Автоматизированная система комплексной диагностики состояния изоляции тяговых электродвигателей

4. Антонюк, В. Е. Конструктору станочных приспособлений: Справ. пособие [Текст] / В. Е. Антонюк. - Минск: Беларусь, 1991. - 423 с.

References

1. Smolyaninov V. S. Concept of process repair the chassis of freight cars [Kontseptsiia postroeniia tekhnologicheskogo protsessa remonta khodovoi chasti gruzovogo vagona]. Materialy sbornika statei po rezul'tatam vypolneniia programmy fundamental'nykh i poiskovykh nauchno-issledovatel'skikh rabot za 1998 god. (Materials collection of articles on the results of the program of fundamental and exploratory research works for 1998). - Omsk, 1998.

2. Smolyaninov V. S., Smolyaninov P. V., Chetvergov V. A. Rationale for ways to improve the reliability of the braking system of freight wagons. [Obosnovanie puti povysheniia nadezhnosti tormoznoi sistemy gruzovykh vagonov]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 1 (9), pp. 42 - 50.

3. Smolyaninov A. V., Smolyaninov P. V. Dimensional calculations brake rigging freight cars as a method of study ways to improve the quality of repair [Razmernye raschety tormoznoi rycha-zhnoi peredachi gruzovogo vagona kak metod obosnovaniia putei povysheniia kachestva remonta]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2012, no. 2 (10), pp. 27 - 36.

4. Antoniuk V. E. Konstruktoru stanochnykh prisposoblenii (The designer of machine tools). Minsk, 1991, 423 p.

УДК 620.192.63

В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОМПЛЕКСНОЙ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В данной статье показан способ совершенствования технологии оценки состояния изоляции тяговых двигателей за счет внедрения современных средств технической диагностики. В статье проведен краткий анализ применяемых методов диагностирования с указанием критериев оценки по каждому методу. Предложены структура построения автоматизированной системы комплексного диагностирования состояния изоляции тягового электродвигателя и алгоритмы работы системы и оценки результатов испытаний на основе комплекса диагностических параметров.

Применение сложных систем технической диагностики на всех этапах жизненного цикла электротехнических изделий является одной из современных тенденций развития техники. В настоящее время на предприятиях создаются сложные автоматизированные системы мониторинга и диагностики технического состояния оборудования, в том числе и электродвигателей.

Значительная доля подвижного состава ОАО «Российские железные дороги» оборудована тяговыми электродвигателями (ТЭД) постоянного тока. Оценка состояния качества изоляции таких электродвигателей требует особого подхода, набора методов и критериев оценки. Создание системы комплексного диагностирования изоляции, учитывающей особенности конструкции и условия эксплуатации ТЭД, является в настоящее время актуальной задачей. Особенное внимание уделяется состоянию межвитковой изоляции ТЭД как основному фактору, влияющему на его работоспособность.

Устройства и системы комплексного диагностирования изоляции представлены на рынке компаниями Megger

62 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 4(24) 2015

= _

[2]. Также в эксплуатации успешно применяются узкоспециализированные измерительные приборы, такие как мегомметр, устройство поиска межвитковых замыканий, приборы контроля токов утечки, устройства контроля частичных разрядов и др. Как уже было отмечено, большая часть представленного оборудования предназначена для бесколлекторных машин. Стоит также отметить достаточно высокую стоимость импортных диагностических комплексов, внедрение которых с большой вероятностью не обеспечит окупаемость затраченных средств. На основании анализа существующих систем и тенденций развития методологии тестирования изоляции электрических машин для построения автоматизированной системы предложен ряд методов, позволяющих произвести комплексную оценку состояния изоляции ТЭД.

Первая группа методов направлена на тестирование состояния корпусной изоляции. В данную группу входят метод «время/сопротивление», метод тестирования ступенчатым напряжением, определение коэффициентов поляризации и абсорбции [3]. Применение данных методов позволяет оценить качество корпусной изоляции, определить степень ее увлажненности и выполнить прогноз наработки на отказ.

В таблице 1 приведены критерии оценки состояния изоляции при тестировании корпусной изоляции = 10-30° С).

Для тестирования состояния межвитковой изоляции предлагается применить метод волновых затухающих колебаний [4]. Применение данного метода позволяет однозначно диагностировать наличие межвитковых замыканий и определить общее состояние межвитковой изоляции при отсутствии явно выраженных повреждений.

Таблица 1 - Значения критериев для оценки состояния изоляции ТЭД

Параметр, ед. изм. «Отлично» «Хорошо» «Удовл.» «Неудов.»

