиной, дополняющей до указанного баланса уменьшающийся отрицательный ток утечки -I, и геометрически характеризуется при выведенном потенциометре площадью фигуры n-m-m'''-0'''(n''') на диаграмме (в). Дифференцирование функции тока замыкания -I(х) позволяет найти функцию распределения этого тока по длине проводника  график которой приведен на рисунке (г) фигуры 1. Указанные величины находятся в функциональной зависимости от отрицательного тока утечки через изоляцию на корпус вдоль проводника обмотки -i(x).
мкА
ут
Функция -I(х) и его производная может также определяться в процессе введения потенциометра от выведенного положения до полностью введенного положения, «возвращающего» диаграммы u(х) и i(x) в исходные положения (диаграммы (б)).
мкА
мкА
Для нахождения функции распределения  положительного тока замыкания I(х), графики которых показаны на рисунке (г) фигуры 1, следует перевести ключ К в положении II при полностью введенном потенциометре. Дальнейшие действия аналогичны действиям по нахождению отрицательного тока замыкания -I(х) и его производной.
Найденные функции распределения тока замыкания проводника на корпус по длине проводника позволяют судить об уровнях распределенных токов утечки на корпус на различных участках проводника обмотки, обоснованных функциональной зависимостью указанных токов.
1
1
На фигуре 2, на диаграмме (а) показан график функции тока утечки  при введенном потенциометре через изоляцию с дефектным участком x, имеющим локальное увеличение тока утечки  вызвавшее смещение точки n от исходного положения в новое положение n', обусловленное соблюдением баланса положительного и отрицательного токов утечки. На этом графике выделена область δ, показывающая измененные уровни распределенных токов утечки через изоляцию на участке x.
1
1
1
1
На диаграмме (б) фигуры 2 показан график тока утечки  при выведенном потенциометре. График тока утечки  через изоляцию с дефектным участком x с увеличенным током утечки  показан в крайнем положении после последовательного выведения потенциометра от исходного (введенного) положения до конечного (выведенного) положения с прохождением промежуточных положений, показанных перемещением вниз линии нулевого потенциала 0'-n'-m' до положения этой линии 0'''(n''')-m'''. Прохождение линии нулевого потенциала через область δ графика  с увеличенным током утечки  расположенной между линиями 0'-n'-m' и 0''-n''-m'', распознается, как это показано на графиках (в) фигуры 2, посредством измененной на участке x функции отрицательного тока замыкания  во внешней измерительной цепи, фиксируемой микроамперметром, с последующим дифференцированием и получением функции распределения этого тока по длине проводника  измененной на участке x, характеризующей изменение уровня распределенных токов утечки относительно исходных уровней на определенном участке, определяемым локальным изменением графика -  на участке (x). При этом локальные изменения на графиках положительных величин тока  и его производной не происходят.
Способ осуществляют следующим образом
0
cm
cm
0
0
cm
cm
0
Для определения изменения уровня распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус, например, фазы С электрической машины необходимо подключить к источнику напряжения 1 (фигура 1 (а)) клеммы А и В обмоток, соединенных последовательно. При введенном потенциометре П перевести ключ К в позицию I (II). Плавно перемещать движок потенциометра в противоположную сторону - в позицию выведенного состояния потенциометра, зафиксировав на градуированной шкале поля потенциометра значение деления х=-х, соответствующего моменту появления на микроамперметре отрицательного тока замыкания. В процессе перемещения движка потенциометра будет наблюдаться рост тока замыкания. Зафиксировать на градуированной шкале поля потенциометра значение деления х=-х, соответствующее моменту стабилизации величины отрицательного тока замыкания (прекращения его роста). Разность между значениями указанных делений -Δх=|-х|-|-х| будет пропорциональна участку линии нулевого потенциала от точки перемены полярности (n) до точки начала этой линии (0). Затем следует переместить движок потенциометра в исходное положение (введенного потенциометра), перевести ключ К в позицию II (I). Выполнить порядок действий аналогичный действиям, изложенным выше, определив значения делений на шкале поля потенциометра х=+х и х=+х, соответствующие моментам появления и стабилизации величины положительного тока замыкания, вычислить разность +Δx=|+х|-|+x].
Определить соответствие количества витков -w(+w) обмотки, найденным разностям делений градуированного поля потенциометра, как:
где W - общее количество витков в обмотке (W=|-w|+|+w|), где |-w| - номер витка обмотки при счете с единицы, |-w|+|+w| - номер последнего витка обмотки.
Ввести в процессор найденные данные по виткам обмотки: 1, 2, …, |-w|, |-w|+1, |-w|+2, …, |-w|+|+w|, программа которого определяет функции тока замыкания обмотки на корпус в зависимости от номера витка и его производной, являющиеся исходными функциями.
С целью обнаружения дефектного участка изоляции и установления тенденции изменения ее состояния через определенный промежуток времени вновь выполняются изложенные выше действия по определению функций тока замыкания обмотки на корпус и его производной в зависимости от номера витка.
1
мкА
1
Если на участке обмотки (x) произошло локальное увеличение тока утечки на корпус  (область δ на графиках функции  фигуры 2 (а, б), то на графиках фигуры 2 (в) функций тока замыкания обмотки на корпус - I'(х) и его производной  в зависимости от номера витка обмотки появятся области δ с локальными изменениями уровней ординат указанных функций на витках обмотки, имеющих номера, соответствующие участку (x), позволяющие судить о локальном изменении уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус на определенных витках. Дальнейший контроль изменения уровней этих токов позволяет судить о тенденциях ухудшения состояния изоляции, а также выявлять новые участки с локальными изменениями указанных токов.
Для определения изменения уровней распределенных токов утечки через изоляцию обмотки на корпус на определенных витках в обмотках других фаз электрической машины выполняются выше приведенные действия.
Источники информации
1. findpatent.ru. / patent / 201 / 2010247.
2. Untitled - RU 2681257 C2_20190305.pdf
3. patents, su > 3 - 1580294 - sposob - opre…