СПОСОБ СУШКИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
ELECTRIC MACHINE WINDINGS DRYING METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области эксплуатации электрических машин переменного тока и предназначено для восстановления проектных характеристик изоляции их обмоток.
Под электрической машиной переменного тока (далее - электрическая машина) в контексте данной заявки понимается устройство, которое посредством электромагнитной индукции способно осуществлять электромеханическое преобразование электрической энергии либо изменять ее параметры. К таким устройствам относятся, в частности, электродвигатели, генераторы, трансформаторы, электромагниты. Все они характеризуются наличием, по меньшей мере, одного навитого на сердечник изолированного проводника, подключаемого к сети переменного тока (далее - обмотка).
Работа электрической машины сопровождается разогревом обмоток электрическим током, протекающим по проводникам. При отключении электрической машины вместе с ее охлаждением происходит адсорбция влаги из окружающего воздуха на поверхности обмоток с последующим впитыванием влаги материалом изоляции. Данный процесс существенно интенсифицируется при эксплуатации электрической машины в условиях повышенной влажности либо прямого попадания воды на обмотку. В результате сопротивление изоляции снижается, риск пробоя изоляции резко возрастает, а значит, запуск и дальнейшая эксплуатация электрической машины с увлажненной обмоткой недопустимы.
В патентной публикации SU 1713029 A1, H02K 15/12, 15.02.1992 раскрыт способ сушки изоляции электрической машины, показанный на примере электродвигателя. Способ характеризуется тем, что между обмоткой и корпусом создают разность потенциалов, вызывающую разогрев изоляции и удаление влаги из нее. Однако, поскольку сопротивление даже промокшей изоляции является довольно большим, для ее разогрева требуется значительное напряжение, которое в приведенном в данной публикации примере составляет 500 В.
Очевидно, что такое напряжение, приложенное к корпусу электродвигателя, создает существенную опасность для находящихся рядом людей, а значит, коренным образом сужает область применения данного способа.
Из патентной публикации RU 2266603 C1, H02K 15/12, 20.12.2005, известен способ сушки изоляции обмоток электродвигателя, в котором изоляцию нагревают посредством разогрева проводников, пропуская по ним ток. Для экономии энергии и обеспечения безопасности эксплуатации на концы обмоток подают постоянное напряжение при помощи низковольтного тиристорного источника выпрямленного тока. Время сушки задают посредством таймера, при этом в процессе сушки осуществляют контроль температуры изоляции, прерывая нагрев только в случае чрезмерного ее повышения. Данный способ выбран в качестве прототипа заявленного изобретения.
Основным недостатком прототипа является сравнительно быстрая деградация материала изоляции, наступающая уже после нескольких случаев применения данного способа. Предположительно это вызвано тем обстоятельством, что в результате непрерывной подачи напряжения, отключаемого только при превышении температуры изоляции критических уровней, происходит существенно неравномерный нагрев изоляции. Внутренние области разогреваются, и влага из них мигрирует в еще не разогретые внешние области, повышая в этих областях свою концентрацию. Нахождение в полимерном материале влаги в больших концентрациях и последующее ее удаление за сравнительно короткое время разрушает структуру такого материала, и изоляция быстро теряет свои эксплуатационные свойства. В случае понижения подаваемого напряжения в целях обеспечения безопасной скорости нагрева изоляции процесс сушки недопустимо затягивается.
Целью изобретения является возможность сушки изоляции обмоток электрической машины, исключающая риск повреждения материала изоляции при уменьшении времени сушки.
Для достижения поставленной цели предложены два объекта изобретения, первым из которых является способ сушки изоляции обмотки электрической машины, а вторым - устройство для реализации способа.
Способ сушки изоляции обмотки электрической машины переменного тока характеризуется тем, что через обмотку интервалами в 1-10 секунд пропускают постоянный ток величиной 10-60% от номинального значения силы тока обмотки, при этом интервалы действия постоянного тока чередуют паузами, отличающимися от указанных интервалов в 0,5-1,5 раз.
