Повышение эффективности диагностирования межвитковой изоляции трехфазной обмотки статора низковольтных асинхронных двигателей методом акустической эмиссии

Капаев Владимир Иванович; Наумов Анатолий Алексеевич; Свищева Надежда Александровна

УДК 621.313

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ТРЕХФАЗНОЙ ОБМОТКИ СТАТОРА НИЗКОВОЛЬТНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

В.И. КАПАЕВ, А.А. НАУМОВ, Н.А.СВИЩЕВА

Казанский государственный энергетический университет

Диагностика состояния межвитковой изоляции обмотки статора низковольтных трехфазных асинхронных двигателей методом акустической эмиссии является перспективной. Суть этого метода заключается в контроле сигнала акустической эмиссии, порождаемого силовым магнитным взаимодействием токов проводников фазной обмотки, интенсивность которого тесно связана с физико-механическими свойствами межвитковой изоляции, что позволяет достаточно объективно оценивать ее техническое состояние. Рассматривается способ повышения чувствительности и достоверности данного метода.

Ключевые слова: трехфазный асинхронный двигатель, межвитковая изоляция, диагностика, акустическая эмиссия.

Автоматизация производства практически любой отрасли промышленности и сельского хозяйства немыслима без широкого использования асинхронных двигателей (АД) в качестве основного вида привода различных технологических машин и механизмов. Результаты многих исследований и их анализ показывают, что «внезапный» выход АД из строя наносит значительный ущерб, связанный не столько с ремонтом и заменой АД, сколько с простоем технологического оборудования, порчей сырья, нарушением технологических процессов, что приводит, в конечном итоге, к ущербу и убыткам от недополучения продукции. В подавляющем большинстве случаев (85-95%) отказы АД средней мощности происходят из-за повреждения их электроизоляционной системы.

Электроизоляционная система АД состоит из пазовой, межфазной и межвитковой изоляции. Пазовая и межфазная изоляции достаточно надежны, поскольку представляют многослойные структуры с применением листовых изоляционных материалов. Наименее надежна межвитковая изоляция, которая фактически определяет срок службы электрической машины. Элементы межвитковой изоляции - эмалевая пленка и пропиточный лак - совместно с проводником обмотки образуют сопряженную систему, на которую воздействуют неблагоприятные факторы: резкие изменения температуры, динамические удары, окружающая среда. Они интенсивно стареют, утрачивают эластичность, механическую прочность и, тем самым, способность отслеживать деформацию проводников фазных обмоток статора. Возникающие в системе напряжения приводят к появлению дефектов в изоляции: трещин, разрывов, отслоений эмали и т.п. [1]. Это подтверждается эксплуатационной практикой. Отказы АД из-за повреждения их электроизоляционной системы распределяются следующим образом: межвитковые замыкания - 93%, пробой межфазной изоляции - 5%, пробой пазовой изоляции -2%. Причем значительную часть (30%) из них составляют износовые отказы, обусловленные старением изоляции под воздействием множества факторов окружающей среды и режимов работы.

Таким образом, диагностика и контроль состояния межвитковой изоляции -важная и ответственная задача профилактики АД. Эффективные средства и методы диагностики состояния межвитковой изоляции могли бы в значительной степени решить проблему их эксплуатационной надежности. Однако, даже имея в распоряжении высококачественные изоляционные и пропиточные материалы, необходимо вести профилактический контроль показателей изоляции во время эксплуатации АД в целях предотвращения преждевременного «внезапного» выхода его из строя из-за нарушения межвитковой изоляции. Зная начальные значения показателей изоляции, отражающие по сути её качество и скорость ухудшения характеристик в результате воздействия негативных факторов, специфичных для конкретных условий эксплуатации, можно осуществлять прогноз её состояния на перспективу, а следовательно, и переход от системы планово-предупредительного обслуживания или по выходу АД из строя к прогрессивной форме технического обслуживания по фактическому состоянию. Системе планово-предупредительного обслуживания характерен принципиальный недостаток. Повышение эксплуатационной надежности электродвигателей в ней связано с увеличением частоты профилактических ремонтов, что сопряжено с ростом эксплуатационных расходов. При большом числе электроприводов проведение регламентированных ремонтов всех двигателей затратно и в то же время не исключает отказов отдельных машин в межремонтный период; в других случаях ремонт выполняется тогда, когда он не нужен. Следовательно, нужна иная стратегия обслуживания асинхронных двигателей, опирающаяся на результаты диагностического обследования слабого элемента - межвитковой изоляции, по вине которой происходит 80... 85% всех аварий [2]. Причем форма технического обслуживания по фактическому состоянию обеспечивает значительное сокращение эксплуатационных затрат за счет раннего обнаружения дефектов и неисправностей [3]. Это позволяет устранить их во время технического обслуживания, что позволит исключить отказы во время работы.

