СПОСОБ ТОЧНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЗАМЫКАНИЯ МЕЖДУ УРАВНИТЕЛЯМИ ПЕРВОГО РОДА ПРОСТОЙ ПЕТЛЕВОЙ ОБМОТКИ ЯКОРЯ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
METHOD FOR ACCURATE DETECTION OF FAULTS BETWEEN FIRST SPECIES EQUALISERS OF SIMPLEX LAP WINDING OF COMMUTATOR MACHINE ARMATURE

Изобретение относится к области испытаний обмоток якорей коллекторных электрических машин постоянного тока с уравнительными соединениями.
Известен и широко применяется на практике способ обнаружения короткого замыкания между уравнителями (см. кн.: Бессуднов Е.П. Обнаружение мест дефектов изоляции обмоток электрических машин постоянного тока. М., «Энергия», 1977. с.78-90).
Однако известный разрушающий способ, требующий частичного разрыва цепи обмотки якоря нескольких секций, непосредственно соединенных между собой уравнителями с коротким замыканием между ними, применяют на практике вынужденно из-за отсутствия неразрушающего объективного абсолютного конкретного способа точного обнаружения замыкания между уравнителями, особенно на таких стадиях технологического процесса, как после электродуговой импульсной сварки в инертных газах обмоток якоря с коллектором и, тем более, после вакуум-нагнетательной пропитки якорей в автоклаве в эпоксидном компаунде при применении изоляции типа Монолит. Такой вынужденный ремонт дефектного якоря приводит к значительным убыткам, не способствует анализу причин возникновения дефектов изоляции и совершенствованию технологического процесса электромашинного производства и ремонта.
Объективно абсолютно конкретно точно обнаружить замыкание между уравнителями первого рода простой петлевой обмотки якоря коллекторной электрической машины по принципу, положенному в основу Способа точного обнаружения места виткового замыкания в обмотках якорей коллекторных электрических машин с уравнительными соединениями, Патент РФ на изобретение №2308730, МПК G01R 31/06, также невозможно потому, что указанное изобретение не предназначено для этой цели, так как технический результат, достигаемый указанным изобретением, - точное и однозначное обнаружение конкретного места (Точки) виткового замыкания по периметру дефектной секции, без сравнения, - оказался возможным благодаря тому, что место виткового замыкания (например, точка виткового замыкания ВЗ в петушках коллектора), входящее в короткозамкнутый контур с током короткого замыкания, шунтирует (закорачивает) дефектный короткозамкнутый виток, все уравнительные соединения и всю остальную неповрежденную часть обмотки якоря (см. Заявка: 2005137904/28, 05.12.2005. Дата публикации заявки: 10.06.2007 Бюл. №16. Способ точного обнаружения места виткового замыкания в обмотках якорей коллекторных электрических машин с уравнительными соединениями). Если же реально имеет место замыкание между уравнителями (что по сути - то же самое, что и точка виткового замыкания в петушках коллектора, например, при полном числе уравнителей на паз) и применить для обнаружения предполагаемой точки виткового замыкания изобретение №2308730, то получим неверный (ложный) результат: - точка виткового замыкания - в петушках коллектора, а на самом деле точка замыкания между уравнителями находится далеко от коллектора и под двумя слоями основной простой петлевой обмотки якоря, и для устранения такого дефекта изоляции требуется размотка (подъем) всей обмотки якоря, а не незначительный ремонт в случае короткого замыкания в петушках коллектора. Поэтому, прежде чем приступать к обнаружению точки короткого замыкания в обмотках якоря с уравнительными соединениями, сначала необходимо выяснить в какой обмотке имеет место короткое замыкание: если - в уравнительной обмотке - тогда нельзя применять запатентованное изобретение №2308730, и - наоборот.