В частном случае первого объекта изобретения во время пауз определяют сопротивление изоляции и при достижении его заданного значения прекращают подачу тока. В предпочтительном случае для определения сопротивления изоляции осуществляют подачу напряжения между обмоткой и корпусом электрической машины и измеряют силу тока в указанном контуре. Величина напряжения между обмоткой и корпусом электрической машины может составлять 20-50 B.
В другом частном случае способа для пропускания через обмотку постоянного тока на ее концы подают заведомо малое постоянное напряжение и увеличивают его до достижения силой постоянного тока задаваемой величины. Контроль силы постоянного тока при этом осуществляют при помощи амперметра, включенного последовательно с обмоткой.
Возможен также случай, когда для пропускания через обмотку постоянного тока на ее концы подают постоянное напряжение, величину которого рассчитывают исходя из задаваемой силы постоянного тока и сопротивления проводника обмотки, которое может быть предварительно измерено.
В предпочтительном случае первого объекта изобретения постоянное напряжение могут получать путем двухполупериодного выпрямления переменного напряжения.
В трех других предпочтительных случаях: интервалы действия постоянного тока составляют 5-7 секунд, постоянный ток имеет величину 45-55% от номинального значения силы тока обмотки, а паузы между интервалами действия постоянного тока составляют 0,9-1,1 от указанных интервалов.
Устройство для сушки изоляции обмоток электрической машины переменного тока, содержит регулятор постоянного тока, подключенный с одной стороны к сети переменного тока, а с другой стороны - к концам, по меньшей мере, одной обмотки электрической машины с образованием контура нагрева. Регулятор способен обеспечить протекание в контуре нагрева постоянного тока величиной 10-60% от номинального значения силы тока электрической машины. Устройство содержит также блок управления, способный замыкать контур нагрева интервалами в 1-10 секунд, чередуя их паузами, отличающимися от указанных интервалов в 0,5-1,5 раз.
В частном случае второго объекта изобретения блок управления подключен одним своим выходом к любому из концов обмоток, а другим - к корпусу электрической машины с образованием контура измерения. Предпочтительным при этом представляется случай, когда блок управления способен осуществлять замыкание и размыкание контура измерения одновременно с размыканием и замыканием соответственно контура нагрева. В еще одном предпочтительном случае блок управления способен подавать в контур измерения напряжение 20-50 B и измерять силу тока в указанном контуре.
Осуществление изобретения будет показано на примере электродвигателя и пояснено ссылками на фигуру с изображением структурной схемы устройства для сушки изоляции обмоток. Конструкция устройства приведена исключительно для иллюстрации наилучшего примера реализации способа и не ограничивает объема охраняемых прав.
Предложенный способ может быть реализован при помощи устройства 1, которое подключают к одной, двум или сразу трем обмоткам 3 электродвигателя 2. Данное устройство может быть интегрировано в состав электродвигателя либо выполнено в виде обособленного аппарата с подключением к электродвигателю.
Электродвигатель получает питание от трехфазной сети переменного тока 4. На схеме показаны автоматические выключатели 5 и 6, а также контактор 7 для включения и выключения электродвигателя 2.
Устройство для сушки изоляции обмоток (далее - устройство для сушки) включает регулятор постоянного тока 8 и блок управления и измерения сопротивления изоляции 9 (далее - блок управления).
Регулятор постоянного тока выполнен по известной схеме тиристорного выпрямления напряжения и получает питание от понижающего трансформатора 10, подключенного к сети переменного тока через автоматический выключатель 6. К регулятору постоянного тока подключаются концы, по меньшей мере, одной обмотки электродвигателя, образуя контур нагрева, при этом постоянный ток от регулятора постоянного тока 8 подается в обмотки посредством включения вспомогательного контактора 11 и дополнительных проводов 12.
Под действием переменного напряжения величина силы тока в обмотке определяется как собственным сопротивлением проводника, так и индуктивным сопротивлением сердечника.
Поскольку постоянный ток не вызывает электромагнитной индукции, то индуктивное сопротивление отсутствует, а значит, номинальное значение силы тока может быть обеспечено при существенно более низком значении постоянного напряжения. Регулятор постоянного тока получает от трансформатора переменное напряжение 20-50 B и преобразует в постоянное методом двухполупериодного выпрямления с одновременным понижением напряжения до величины, обеспечивающей силу постоянного тока в обмотке на уровне 10-60% от номинальной.