Яиз, МОм > 10 5 ... 10 3 ... 5 < 3

ЛЯиз, % < 5 5 ... 15 15 ... 20 > 20

Б 1,8 1,5 1,3 <1,2

Р1 4 3 1-2 < 1 или > 5

АЯст, % < 3 5 7 >10

В таблице 1 приняты следующие обозначения: Яиз - сопротивление изоляции обмотки якоря, катушек главных и добавочных полюсов и компенсационной обмотки, измеренное при тестовом напряжении 2500 В; АЯиз - относительное изменение сопротивления Яиз по сравнению с предыдущим тестированием; Б, Р1 - коэффициенты абсорбции и поляризации соответственно; АЯст - максимальное относительное изменение сопротивления Яиз при ступенчатом изменении тестового напряжения от 500 до 2500 В.

Для оценки качества межвитковой изоляции предлагается применить два параметра: обобщенный диагностический коэффициент ^из [5] для случая, когда изоляция не имеет ярко выраженных повреждений, и коэффициент смещения параметров £ при наличии повреждений. Сложность заключается в том, что невозможно заранее определить жесткие границы оценок качества изоляции по значениям приведенных параметров, так как они существенно зависят от конструкции каждого конкретного типа ТЭД. Значения критериев могут быть получены при тестировании вновь изготовленных ТЭД или путем моделирования процесса тестирования программными средствами.

Для проведения моделирования авторами статьи применяется развернутая схема замещения якорной обмотки ТЭД, построенная с учетом особенностей методики тестирования и адаптированная к искусственному внесению в схему изменений, соответствующих возникновению различного рода повреждений изоляции [4].

Таким образом, для адекватной оценки состояния межвитковой изоляции ТЭД по методу волнового отклика необходимо создание базы знаний, в которой были бы заранее определены значения ^из и £ для каждого типа тестируемых ТЭД.

На рисунке 1 приведена структурная схема автоматизированной системы комплексной оценки состояния изоляции ТЭД (АСКДИ).

№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 63

2015 1

После подключения измерительных выводов системы к соответствующим выводам в клеммной коробке ТЭД оператор через интерфейс пользователя вводит заводской номер ТЭД и его тип. В базу данных автоматически заносятся введенные параметры и дата тестирования.

1 Интерфейс 1 Управляющая программа I г

г -

1

Измерительная система

База - данных ^- Программа обработки данных База^ знании

Рисунок 1 - Структурная схема АСКДИ

Алгоритмы тестирования и значения критериев оценки качества изоляции для каждого типа тестируемых ТЭД хранятся в базе знаний.

Рассмотрим назначение основных элементов измерительной системы АСКДИ, схема которой приведена на рисунке 2.

И _

измерение; --------^ - управляющее воздействие;

- - диагностический сигнал

Рисунок 2 - Функциональная схема измерительной системы АСКДИ

Алгоритм тестирования реализуется контроллером. Измерительная система работает в двух режимах: «Тестирование током» и «Тестирование напряжением». Выбор соответствующих режимов работы и переключение между уровнями тестового напряжения осуществляются в блоке переключения режимов работы БПР1. Реле А регулирует подачу тестового напряжения на выводы системы диагностирования, реле Б используется для снятия остаточных зарядов после проведения серии испытаний. Блок БПР2 предназначен для переключения между различными тестируемыми на состояние корпусной изоляции обмотками ТЭД. Тестирование по методу волнового отклика производится в режиме «Тестирование током» с использованием

64 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(24) 2015

=

быстродействующего электронного ключа (БЭКа). Формирование высокого тестового напряжения производится при помощи повышающего трансформатора ТУ с секционированной вторичной обмоткой, получающего питание от сети напряжением 220 В. Известно, что сопротивление изоляции в значительной мере зависит от температуры окружающей среды. Таким образом, критерии оценки качества изоляции должны быть скорректированы с учетом температуры, измеренной внешним датчиком Т.

Согласно стандартной процедуре тестирования ступенчатым напряжением [1] испытание начинается с подачи в систему «обмотка/корпус» испытательного напряжения 500 В. После этого с помощью АЦП контроллера измеряется напряжение на измерительном шунте и вычисляются значения тока утечки и сопротивления изоляции при данном тестовом напряжении. Согласно установленным критериям с учетом поправки на текущую температуру определяется наличие или отсутствие повреждений. При отсутствии выявленных повреждений испытательное напряжение повышается на 500 В и цикл измерений повторяется. В каждом последующем шаге (ступени напряжения) вычисляется относительное изменение сопротивления изоляции АЯст по формуле:

ЛЯ

Я.

