СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И РЕСУРСА ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD FOR OPERATIONAL CONTROL OF INSULATION CONDITION AND RESOURCE OF ELECTRIC MOTOR WINDINGS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при эксплуатации электродвигателей и другого электрооборудования предприятий для определения состояния изоляции обмоток электродвигателей и прогнозирования ее ресурса.
Известен способ и устройство для контроля качества электрической изоляции, основанного на принципе определения наличия частичных разрядов в изоляции и предназначенного для профилактических испытаний изоляции электрических машин и аппаратов (см. патент РФ №2122215, БИ №32, 1998, по кл. G01R 27/02).
Недостатком этого способа является сложность осуществления контроля состояния изоляции в процессе эксплуатации электродвигателей в условиях сельскохозяйственного производства, невозможность учета всех условий окружающей среды и оценки степени их влияния на изменение изоляции во времени, недостаточная надежность эксплуатационного контроля изоляции, а также невозможность прогнозирования ресурса.
Известен способ определения состояния и ресурса изоляции электроустановок, основанный на нахождении зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты для эталонной и контролируемой электроустановок и выявления величины смещения этих зависимостей с использованием градуированной характеристики (см. патент РФ №2044326, БИ №26, 1995 г., по кл. G01R 31/00).
Недостатком этого способа является сложность выполнения в условиях эксплуатации, связанная с необходимостью измерения электротехническим персоналом сельхозпредприятий тангенса угла диэлектрических потерь и частоты для эталонной и контролируемой электроустановок.
Способ учитывает, в основном, термическое старение изоляции и рабочую температуру изоляции, но не учитывает эксплуатационные факторы окружающей среды и степень их влияния на изменение изоляции во времени, а также момент контроля изоляции, и применим, в основном, для определения состояния изоляции электрических кабелей.
Целью изобретения является упрощение контроля состояния изоляции и ресурса обмоток электродвигателей во время эксплуатации
электродвигателей и другого электрооборудования, учет степени воздействия основных эксплуатационных факторов окружающей среды, уточнение времени и периодичности проведения диагностических проверок, повышение надежности эксплуатационного контроля, электробезопасности людей и сельскохозяйственных животных, снижение эксплуатационных затрат.
Технический результат достигается тем, что контроль состояния изоляции и прогнозирование ресурса обмоток электродвигателей осуществляют в эксплуатационных условиях с учетом параметров окружающей среды производственных помещений, в которых эксплуатируются электродвигатели, режима работы электродвигателей и величины сопротивления изоляции обмотки в момент ввода электродвигателя в эксплуатацию, при этом измеряют и учитывают температуру, влажность, концентрацию в воздухе агрессивных примесей, а также степень загрузки и число пусков электродвигателей в сутки, причем все измерения выполняют в конце технологических пауз перед пуском электродвигателей технологического оборудования в работу, по результатам полученных измерений, после их статистической обработки, получают математические уравнения (зависимости) изменения электрического сопротивления изоляции и ресурса обмоток электродвигателей во времени, при этом для заданного сочетания эксплуатационных факторов определяют коэффициенты этих уравнений, по полученным уравнениям, исходя из первоначальной величины сопротивления изоляции, строят для данного сочетания эксплуатационных факторов окружающей среды и режима работы электродвигателей графические зависимости изменения сопротивления изоляции и расхода ресурса обмоток электродвигателей во времени, по этим графическим зависимостям определяют в процессе эксплуатации ожидаемое сопротивление изоляции и ресурс обмоток электродвигателей на данный момент времени, на основании которых принимают решение о продолжении использования в работе, проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту (ТОР) для поддержания и работоспособности или замене электродвигателей.
При эксплуатации электродвигателей в условиях сельскохозяйственного производства их обмотка подвергается воздействию высокой влажности, химически агрессивных газов (аммиак), перепадов температуры, а также работа электродвигателей характеризуется неравномерностью загрузки и разным числом включений в течение суток, сезонностью работы и длительными технологическими паузами.
В результате этого средний срок службы электродвигателей в сельском хозяйстве составляет не более 3,5-5 года, при этом до 80% их отказов обусловлено сгоранием обмотки. Наиболее неблагоприятные условия для работы электродвигателей и их обмоток имеют место в животноводческих помещениях и на открытом воздухе.
Поэтому важным для получения достоверных результатов при контроле состояния изоляции и прогнозировании ресурса в процессе эксплуатации электродвигателей и другого электрооборудования в условиях сельскохозяйственного производства является применение способа, учитывающего многообразие воздействующих факторов, оценка первоначальной величины сопротивления изоляции, а также выбор момента времени проведения контрольных диагностических проверок и измерений.
