Пояснительная записка Мусинов (1225045), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Рисунок 7.6 – Факторы, воздействующие на изоляционные конструкции тяговых двигателей тепловозов в процессе эксплуатации
7.2 Методы диагностирования корпусной изоляции тяговых двигателей
Известно, что при эксплуатации тяговых электродвигателей (ТЭД) неизбежно стареет их электрическая изоляция. Ее свойства ухудшаются, снижается электрическая прочность, что может привести к пробою. В ряде случаев процессы старения носят необратимый характер и заканчиваются разрушением изоляции.
Однако чаще всего последствия старения могут быть устранены. Чтобы избежать внезапных пробоев изоляции и поддержать необходимую надежность электрооборудования, состояние изоляции периодически контролируют. Ухудшение ее свойств компенсируется планово-предупредительными ремонтами на основе цикла с назначенным межремонтным ресурсом, который не учитывает реальных условий эксплуатации. При такой системе профилактические и ремонтные работы проводят по времени наработки, т.е. по пробегу.
Согласно Правилам ремонта электрических машин электроподвижного состава после каждых 350 тыс. км пробега с начала эксплуатации ТЭД обязаны пройти определенный вид ремонта: текущий, средний или капитальный. Как показала практика, система поддержания надежности изоляции по пробегу не является оптимальной (как и ремонт по наработке в других отраслях промышленности). Условия эксплуатации ТЭД разные, следовательно, изоляция стареет неодинаково.
Если объективно оценивать ее реальное состояние, то можно с меньшими затратами продлить срок службы, не снижая надежность. Особенно важным это становится в условиях острого дефицита меди и изоляционных материалов. Следует также учесть, что на транспорте, как и во многих отраслях народного хозяйства нашей страны, возрастает количество электрооборудования, эксплуатируемого с истекшими сроками службы. В депо затрачивают значительные силы и средства на поддержание надежности такого оборудования на нормальном уровне за счет проведения планово-предупредительных ремонтов с назначенным межремонтным ресурсом.
Чтобы перейти от традиционной системы обслуживания электрооборудования по пробегу к альтернативной по реальному техническому состоянию, нужно объективно оценить состояние изоляции. Имеющиеся в распоряжении деповчан средства диагностики не удовлетворяют современным требованиям. Пригодность корпусной изоляции обмотки якоря ТЭД к дальнейшей эксплуатации до сих пор определяют с помощью мегаомметра по величине сопротивления изоляции, хотя по нему можно выявить лишь грубые дефекты изоляции.
Кроме того, на сопротивление изоляции влияют многие факторы, в том числе увлажнение, загрязнение и др. В целом эффективность диагностики обеспечивается только комплексной оценкой результатов контроля. Становится возможным определить наиболее вероятные виды и причины неисправностей электрооборудования.
Как показали исследования ученых Российского государственного открытого университета путей сообщения (РГОТУПС), объективные критерии оценки состояния изоляции можно получить, используя явление абсорбции, т.е. явление поглощения заряда внутри изоляции при ее поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов или замедленную ориентацию дипольных молекул изоляции под действием внешнего электрического поля. Заряды и диполи стремятся уменьшить напряженность электрического поля внутри диэлектрика. В связи с этим уменьшается вероятность электрического пробоя.
О процессах поляризации можно судить по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Опыт, в котором наблюдают возвратное напряжение, состоит в следующем. Изоляцию заряжают в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем изоляцию отключают от источника постоянного напряжения, ее электроды замыкают накоротко на очень малый промежуток времени, после чего вновь размыкают. За это время геометрическая емкость полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный внутри изоляции, остается практически неизменным.
За счет данного заряда на изоляции медленно начинает возрастать напряжение, которое и называют возвратным. Оно сначала повышается, достигая максимума, а затем постепенно уменьшается. По величине и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции.
Чтобы объективно оценивать качество изоляции, используя явление абсорбции, в Нижегородском филиале РГОТУПСа было разработано оригинальное устройство, принципиальная схема которого приведена на рисунке 7.7.
Рисунок 7.7 – Функциональная схема устройства контроля изоляции
Оно включает в себя: высоковольтный стабилизированный источник питания ВИП с выходным напряжением 1000 или 2500 В, измерители тока И1 и напряжения И2, два высоковольтных реле Р1 и Р2. Последними управляет микроЭВМ или система автоматики, построенная на интегральных микросхемах с применением программируемых запоминающих устройств. Схема замещения неоднородной изоляции тягового двигателя представлена в виде двух конденсаторов С1 и С2, зашунтированных резисторами R1 и R2.