Под номинальной силой тока в контексте данной заявки понимается расчетная сила тока в обмотке электродвигателя, определенная для проектных условиях его эксплуатации, которая, как правило, указывается производителем в числе номинальных характеристик, либо может быть рассчитана исходя из мощности электродвигателя.
Блок управления 9 также получает питание от трансформатора 10, при этом одним своим выходом он соединен с любым из концов обмоток, а другим через заземляющий проводник 13 - с корпусом электродвигателя 2, образуя контур измерения. Обмотки могут быть отключены от устройства при помощи вспомогательного контактора 11.
Блок управления 9 предназначен для измерения и индикации сопротивления изоляции, установки критического и заданного значений сопротивления изоляции. Кроме того, блок управления 9 обеспечивает поочередное и в предпочтительном случае одновременное подключение обмоток электродвигателя либо к регулятору тока 8, обеспечивающему подачу тока подогрева обмоток, либо к выходу блока управления 9, подающему измерительное напряжение к обмоткам и корпусу электродвигателя для измерения текущего значения сопротивления изоляции.
Способ реализуется следующим образом.
В случае попадания на обмотки электродвигателя воды, например, в виде осадков или морской волны, либо длительного нахождения неработающего электродвигателя в условиях повышенной влажности для восстановления его проектных характеристик изоляция обмоток подлежит сушке.
Электродвигатель отключают от сети посредством электромагнитного контактора 7, либо, если он был отключен ранее, осуществляют проверку отключения этого контактора в остановленном режиме, и включают устройство для сушки изоляции обмоток, обеспечивая подачу переменного напряжения на понижающий трансформатор 10 при помощи автоматических выключателей 5 и 6. Вторичная обмотка трансформатора выдает напряжение от 20 до 50 B, при этом сам трансформатор обеспечивает гальваническую развязку устройства с опасным для человека напряжением питающей сети.
На пульте блока управления 9 вводят критическое и заданное значения сопротивления изоляции. При сопротивлении изоляции, равном или меньшем его критического значения (как правило, 500 кОм), запуск и эксплуатация электрической машины недопустимы. Заданное значение сопротивления является целевым, и, в предпочтительном случае, его выбирают близким или равным проектному значению сопротивления изоляции.
При включенном реле 15 посредством блока управления в контур измерения подают напряжение 20-50 B, и замеряют силу тока. Верхняя и нижняя границы данного интервала определены исходя из следующих соображений: при напряжении ниже 20 В сила тока в контуре очень мала и не может быть надежно идентифицирована, в то время как напряжение свыше 50 B является достаточным для достоверного измерения тока при любом состоянии изоляции. Поскольку ток в данном контуре представляет собой ток утечки через изоляцию, то на основании измеренного значения силы тока и приложенного напряжения рассчитывают сопротивление изоляции.
Если полученное значение сопротивления изоляции меньше заданного, то контур измерения отключается от обмоток припомощи реле 15 с одновременным замыканием реле 16. Посредством сигнала, подаваемого по линии связи 14 от блока управления 9 на регулятор постоянного тока 8, включается контур нагрева, в результате чего через контактор 11 и соединительные провода 12 на обмотки подают постоянное напряжение.
Постоянное напряжение устанавливают такой величины, чтобы оно обеспечивало силу постоянного тока в контуре нагрева в диапазоне 10-60% от номинального значения силы тока электродвигателя. Если сила тока в контуре нагрева превышает верхнюю границу указанного интервала, то возможен перегрев и пробой увлажненной изоляции, в то время как при значении силы тока менее 10% от номинального не обеспечивается эффективный нагрев проводника.
В предпочтительном случае силу постоянного тока задают следующим образом. Устанавливают в контуре нагрева постоянное напряжение, заведомо малое для возникновения силы постоянного тока, входящей в указанный диапазон. Контролируют силу тока в контуре нагрева при помощи амперметра, включенного последовательно с обмоткой, и увеличивают постоянное напряжение до достижения силой тока задаваемой величины при помощи потенциометра, включенного в схему управления тиристорами и выведенного на пульт управления регулятора.