Многолетними экспериментальными исследованиями с применением автоматизированных систем регистрации и накопления опытных данных, проведенными непосредственно в хозяйствах и обработкой их результатов с использованием современной вычислительной техники и методов математической статистики выявлены закономерности и получены эмпирические зависимости, которые являются обобщенной эксплуатационной характеристикой, позволяющей реализовать предлагаемый способ контроля состояния изоляции и ресурса обмотки электродвигателей в сельском хозяйстве.
0
При этом для контролируемого электродвигателя фиксируют время его ввода в эксплуатацию, которое служит началом отсчета ресурса, измеряют первоначальную величину сопротивления изоляции обмотки Z, параметры окружающей среды, а также определяют степень загрузки и количество пусков в сутки.
Наиболее характерными сочетаниями эксплуатационных факторов действующих на электродвигатель в сельскохозяйственном производстве являются: Θ - температура и W - относительная влажность окружающего воздуха в месте расположения электродвигателя, К - коэффициент, учитывающий степень загрузки (принята 0,7…1,0 от номинальной) и количество пусков в сутки, G - содержание агрессивных паров газов (в первую очередь аммиака) в воздухе.
3
3
При этом для различных условий эксплуатации эти показатели могут иметь при различных сочетаниях следующие величины: в θ1=10…20°C, θ2=21…25°C, θ3=26…30°C; W1<10%, W2=11…30%, W3=31…60%, W4=61…80%, W5>80%; K1=1…2, K2=2…3, K3=3…4, K4=4…5, K5>5; G1=0…0,1 мг/м, G2>0,1 мг/м.
Выявленные закономерности и полученные в результате экспериментальных исследований и статистической обработки результатов эмпирические зависимости являются универсальной обобщенной эксплуатационной характеристикой, которая позволяет реализовать новый способ контроля состояния изоляции и ресурса обмотки любых электродвигателей, применимый для практического использования при эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве.
0
В результате проведенных исследований установлены зависимости величины электрического сопротивления изоляции обмоток электродвигателей от времени Z(t) - выражение (1), представляющее собой квадратное уравнение, и ее полного ресурса R от величины первоначального сопротивления изоляции Z, замеренного непосредственно перед вводом в эксплуатацию нового или капитально отремонтированного электродвигателя - выражение (2), являющееся корнем этого квадратного уравнения:
<mrow><mi>Z</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>a</mi><msup><mi>t</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>b</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>О</mi><mi>м</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>b</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>a</mi><msub><mi>Z</mi><mi>o</mi></msub></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>b</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>е</mi><mi>с</mi><mn>.,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где t - время работы электродвигателя, мес.;
а
, b - коэффициенты, определяемые сочетанием эксплуатационных факторов.
Величины коэффициентов для различных сочетаний эксплуатационных факторов приведены в табл.1.
Таблица 1
Значения коэффициентов <i>а</i>, b для различных сочетаний эксплуатационных факторов
Номер уравнения
Коэффициенты
Сочетания эксплуатационных факторов
<i>а</i>
b
1
0,13
5,92
W1-θ2-K2-G2; W2-θ2,3-K1-G1; W2-θ1-K1-G1,2; W3-θ3-K1-G2; W1-θ1-K2-G1
2
0,14
7,68
W4-θ2-K1-G1,2; W4-θ3-K1-G1; W5-θ1,2-K1-G1; W1-θ1-K3-G1; W3-θ3-K1-G2; W2-θ3-K2-G1, W2-θ1-K2-G2; W4-θ1,2,3-K1-G2
3
0,15
7,92
W3-θ1,2,3-K2-G1; W1-θ2,3-K3-G1; W2-θ2,3-K2-G2; W1-θ1-K3-G2; W3-θ1-K2-G2
4
0,17
9,14
W4-θ3-K2-G1,2; W5-θ1,2-K2-G1; W4-θ1,2-K2-G2; W3-θ1-K3-G1; W2-θ3-K3-G1; W2-θ1,2-K3-G2
5
0,21
10,55
W1-θ1-K5-G1; W2-θ1,2-K4-G2; W2-θ3-K4-G1; W3-θ1-K4-G1; W5-θ2-K3-G1
6
0,26
12,55
W5-θ1,2-K4-G1; W4-θ2,3-K4-G2; W2-θ3-K5-G1; W2-θ1-K5-G2
7
0,37
15,98
W5-θ3-K5-G1; W4-θ3-K5-G2; W5-θ2-K5-G1
На фиг.1 приведена общая схема осуществления способа применительно к электродвигателям.