Замыкания между уравнителями имеют место как на ранних технологических стадиях, так и после сварки петушков коллектора и, как показала многолетняя практика применения изоляции типа Монолит, - после вакуум-нагнетательной пропитки в автоклаве в эпоксидном компаунде и последующей сушки и термообработки изоляции обмоток якоря. Например, после сварки перед пропиткой на обмотку якоря накладывают постоянные бандажи с регулируемым натяжением стеклобандажной ленты и регистрацией количества укладываемых витков и так называемую технологическую коробочку - капсулу, предотвращающую вытекание из якоря компаунда после пропитки до окончания полимеризации. Поэтому объективное абсолютное конкретное точное обнаружение замыкания между уравнителями необходимо, прежде всего, для того, чтобы принять единственно правильное решение как поступить с дефектным якорем: то ли срезать на токарном станке точечную сварку на глубину, примерно, 2 мм и тем самым сохранить (спасти) основную простую петлевую обмотку и основную неповрежденную часть уравнительной обмотки, заменив одну поврежденную секцию уравнительной обмотки, - при обнаружении замыкания между уравнителями после сварки петушков коллектора; то ли срезать и удалить обе обмотки - основную простую петлевую и уравнительную, сохранив необмотанный якорь: коллектор и сердечник, - при обнаружении дефекта изоляции в уравнительной обмотке после пропитки в автоклаве. Именно для выявления и точного обнаружения замыкания между уравнителями, как для наиболее тяжелого случая дефекта изоляции, требующего для его устранения полностью размотать всю обмотку якоря на любой стадии технологического процесса, и предназначено настоящее изобретение.
Задачей изобретения является сокращение времени и трудозатрат на ремонт дефектного якоря, повышение производительности труда, сокращение потерь от неисправимого брака, повышение качества и надежности работы электрических машин, сокращение общезаводских затрат на изготовление якоря, особенно обмоточной и коллекторной меди, дорогостоящих изоляционных и пропиточных материалов, экономия электроэнергии, затрачиваемой на весь технологический процесс электромашинного производства, обеспечение возможности анализа причин возникновения дефектов изоляции и совершенствования технологического процесса электромашинного производства и ремонта, в том числе и технологического оборудования: автомат электродуговой импульсной сварки в инертных газах, бандажировочный станок, пропиточное отделение с автоклавами, станок-автомат для продораживания межламельной миканитовой изоляции коллектора.
Технический результат, достигаемый изобретением, - объективное абсолютное конкретное точное обнаружение замыкания между уравнителями первого рода простой петлевой обмотки якоря неразрушающим способом на всех стадиях технологического процесса электромашинного производства и ремонта и расширение области применения.
Испытательное напряжение подают от генератора импульсных напряжений на две коллекторные пластины, к которым присоединены концы двух смежных уравнителей, входящих в короткозамкнутый контур с точкой замыкания между уравнителями и током короткого замыкания, и концы одной из секций, непосредственно соединенных между собой этими уравнителями, измеряют импульсное магнитное поле тока короткого замыкания аксиального направления одной из этих коллекторных пластин индикатором - измерителем импульсных магнитных полей с индукционным датчиком астатической конструкции, имеющим в своем магнитопроводе воздушный зазор - щель, ориентированный сначала вдоль аксиального направления тока короткого замыкания в коллекторной пластине, достигают максимальных показаний индикатора путем перемещения датчика поперек этих коллекторных пластин, регулировки величины испытательного напряжения и чувствительности индикатора, далее переставляют датчик индикатора к петушкам коллектора, измеряют импульсное магнитное поле тока короткого замыкания радиального направления, перемещают датчик по высоте петушков коллектора в радиальном направлении от рабочей поверхности коллектора и точно обнаруживают замыкание между уравнителями после прохождения датчика доступного для измерения импульсного магнитного поля участка петушков коллектора с радиальным направлением тока короткого замыкания и изменением его направления в шлицах коллекторных пластин на недоступное - аксиальное - по резкому уменьшению показаний индикатора после прохождения датчика концов уравнителей в петушках коллектора.