В другом случае сопротивление проводника обмотки может быть предварительно измерено, а величина постоянного напряжения, необходимая для возникновения задаваемой силы тока - предварительно рассчитана и установлена потенциометром до включения контактора 6.
Использование регулятора постоянного тока позволяет гарантировать энергетическую экономичность процесса сушки, поскольку вследствие отсутствия индуктивного сопротивления заданная сила тока обеспечивается при меньшем значении постоянного напряжения по сравнению с переменным.
Исследования показали, что в целях исключения преждевременного старения материала изоляции следует избегать чрезмерного повышения концентрации воды в отдельных ее областях. Для обеспечения данного условия нагрев изоляции производят путем пропускания через обмотку постоянного тока интервалами 1-10 секунд с паузами длительностью 0,5-1,5 указанных интервалов.
Целесообразность нагрева изоляции импульсами тока с указанными интервалами предположительно объясняется тем, что при нагреве проводника вода из внутренних слоев изоляции поднимается к внешним слоям, разогревая их. В течение паузы часть воды возвращается во внутренние слои, в то время как из внешних слоев продолжается испарение. Таким образом, при следующем подъеме воды к внешним слоям собственная концентрация воды в них несколько уменьшится, что при многократном повторении данного процесса позволяет избежать значительного повышения концентрации воды во внешних слоях.
Следует отметить, что при интервалах действия постоянного тока менее 1 секунды и соответствующих паузах между ними изоляция не успевает прогреваться на достаточное расстояние от проводника, кроме того, из-за частого изменения тока возрастают энергетические потери в сердечнике, т.е. для обеспечения заданной силы тока напряжение должно быть повышено. При интервалах, превышающих 10 секунд, и соответствующими им паузами изоляция прогревается на недопустимо большое расстояние от проводника, что вызывает нежелательное повышение концентрации воды в верхних ее слоях.
Хотя заявленный технический результат достигается во всех указанных диапазонах значений постоянного тока, длительности интервалов и пауз, наивысшая эффективность способа зафиксирована при силе постоянного тока в 45-55% от номинального значения тока обмотки, интервалах действия постоянного тока в 5-7 секунд и паузах, составляющих 0,9-1,1 от указанных интервалов.
Во время пауз одновременно с размыканием контура нагрева посредством реле 16, автоматически включают контур измерения при помощи реле 15. Аналогично описанной выше методике производят измерение сопротивления изоляции, сравнивают с заданным значением, и в случае, если измеренное значение больше заданного, прекращают подачу импульсов тока от регулятора постоянного тока, и сушку изоляции считают законченной.
Электромагнитный контактор 11 остается включенным, при этом периодически продолжают производить измерения сопротивления изоляции до тех пор, пока не будет получена команда на запуск электродвигателя либо по каким-либо причинам не произойдет понижение сопротивления изоляции обмоток ниже заданного значения.
Если измеренное значение сопротивления изоляции с течением времени станет меньше заданного, то вновь осуществляют сушку изоляции обмоток согласно предложенному способу сушки.
Если измеренное значение сопротивления изоляции окажется меньше критического сопротивления, например, при прямом попадании воды, то блок управления выдаст команду запрета электромагнитному контактору 7 на запуск электродвигателя. Сушку изоляции в этом случае производят по предложенному способу до достижения заданного сопротивления изоляции, при этом при превышении критического значения запрет на запуск электродвигателя снимают.
Если будет получена команда на запуск электродвигателя, когда сопротивление изоляции будет выше критического сопротивления, то блок управления 9 подаст команду на отключение контактора 11, после его отключения будет подана команда на включение контактора 7, напряжение сети будет подано на обмотки, электродвигатель запустится.
Следует отметить, что поскольку задаваемая сила постоянного тока рассчитывается в долях от номинального значения силы тока, то предложенный способ может быть реализован на любых электрических машинах. Предпочтительным вариантом при этом является использование способа на электрических машинах мощностью 1-1000 кВт.