В настоящее время существует широкий спектр различных методов оценки состояния межвитковой изоляции электрических машин. Объективной оценке их эффективности способствует понимание процесса старения межвитковой изоляции и ее предельного состояния. Процесс старения межвитковой изоляции протекает как образование в монолитной изоляционной конструкции различных полостей: отслоений, трещин и т. п. С точки зрения надежности АД потенциально опасны микротрещины, развивающиеся во всей изоляционной композиции, которые со временем приобретают характер сквозных полостей в её структуре. Из-за малых размеров рассматриваемых дефектов в них проявляется капиллярный эффект, и в реальных условиях эксплуатации они частично или полностью заполняются влагой, сорбируемой обмоткой из окружающей среды. Электрические свойства дефектов изоляции, заполненной капиллярной влагой, кардинально отличаются от заполненных воздухом. Эти дефекты при влагозаполнении представляют собой каналы повышенной проводимости, через которые при определенных условиях происходит электрический разряд, разрушающий обмотку статора. Такие малые электрические разряды, возникающие в месте разрушения обмотки статора, называют частичными разрядами, являющимися основной причиной электрического старения изоляции. Характерно, что в этих случаях электрический пробой может наступить при обычной рабочей температуре в полнофазном режиме работы с установленными средствами температурной (токовой, фазочувствительной и др.) защиты [4].

121

Однако при эксплуатации низковольтных асинхронных электродвигателей частичные разряды в заполненных воздухом полостях возникают лишь в моменты коммутационных или иных перенапряжений, они кратковременны и носят вероятностный характер, что затрудняет их обнаружение. Кроме того, они не обнаруживаются измерением сопротивления изоляции. В силу отмеченных обстоятельств, прогнозирование срока службы АД по снижению сопротивления изоляции дает плохо согласующиеся с практикой результаты. Другие методы неразрушающего контроля, основанные на измерениях объемных характеристик изоляции: тангенса угла диэлектрических потерь, емкости, коэффициента абсорбции, коэффициента поляризации и др., имеют те же недостатки, отражая общие показатели обмотки, непосредственно не связанные с локальными дефектами изоляции [4]. Применение таких характеристик в качестве диагностических вызвано в основном простотой измерения. Однако ни один из этих методов не может дать объективной оценки состояния межвитковой изоляции хотя бы потому, что отсутствует возможность измерения этими способами упругих характеристик изоляции, а по данным работы [4] даже кратковременные импульсные механические напряжения, составляющие 80% от предела прочности изоляции, приближают время выхода из строя изоляции в 2 раза. В то же время известно, что диагностические признаки наряду с удобством измерения, информативностью и технологичностью должны отображать те характеристики объекта, изменение которых влечет за собой наиболее часто повторяющиеся отказы. Такими характеристиками, как было уже отмечено, для электродвигателей являются внутренние структурные изменения в межвитковой изоляции - сквозные микротрещины, само наличие которых переводит машину в состояние скрытого отказа.

Наиболее распространенным методом, и занимающим особое место в рассматриваемых способах контроля изоляции электродвигателей в диапазоне от 4 кВ и более, до сих пор остается определение интенсивности частичных разрядов. Частичные разряды представляют собой особую обратимую область электрического разряда, предшествующую разрушающим формам разряда. Принцип действия прибора индикатора частичных разрядов основан на том, что каждый частичный разряд в изоляции порождает полосу вторичных колебаний в виде электромагнитных и акустических волн, распространяющихся в окружающей изоляцию среде, которые улавливаются измерительными датчиками. Однако интенсивность частичных разрядов растет при старении электрической изоляции не очень значительно до перехода частичных разрядов в критическую фазу, что сужает область применения данного метода и, кроме того, для низковольтных электрических машин возникновение дефектов в изоляции не всегда сопровождается появлением частичных разрядов. Этому методу свойственен еще один недостаток - он является для изоляции разрушающим, т.к. ведет к порче органической изоляции ионизационными процессами. Любой электрический пробой изоляции часто сопровождается быстроразвивающимся межвитковым замыканием, что наблюдается у 51,2% вышедших из строя двигателей [2]. Метод, основанный на регистрации частичных разрядов, в настоящее время разработан лишь для высоковольтного оборудования. Но даже и здесь диагностика состояния изоляции методом измерения частичных разрядов не обладает предупредительными свойствами, позволяющими выявлять в ней дефекты на ранних стадиях развития, которые приводят к её разрушению.