Процесс контроля изоляции состоит из четырех циклов. В первом цикле оба реле обесточены, и изоляция в течение одной минуты разряжается на «землю». Во втором цикле оба реле срабатывают, и изоляция в течение одной минуты заряжается от источника высокого напряжения. При этом измеряется традиционный параметр - сопротивление изоляции. В третьем цикле изоляция кратковременно (в течение 5 с) разряжается на «землю». В это время оба реле Р1 и Р2 обесточены.
В течение кратковременного разряда заряды, накопившиеся на геометрической емкости, успевают стечь на «землю», а заряды абсорбции, накопившиеся внутри изоляции на границе раздела двух сред, нет. За счет данных зарядов в четвертом цикле (после отключения изоляции от «земли») на ней образуется напряжение, называемое возвратным. Оно представляет собой апериодическую функцию времени, определяемую параметрами R1, R2 и С1, С2. Как показали исследования, наиболее информативной величиной является возвратное напряжение, измеренное через 30 с после отключения изоляции от «земли». Оно обозначено UB. Процесс диагностирования отображается на экране дисплея.
С помощью описанного устройства на Московском электромеханическом ремонтном заводе (МЭМРЗ) замеряли возвратное напряжение тяговых двигателей НБ-406 до и после среднего и капитального ремонтов. На основании опытных данных была построена зависимость возвратного напряжения от пробега L и вида ремонта (рисунок 7.8).
Рисунок 7.8 – Зависимость возвратного напряжения тяговых двигателей от пробега с учетом ремонтов
Согласно правилам ремонта на МЭМРЗ должны направлять двигатели с пробегами, кратными 350 тыс. км (350, 700, 1050, 1400) В действительности, двигатели поступают как с пробегом меньшим 350 тыс. км, так и с перепробегами. Реальные величины лежат в довольно широких интервалах (±20 %). В связи с этим первый интервал пробегов был принят равным 350...700 тыс. км (середина интервала – 525 тыс. км), второй интервал — 700...1050 тыс. км (середина интервала – 875 тыс. км) и третий интервал 1050...1400 тыс. км (середина интервала – 1225 тыс. км).
Из рисунке 7.8 видно, что с увеличением пробега изоляция стареет, и возвратное напряжение снижается. Средний ремонт восстанавливает свойства изоляции и повышает возвратное напряжение. После средних ремонтов выполняется капитальный ремонт, который полностью восстанавливает качество изоляции.
Как свидетельствует график на рисунке 4.3, у двигателей, имевших средний пробег 1225 тыс. км, среднестатистическое возвратное напряжение UB составляет 20 В, что говорит о большой изношенности изоляции. Свойства такого материала нельзя восстановить при среднем ремонте, и требуется полная замена обмотки. Если у двигателя с пробегом 1225 тыс. км возвратное напряжение оказывается намного больше 20 В, следовательно, изоляция имеет еще значительный запас до полного износа. Ее свойства можно восстановить при среднем ремонте, т.е. пропиткой изоляции и ее сушкой. Это позволяет сэкономить дефицитные обмоточные и изоляционные материалы и удешевляет ремонт.
На основании проведенных исследований Департамент локомотивного хозяйства (ЦТ) разрешил МЭМРЗ в виде эксперимента выполнять вместо капитального средний ремонт ТД, имеющих пробег более 1400 тыс. км при достаточно высоких значениях возвратного напряжения. Тем самым увеличивается их пробег до следующего планового ремонта. После пяти лет эксплуатации таких двигателей от депо не было получено рекламаций на качество ремонта изоляции.
Таким образом, как показали исследования, о старении изоляции без ее разрушения можно судить по характеру процессов поляризации — величине возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. С увеличением пробега изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом пробега уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции лучше, чем пробивное напряжение.
Дело в том, что пробивное напряжение указывает лишь на кратковременную прочность изоляции, в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических показателей изоляции. В частности, в процессе старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к ее тепловому пробою при длительном приложении напряжения.