На фиг.1 изображена принципиальная схема, иллюстрирующая принцип точного обнаружения замыкания между уравнителями первого рода простой петлевой обмотки якоря коллекторной электрической машины (на примере якоря типа НБ-520 на фиг.3), основанный по предлагаемому способу на обнаружении места изменения направления тока короткого замыкания в короткозамкнутом контуре с точкой замыкания между уравнителями МУЗ с радиального направления на аксиальное (относительно оси вала якоря), то есть на девяносто градусов, после перехода индукционного датчика ИД из зоны I, обозначенной сплошным прямоугольником, охватывающим концы 1 и 3 нижнего слоя и концы 2 и 4 верхнего слоя части уравнительной обмотки с дефектом изоляции, в зону II, обозначенной пунктирным прямоугольником, охватывающим выводы витков 5 верхнего и нижнего слоя соответствующей части основной петлевой обмотки якоря; фиг.2 иллюстрирует практическую реализацию предлагаемого способа: исходное начальное расположение индукционного датчика ИД в корпусе из эпоксидной смолы на изолирующей измерительной штанге над рабочей поверхностью коллектора и относительно токоподводящих контактов (подпружиненных внутри своего корпуса) на изолирующей панели, соединенных с высоковольтным выходом ГИН и Земля (см. фиг.1, контакты 10 и 9, соответственно) на конкретном объекте испытания - якорь шестиполюсного тягового электродвигателя типа НБ-514Б магистрального грузового электровоза переменного тока серии 2ЭС5К (две секции) и ЗЭС5К (три секции) - на начальной технологической стадии изготовления якоря с выступающими неизолированными концами уравнителей 1, 2, 3, 4 и выводами витков петлевой обмотки 5 из шлицов 6 петушков коллекторных пластин. Фотография участка коллектора якоря на фиг.2 иллюстрирует также коллекторную пластину как сборную шину с одним питающим присоединением (контакт 10 или 9 на фиг.1) и четырьмя отходящими присоединениями (уравнители 1 и 2 или 3 и 4; и два витка 5 петлевой обмотки, лежащие в одном шлице 6 этой же коллекторной пластины): обозначения на фиг.2 указаны на аналогичных коллекторных пластинах, но смещены по сравнению с теми же обозначениями на фиг.1, так как индукционный датчик ИД закрывает собой на фотографии нужные для обозначения концы уравнителей; фиг.3 иллюстрирует практическую реализацию предлагаемого способа на другом конкретном объекте испытания - якорь шестиполюсного тягового электродвигателя типа НБ-520 магистрального пассажирского электровоза серии ЭП1, ЭП1М, ЭП1П, последовательность укладки уравнителей 1, 2 и 3, 4 которого приведена на фиг.1: последовательность чередования коллекторных пластин 7 с уравнительными шлицами (с уравнителями 1, 2 и 3, 4) и - без уравнителей - на стадии - после электродуговой импульсной сварки обмоток якоря с коллектором до механической обработки мест сварки (темное кольцо в верхней части коллектора) - с установленным на валу испытываемого якоря изолирующим штативом (см. общий вид изолирующего штатива в сборе в изометрии на фотографии фиг.4), по высоте которого перемещают и фиксируют кронштейн с двумя токоподводящими подпружиненными внутри своего корпуса контактами (Высокое 10, соединенный с Выход ГИН, и Земля 9, см. фиг.1) на изолирующей панели, и второй кронштейн в виде изолирующей измерительной штанги с индукционным датчиком ИД, который выставляют и фиксируют над выводами витков у петушков коллектора той секции петлевой обмотки, на смежные уравнители которой подают испытательное напряжение от ГИН; на фиг.4 отдельно от объекта испытания (якоря) показан изолирующий штатив (из листового текстолита толщиной 40 мм в сборе в изометрии) с перемещаемыми по его высоте (по трубе, фиксируемой в специальной направляющей, скрепленной с верхней частью изолирующего штатива болтами) и проворачиваемыми вокруг оси трубы и фиксируемыми на трубе штатива двумя кронштейнами: один - с двумя подпружиненными токоподводящими контактами Высокое и Земля (с разбираемыми двумя частями корпуса на резьбе) и подсоединяемыми к Выходу ГИН Высокое и Земля и второй кронштейн - с индукционным датчиком ИД на конце изолирующей измерительной штанги с фиксатором положения датчика (по высоте и вокруг своей оси). Нижняя часть изолирующего штатива фиксируется (стягивается) на валу испытываемого якоря струбциной (видна справа) и соединена с верхней частью штатива с помощью петли (видна слева). Плотное прилегание к валу испытываемого якоря изолирующего штатива обеспечивает надежный контакт между подпружиненными контактами Высокое и Земля с коллекторными пластинами якоря, что особенно важно при протекании тока короткого замыкания к точке замыкания между уравнителями - точка МУЗ и при очень малых размерах рабочей поверхности коллекторной пластины 7 толщиной, примерно, 3 мм и при толщине миканитовых прокладок 8, примерно, 1 мм (см. фиг.1, фиг.2, фиг.3). Кроме того, такое исполнение изолирующего измерительного штатива позволяет проводить испытания изоляции обмоток якорей одному человеку, например работнику ОТК.