Я

ст

где Яст1 - значение сопротивления изоляции, измеренное на 1-й ступени тестового напряжения;

Кст(1-1) - значение сопротивления изоляции, измеренное на (г - 1)-й ступени.

Приблизительные критерии оценки состояния изоляции по значениям данного параметра АЯст приведены в таблице 1. Так как параметр АЯст является относительным, значения данных критериев не нуждаются в корректировке по температуре [8]. Повышенные значения параметра могут говорить о развивающемся повреждении либо о переувлажнении изоляции.

При достижении значения испытательного напряжения 2500 В производится вычисление значения сопротивления изоляции Яиз. Качество изоляции оценивается в соответствии со скорректированными по температуре критериями.

Вычисление параметра АКиз производится в случае, когда в базе данных записаны результаты предыдущих испытаний по формуле:

ЛЯиз

Яиз

Яиз

где Яиз1 - значение сопротивления изоляции, измеренное при испытательном напряжении 2500 В в г-м испытании;

^из(г-1) - значение сопротивления изоляции, измеренное при испытательном напряжении 2500 В в (г - 1)-м испытании.

Значения параметра АКиз отражают процессы медленной деградации изоляции в процессе эксплуатации. Необходимо обращать внимание на степень изменения параметра АКиз в долгосрочной перспективе. Так, резкое увеличение АКиз может указывать на ускорение процессов деградации и необходимость проведения соответствующих профилактических мероприятий. График изменения сопротивления изоляции Яиз от времени наглядно показывает ускорение процессов старения в изоляции. На основании результатов текущих измерений, а также предыдущих, хранящихся в базе данных, оператор АСКДИ может вывести соответствующий график на отображение.

На рисунке 3 приведен алгоритм выполнения серии измерений в режиме «Тестирование напряжением».

Для определения степени увлажненности изоляции производятся дополнительные измерения сопротивления изоляции на 15-й и 60-й секундах, а также на 10-й минуте после подачи

№ 4(24) ОЛИ с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 65

2015 1

испытательного напряжения, обозначают значения данных сопротивлений как R15, R60 и Rio соответственно. Степень увлажненности изоляции ТЭД и возможность его дальнейшей эксплуатации определяются по значениям коэффициентов абсорбции D и поляризации PI (polarization index), определяемым по формулам:

R

60

PI _ R60

R

10

Рисунок 3 - Алгоритм тестирования корпусной изоляции ТЭД

Критерии оценки состояния изоляции по значениям коэффициентов Б и Р1 приведены в таблице 1.

После окончания цикла испытаний в блоке БПР2 происходит переключение испытательного выхода системы к выводу Ц2, подключенному к другой обмотке ТЭД. Процедура повторяется до тех пор, пока корпусная изоляция не будет протестирована в полном объеме, в том числе и в системе «якорная обмотка - корпус».

Испытание межвитковой изоляции производится в режиме «Тестирование током». В процессе тестирования в якорную обмотку через щетки подаются малые по длительности (10 ... 100 мкс) низковольтные (3 ... 12 В) импульсы, в результате чего в системе, состоящей из индуктивности и собственной распределенной емкости обмотки, возникают волновые затухающие колебания, которые фиксируются с помощью АЦП контроллера. Определяются значения амплитуды первого и второго колебаний Цвоь Цвог и их период Т. Особенность процесса тестирования якорной обмотки ТЭД по методу волнового отклика состоит в том, что для выявления межвитковых замыканий необходимо повернуть якорь на угол, не менее

Р

где p - количество пар полюсов в ТЭД.

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№ 4(24) 2015

Если в обмотке возникло межвитковое замыкание, то в процессе поворота якоря на угол в параметры волнового отклика будут заметно изменяться. Важно, чтобы параметры волновых откликов фиксировались системой диагностирования на протяжении всего процесса поворота якоря. В общем случае изменение значений £/ВО1 в процессе поворота якоря на угол в на 20 % и более указывает на наличие в обмотке межвиткового замыкания.

В случае отсутствия повреждений форма волновых откликов не изменяется в процессе поворота якоря ТЭД и для оценки состояния изоляции предлагается использовать обобщенный диагностический коэффициент [5], определяемый по формуле:

1п

^из =

и

ВО2

Т

Критерии оценки состояния изоляции по параметру Еиз индивидуальны для каждого типа ТЭД. Для успешного диагностирования необходимо внесение данных критериев в базу знаний АСКДИ

Рассмотрим алгоритм определения состояния системы изоляции ТЭД на основе полученных в процессе тестирования данных. Результатом проведения испытаний является технический диагноз, содержащий информацию о годности (негодности) системы изоляции к дальнейшей эксплуатации, а также о наличии и природе повреждений.