У каждого вида изоляции существует внутренний ресурс, который оценивается ее способностью в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию протекающих при этом процессов. Внутренний ресурс новой изоляции — величина постоянная. Она определяется количеством вещества, которое должно быть разрушено для того, чтобы резко снизились электрические параметры и наступил один из видов пробоя. Снижается также и возвратное напряжение.
Возвратное напряжение является интегральной оценкой состояния изоляции. Для ее дифференциальной оценки в РГОТУПСе разработано устройство, которое позволяет определять наличие частичных разрядов в изоляции. Оно обладает высокой помехозащищенностью. На устройство получен патент РФ, оно экспонировалось на ВВЦ России.
Прибор выполнен на базе персонального компьютера типа IBM PC, который полностью автоматизирует процесс измерения и выдает заключения о состоянии изоляции. Изготовлен также и упрощенный вариант переносного прибора с микропроцессором.
С помощью описанных приборов можно объективно оценивать состояние корпусной изоляции, что позволит повысить надежность тяговых двигателей.
В дальнейшем необходимо создать сеть диагностических пунктов с компьютерным обеспечением и единым центром обработки, анализа и хранения информации. Связь пунктов технической диагностики с центром можно организовать по системе СПД («Интранет»), Создание баз данных (архивов) позволит оценивать динамику состояния изоляции и составлять экспертные прогнозы, что является необходимой предпосылкой для перехода от обслуживания по пробегу к обслуживанию по техническому состоянию.
7.3 Внедрение в работу комплекса УКИ-М
В настоящее время в сфере железнодорожного транспорта остро стоит проблема контроля за состоянием и работой тяговых коллекторных электродвигателей (ТЭД), которыми оснащена большая часть тепловозов России. Для объективной оценки работы ТЭД необходимо иметь информацию о токе, частоте вращения и состояния коллекторно-щеточного узла (КЩУ). Однако, сейчас единственным показателем работы ТЭД является измеряемая величина тока якоря, но этот параметр не может в полной мере характеризовать состояние двигателей.
Для решения этой проблемы разработана система мониторинга состояния тяговых электродвигателей тепловоза. Эта система представляет собой комплекс устройств и программных средств, непрерывно контролирующих состояние коллекторно-щеточного узла и частоту вращения ТЭД. Источником данных обискрении и частоте вращения является устройство контроля искрения (УКИ) ТЭД тепловоза, разработанное на кафедре «Электрические машины и аппараты» Томского политехнического университета. УКИ разработан для реализации способа оценки искрения машин постоянного тока. Сущность этого способа заключается в измерении поперечного тока разрезной щетки, возникновение которого обуславливается протеканием разных по величине токов по отдельным её частям. Направление и величина этого тока в процессе коммутации определяется суммарной ЭДС, наводимой в коммутирующей секции. Поэтому плотности тока под «сбегающими и набегающими» частями щетки будут существенно различаться, что приводит к искрению того или иного края щетки.
Функционально УКИ является преобразователем измеряемого добавочного тока коммутации в сигнал, удобный для дальнейшей обработки. Устройство контроля искрения (рисунок 7.9) представляет собой специальный трансформатор тока 1, выполненный на тороидальном сердечнике. В качестве первичной обмотки применена медная шпилька 2, которая проходит через кольцо трансформатора тока. Второй клеммой подключения первичной обмотки служит латунная гильза 3, которая изолирована от шпильки изоляционной обоймой 4. Между первичной обмоткой трансформатора тока и вторичной также находится изоляционная обойма 5. Трансформатор тока помещен в разборный корпус 6, и залит компаундом. Сигнал снимается с нагрузочного сопротивления 8.
Проведенные метрологические испытания показали, что УКИ соответствует ГОСТ 7746-200. Экспериментальные исследования работы УКИ на физической модели ТЭД подтвердили эффективность применения данного устройства в системе мониторинга искрения тяговых двигателей тепловоза в процессе эксплуатации.
Рисунок 7.9 – Принципиальная схема УКИ: 1 – трансформатор тока; 2 – шпилька; 3 – гильза; 4,5 – обоймы; 6 – корпус; 7 – зашитный кожух; 8 – сопротивление
Система мониторинга состоит из измерительных устройств (УКИ1…УКИ6), непрерывно регистрирующих состояние искрения шести ТЭД одной секции тепловоза. Оцифрованный сигнал каждого из шести датчиков, входящих в состав устройства УКИ, представляет собой массив мгновенных значений напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