Так как короткое замыкание между уравнителями первого рода (Точка МУЗ фиг.1), лежащими под лобовой частью двухслойной простой петлевой обмоткой якоря со стороны коллектора, представляет ничто иное как короткое замыкание между соответствующими коллекторными пластинами, к которым они присоединены по схеме, в силу того, что уравнители первого рода безындуктивные, приводящее к короткому замыканию соответствующих витков основной простой петлевой обмотки якоря, то сначала точно однозначно и конкретно обнаруживают три секции обмотки якоря для шестиполюсных тяговых электродвигателей, расположенные под углом сто двадцать градусов относительно друг друга по окружности якоря, например, НБ-520 (фиг.1 и фиг.3), НБ-514 (фиг.2) (ДТК - 800 А - шестиполюсного тягового электродвигателя магистрального грузового электровоза постоянного тока серии 2ЭС4К, НТК-650 - шестиполюсного тягового электродвигателя промышленного электровоза серии НП1), непосредственно соединенные между собой уравнителями, между которыми имеет место замыкание между уравнителями - точка МУЗ (фиг.1), как для случая виткового замыкания ВЗ: - по размагничивающему действию короткозамкнутых витков - по закону Э.Ленца - закону обратимости электромагнитной индукции - и способами по авторским свидетельствам: №205941 МПК H02D G01R и №297008 МПК G01R 31/06: при подаче импульсного напряжения на коллектор относительно корпуса якоря - при ударном импульсном возбуждении обмоток якоря как сложной колебательной системы, обусловленном разрядом генератора импульсных напряжений ГИН, - источника испытательного импульсного напряжения. Указанные три секции характеризуются одинаковыми уровнями импульсного магнитного поля при расположении индукционного датчика ИД измерителя импульсных магнитных полей ИИП над любой частью якоря: над пазами сердечника якоря, над лобовой частью обмотки якоря или над выводами витков у петушков коллектора. Точно однозначно и конкретно эти три секции обнаруживают по минимальным (практически нулевым) показаниям индикатора ИИП при расположении датчика ИД над двумя зубцами паза с верхней стороной каждой из этих трех секций (см. кн.: Бессудное Е.П. Обнаружение мест дефектов изоляции обмоток электрических машин постоянного тока. М., Энергия, 1977, с.22-48, 67-80).
КЗ
Далее на концы двух смежных уравнителей 1, 2 и 3, 4, входящих в короткозамкнутый контур, предположительно, с точкой замыкания между уравнителями МУЗ и током короткого замыкания I, и на соответствующие концы витков 5 одной из трех, обнаруженных по размагничивающему действию короткозамкнутых витков, секций петлевой обмотки, лежащие в соответствующих шлицах 6 коллекторных пластин 7, с помощью контактов 9 и 10, соединенных с выходом ГИН 11, подают испытательное напряжение от ГИН с частотой следования импульсов, например, 50 имп/с на соответствующие коллекторные пластины 7 с концами уравнителей 1, 2 и 3, 4 (см. фиг.1, 2, 3): по схеме укладки уравнительной обмотки конкретного типа якоря в уравнительные шлицы 6 соответствующих коллекторных пластин (см., например, фиг.1 для якоря типа НБ-520).