Определение технического состояния производится с применением математического аппарата нечеткой логики. Результаты испытаний по каждому методу согласно таблице 1 выражены в нечетких термах («отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «неудовлетворительно»). Иерархическая структурная схема нечеткого логического вывода о техническом состоянии системы изоляции ТЭД приведена на рисунке 4.

На приведенном рисунке влияющие факторы обозначены как X. укрупненный фактор 71 = / (XI, Х2, Х3) определяет состояние корпусной изоляции, 72 = / (Х4, Х5) - состояние межвитковой изоляции, 73 = / (Х6, Х7) позволяет определить степень увлажненности изоляции, корень процесса Е = / (71, 72, 73) - техническое состояние изоляции ТЭД. Комплексный подход к процессу оценки состояния изоляции подразумевает учет всех семи параметров, определенных в процессе испытаний.

Рисунок 4 - Структурная схема определения технического состояния системы изоляции ТЭД

Примененный в системе комплексный подход к определению состояния изоляции ТЭД позволяет повысить объективность результатов испытаний и производить прогнозирование технического состояния изоляции и научно обоснованное планирование ремонтных и профилактических мероприятий. Предлагаемая система АСКДИ обладает необходимым потенциалом для внедрения в процесс технического обслуживания или в состав бортовых систем диагностики подвижного состава.

№204(254) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 67

Список литературы

1. Megger: Guide to Diagnostic Insulation Testing Above lkV, Second Edition / D. O. Jones, J. R. Jowett and others. - 2002. p. 47.

2. Бегиев, А. И. Диагностическое оборудование для проверки якорей и статоров электродвигателей [Текст] / А. И. Бегиев, В. А. Тихонов // «Ремонт & Сервис». - 2009. - № 1. -С. 58 - 62.

3. Харламов, В. В. Оценка технического состояния изоляции тяговых электродвигателей подвижного состава [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2014. - С. 211 - 222.

4. Харламов, В. В. Тестирование межвитковой изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя по методу волнового отклика [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, И. В. Шестаков // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2015. -№ 2 (22). - С. 39 - 45.

5. Губин, И. Б. Предэксплуатационная диагностика и моделирование состояния изоляции электродвигателей сезонно эксплуатируемого оборудования в сельском хозяйстве. [Текст]: автореф. дис... канд. техн. наук: 05.20.02 / Губин Игорь Борисович. - Барнаул, 2003. - 20 с.

References

1. Jones D. O., Jowett J. R., Thomson S.G., Danner D. S. - Megger: Guide to Diagnostic Insulation Testing Above 1kV, Second Edition. - 2002. p. 47.

2. Begiev A. I., Tihonov V. A., Diagnostic equipment for motor armatures and stators. Remont & Servis, 2009, no. 1, pp. 58 - 62.

3. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Evaluation of traction motors insulation technical condition on rolling stock [Otsenka tekhnicheskogo sostoianiia izoliatsii tiagovykh el-ektrodvigatelei podvizhnogo sostava]. Ekspluatatsionnaia nadezhnost' lokomotivnogo parka i pov-yshenie effektivnosti tiagi poezdov: materialy vtoroi vserossiiskoi tekhnicheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Ekspluatatsionnaya nadezhnost lokomotivnogo parka i povyishenie effektivnosti tyagi poezdov: materialyi vtoroy vserossiyskoy tehnicheskoy konferentsii s mezhdu-narodnyim uchastiem). Omsk. - 2014, pp. 211 - 222.

4. Harlamov V. V., Shkodun P. K., Shestakov I. V. Testirovanie mezhvitkovoi izoliatsii iakornoi obmotki tiagovogo elektrodvigatelia po metodu volnovogo otklika [Traction motor turn-to-turn insulation testing by wave response method]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin,, 2015, no. 2 (22), pp. 39 - 45.

5. Gubin I. B. Predekspluatatsionnaia diagnostika i modelirovanie sostoianiia izolia-tsii el-ektrodvigatelei sezonno ekspluatiruemogo oborudovaniia v sel'skom khoziaistve (Preoperational diagnostics and simulation of seasonal operating induction machines insulation condition in agricultural industry). Ph. D. thesis, Barnaul, AGU, 2003, 20 p.

УДК 621.311

М. М. Никифоров, В. Л. Незевак

НОРМАТИВНО-ПРАВОВОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ В ХОЛДИНГЕ «РОССИЙСКИЕ ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ»

В статье приведены результаты анализа нормативных и правовых документов Российской Федерации, а также внутренних нормативных документов, устанавливающих основные целевые показатели и требования к деятельности по энергосбережению в холдинге «Российские железные дороги». Обоснована необходимость

68 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„4