3
0
На обмотку 1 электродвигателя 2 воздействуют различные факторы окружающей среды 3, главными из которых являются температура θ, °C, относительная влажность W%, концентрация аммиака G, мг/м, а также степень загрузки и число пусков в сутки 4 - коэффициент К. Величины и сочетания этих факторов оказывают основное износовое воздействие на изоляцию обмотки электродвигателя с первоначальным значением ее электрического сопротивления Z, МОм - 5 и расходование ее ресурса R во времени t.
и
o
В этих условиях регулярно производят ряд измерений 6 параметров среды и сопротивления изоляции Z, затем на основании статистической обработки и анализа получают уравнение 7 с определением для разных условий эксплуатации его коэффициентов, по которому строят зависимости 8 сопротивления изоляции Z от времени t -Z(t), по которым при практическом использовании во время эксплуатации прогнозируют 9 текущее значение сопротивления изоляции Z(t), полный R, использованный R и остаточный R ресурсы, далее принимают решение 10 о продолжении использования в работе, проведении мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту (ТОР) для поддержания работоспособности или замене электродвигателей.
На фиг.2 представлена в общем виде зависимость для определения величины сопротивления изоляции и прогнозирования ресурса обмоток в процессе эксплуатации электродвигателей.
o
0
и
При времени старения и износа изоляции, равной ее полному ресурсу R или среднему сроку службы, ожидаемый остаточный ресурс R по завершении определенного отрезка времени t равен разности между полным ресурсом R и использованным R (фиг.2).
В общем случае
<mrow><msub><mtext>R</mtext><mtext>o</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mtext>R- R</mtext></mrow><mtext>и</mtext></msub><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>мес</mtext><mtext>. </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext>(3)</mtext></mrow>
Для контролируемого электродвигателя уточняют время начала его ввода в эксплуатацию и первоначальную величину сопротивления изоляции обмоток, условия окружающей среды и режим работы, а затем в процессе эксплуатации по графику находят ожидаемое сопротивление изоляции и использованный ресурс, а затем остаточный прогнозируемый ресурс определяют как разность между полным ресурсом и использованным ресурсом изоляции обмотки.
0
Зависимость, приведенную на фиг.2 используют для тех же условий эксплуатации и значениях Z любого электродвигателя, не проводя дополнительных расчетов по формулам (1) и (2).
Пример применения способа.
-1
3
0
На вакуумном насосе УВУ-60/45 молочной фермы установлен электродвигатель 4А 100SУ3 мощностью 3 кВт и частотой вращения 1500 мин. Типовые измеренные параметры окружающей среды в месте его размещения составляют: θ=22°С, W=85%, G=0,1 мг/м, К=3. Значение первичного сопротивления изоляции его обмотки Z=2000 МОм.
Требуется оценить ожидаемую величину сопротивления изоляции спустя 3 года (36 мес.) после ввода электродвигателя в эксплуатацию, а также полный и остаточный ресурс обмотки по окончании указанного периода его работы.
Решение:
а
i
2
На основании исходных данных получаем сочетание эксплуатационных факторов W5-θ2-K3-G1, которым в табл.1 соответствует позиция 4 с коэффициентами =0,17 и b=9,14. Подставив эти значения в уравнение (1), вычисляем ожидаемое текущее сопротивление изоляции Z(при t=3 года)=2000-0,17×36-9,14×36=1450,6 МОм.
2
1/2
o
По формуле (2) полный ресурс изоляции будет: R=[(9,14+4×0,17×2000)-9,14]/2×0,17=84,9 мес.=7 лет. Остаточный ресурс изоляции по окончании трех лет с начала эксплуатации составит R(t=3 года)=7-3=4 года.
Такие же результаты без проведения расчетов получим при использовании заранее построенной для этого сочетания эксплуатационных факторов зависимости по типу фиг.2.
При практическом применении в условиях сельскохозяйственного производства предлагается использовать несколько зависимостей, построенных для других сочетаний основных Эксплуатационных факторов, типичных для разных производственных помещений.
Предлагаемый способ позволяет в эксплуатационных условиях оперативно с помощью построенных зависимостей или простых расчетов определять состояние изоляции и прогнозировать остаточный ресурс электродвигателей и другого электрооборудования, что весьма важно для обеспечения требуемой надежности работы электрифицированной техники и электробезопасности людей и сельскохозяйственных животных, значительно сократить количество преждевременных выходов электрооборудования из строя, существенно уменьшить экономические ущербы от простоев электрифицированного технологического оборудования, заметно снизить трудовые и материальные затраты на эксплуатацию и ремонт.