КЗ
КЗ
Измеряют импульсное магнитное поле тока короткого замыкания аксиального направления одной из этих коллекторных пластин индикатором - измерителем импульсных магнитных полей ИИП 12 с индукционным датчиком ИД астатической конструкции, имеющим в своем магнитопроводе воздушный зазор - щель, ориентированный вдоль аксиального направления тока короткого замыкания I в одной из этих двух коллекторных пластин, достигают максимальных показаний индикатора ИИП 12 путем перемещения датчика ИД поперек этих коллекторных пластин, регулировки величины испытательного напряжения ГИН 11 и чувствительности индикатора ИИП 12 (фиг.1 и фиг.2). Далее переставляют датчик ИД (фиг.2) к петушкам коллектора якоря в зону I (фиг.1) и измеряют импульсное магнитное поле тока короткого замыкания радиального направления. И, наконец, перемещают датчик ИД по высоте петушков коллектора в радиальном направлении от рабочей поверхности коллектора из зоны I в зону II (фиг.1) и точно обнаруживают замыкание между уравнителями после прохождения датчика доступного для измерения импульсного магнитного поля участка петушков коллектора с радиальным направлением тока короткого замыкания и изменением его направления в шлицах коллекторных пластин на недоступное - аксиальное - по резкому уменьшению показаний индикатора ИИП 12 после прохождения датчика ИД концов уравнителей в петушках коллектора: после перехода датчика ИД из зоны I, обозначенной на фиг.1 сплошным прямоугольником, в зону II - в пунктирный прямоугольник, который охватывает концы витков основной простой петлевой обмотки якоря, шунтированных (закороченных) короткозамкнутым контуром с точкой замыкания между уравнителями - Точкой МУЗ с током короткого замыкания I, протекающим в аксиальном направлении по уравнителям под двухслойной простой петлевой обмоткой якоря: по невидимому порогу (ступеньке) (см. на фиг.3 - якорь НБ-520 - на стадии изготовления после сварки петушков коллектора до пропитки в автоклаве и ср. фиг.2 - якорь НБ-514 - после укладки обмотки - начальная технологическая стадия) в единственно доступном месте якоря (внешняя видимая сторона петушков коллектора) для измерения импульсного магнитного поля при одной и той же чувствительности индикатора ИИП с датчиком ИД как к импульсному магнитному полю уравнительной обмотки, так и к полю основной простой петлевой обмотки. При этом коллекторную пластину следует рассматривать как сборную шину с одним питающим присоединением от ГИН (токоподводящие контакты, соединенные с Выход ГИН - Высокое 10 или Земля 9 на фиг.1 и фиг.2) и четырьмя отходящими присоединениями в шлицах петушков коллектора: нижний и верхний слой уравнительной обмотки 1, 2 и 3, 4 и нижний и верхний слой простой петлевой обмотки 5 якоря (фиг.1 и фиг.2). Точное обнаружение замыкания между уравнителями неразрушающим способом оказалось возможным благодаря высокой избирательной способности импульсов с крутым фронтом, равным доли микросекунды, импульсного испытательного напряжения ГИН на практически безындуктивной нагрузке ГИН - короткозамкнутом контуре с точкой короткого замыкания между смежными уравнителями, по сравнению с избирательной способностью, например, постоянного напряжения обычно применяемого по методу милливольтметра - по падению напряжения на короткозамкнутом контуре, и благодаря высокой чувствительности и избирательности Способа, положенного в основу измерителя импульсных магнитных полей ИИП 12 (Способ измерения импульсных магнитных полей. Авторское свидетельство на изобретение №444139 М. Кл. G01r 33/00) с индукционным датчиком ИД астатической конструкции, имеющим в своем магнитопроводе воздушный зазор - щель.
КЗ
КЗ
Основные принципиальные отличительные признаки настоящего изобретения, изначально указывающие на то, что коллекторную пластину следует рассматривать не как узел (точку, сплошной металл), а как сборную шину с одним питающим от ГИН присоединением и четырьмя отходящими присоединениями: два уравнителя (нижний и верхний) и два витка (нижний и верхний) петлевой обмотки якоря, основанные на измерении импульсного магнитного поля тока короткого замыкания I в короткозамкнутом контуре с точкой замыкания между уравнителями (Точка МУЗ) при одной и той же чувствительности индикатора ИИП с индукционным датчиком ИД как к импульсному магнитному полю уравнительной обмотки, так и к полю основной простой петлевой обмотки, в единственно доступном месте якоря (петушки коллектора) по невидимому порогу (ступеньке) изменения пространственного направления протекания тока короткого замыкания I на девяносто градусов - с радиального на аксиальное (по отношению к оси вала якоря), - обеспечивают возможность точного обнаружения замыкания между уравнителями первого рода (волновая обмотка) и второго рода (петлевая обмотка) в четырехслойных смешанных (лягушечьих, состоящих из волновой и петлевой обмоток разного исполнения) обмотках якорей коллекторных электрических машин постоянного тока большой мощности. Именно четырехслойное исполнение смешанных (лягушечьих) обмоток якорей и, следовательно, недоступность для измерения импульсного магнитного поля петлевой обмотки, лежащей под верхним слоем волновой обмотки, затрудняет практическое применение Способа - Патент РФ на изобретение №2308730 МПК G01R 31/06, и, кроме того, в таких обмотках образуются два короткозамкнутых контура с витками петлевой и волновой обмоток при коротком замыкании в одной из них: более подробно см. кн.: Е.П.Бессуднов. Обнаружение мест дефектов изоляции обмоток электрических машин постоянного тока. М., Энергия, 1977. с.82-83.
Так как все операции при обнаружении замыкания между уравнителями МУЗ производят вручную под напряжением от ГИН в непосредственной близости к коллектору с помощью изолирующей измерительной штанги с индукционным датчиком ИД на ее конце (фиг.2) и с помощью индикатора - измерителя импульсных магнитных полей ИИП 12 (фиг.1), изолированного от Земли, с автономным питанием от источника постоянного напряжения 9 В, то целесообразно применять второй индукционный датчик ИД (фиг.3 и фиг.4), выставляемый над выводами витков у петушков коллектора якоря, совместно со вторым индикатором ИИП идентичными первому измерительному комплекту, описанному выше. Второй измерительный комплект ИД и ИИП необходим для того, чтобы по минимальным показаниям индикатора ИИП (практически нулевым) судить об отсутствии короткого замыкания в основной петлевой обмотке якоря при регулировании величины испытательного напряжения от ГИН в широком диапазоне от нуля до допустимой величины для миканитовой изоляции 8 между коллекторными пластинами 7 (фиг.1), например, короткого замыкания или электрического пробоя через дугу изоляции между витками верхнего и нижнего слоя петлевой обмотки, которые присоединены к тем же коллекторным пластинам, что и рассматриваемые смежные уравнители с предполагаемым на начальной стадии поиска дефекта изоляции, не прибегая к операциям под напряжением вручную с помощью первого измерительного комплекта ИД и ИИП, и для ускорения обнаружения (распознания) всех возможных вариантов (сочетаний) коротких замыканий как в уравнительной, так и в основной петлевой обмотках якоря и, тем более, в смешанных (лягушечьих) обмотках с уравнителями первого и второго рода.
Таким образом, описанное изобретение обеспечивает возможность абсолютно объективно конкретно точно обнаружить замыкание между уравнителями обмоток якорей неразрушающим способом при любых практически возможных переходных сопротивлениях в месте дефекта изоляции (при металлических коротких замыканиях и при электрическом пробое изоляции между уравнителями через дугу) и применимо на всех стадиях технологического процесса электромашинного производства как для простых петлевых однократнозамкнутых и сложных петлевых многократнозамкнутых, так и для смешанных (лягушечьих) обмоток якорей также любого (простого и сложного) исполнения.