Таким образом, можно утверждать, что под влиянием внешних и внутренних факторов в межвитковой изоляции статорных обмоток низковольтных асинхронных

122

электродвигателей идут непрерывные интенсивные процессы её старения, которые в настоящее время не отслеживаются по доступным эксплуатационным параметрам, и в результате чего межвитковые замыкания в статорных обмотках воспринимаются как «внезапные» отказы со всеми вытекающими из этого негативными последствиями. Для предупреждения такого рода аварий необходимы методы ранней диагностики, позволяющие выявить начальную стадию сквозного трещинообразования в изоляции, когда число сквозных дефектов еще невелико и возможно ее восстановление. Следует отметить, что в настоящее время существуют эффективные способы восстановления межвитковой изоляции электрических машин. При этом срок службы изоляции восстанавливается практически до исходного. Задача, таким образом, заключается лишь в достоверном выявлении предпробойного состояния изоляции.

Диагностика эксплуатирующихся низковольтных АД должна проводиться неразрушающими методами контроля, достаточно однозначно связанными с физико-механическими свойствами межвитковой изоляции и, более того, не наносить ей вреда. В этой связи перспективной является диагностика состояния межвитковой изоляции обмотки статора низковольтных трехфазных асинхронных двигателей методом акустической эмиссии. Суть этого метода заключается в контроле сигнала акустической эмиссии, порождаемого механическими напряжениями в структуре межвитковой изоляции, создаваемыми силовым магнитным взаимодействием токов проводников диагностируемой фазной обмотки статора. Информация, получаемая путем измерения интенсивности сигнала акустической эмиссии, тесно связана с физико-механическими свойствами межвитковой изоляции и, в частности, с ее упругими характеристиками, что позволяет достаточно объективно оценивать техническое состояние диагностируемой изоляции. Однако существенной проблемой при практической реализации данного метода диагностики является борьба с помехами, которые, маскируя полезный диагностический сигнал, снижают достоверность результата диагностирования. Среди этих источников помех к наиболее трудно устранимым относятся электромагнитные. Что касается механических источников помех, то при диагностике состояния межвитковой изоляции статорных обмоток методом акустической эмиссии их устранение не составляет проблемы, так как в данном случае диагностика проводится при заторможенном роторе. Возникающие помехи электромагнитной природы, способные маскировать полезный диагностический сигнал, в основном обусловлены действием эффектов электродинамического и магнитного взаимодействий и магнитострикцией в сердечнике статора при наличии в нем переменного магнитного поля [5].

Известный способ подавления помех электромагнитной природы при диагностике состояния межвитковой изоляции статорных обмоток методом акустической эмиссии [6] включает поочередное подключение к источнику диагностирующего гармонического тока только одной из трех фаз обмотки статора при обесточенных двух других фазах обмотки и последующее измерение интенсивности сигнала акустической эмиссии, порождаемого электродинамическими взаимодействиями между собой проводников диагностируемой фазы обмотки при протекании через них диагностирующего тока. Недостатком этого способа является низкая чувствительность, обусловленная хаотическим направлением электродинамических взаимодействий проводников, а также невысокая достоверность вследствие неполного устранения искажений диагностического сигнала акустической эмиссии от воздействия помех, создаваемых в сердечнике статора магнитострикцией и

123

эффектами электродинамического и магнитного взаимодействия, порождаемых пульсирующим магнитным полем в сердечнике статора.

Предполагаемым способом решается задача повышения чувствительности и достоверности метода диагностирования межвитковой изоляции трехфазной обмотки электрической машины при использовании в качестве диагностического параметра сигнала акустической эмиссии, возбуждаемого в ней. Задача решается тем, что в способе диагностирования межвитковой изоляции, где в качестве диагностического параметра используется сигнал акустической эмиссии, каждая из фазных обмоток статора поочередно подключается к источнику диагностирующего импульсного однополярного нарастающего и убывающего тока, а две другие фазные обмотки - к источнику постоянного тока. Возникающие при этом магнитоэлектрические взаимодействия проводников диагностируемой фазы обмотки при протекании через них импульсов диагностирующего тока, с постоянным магнитным полем сердечника статора, возбуждаемым постоянным током двух других фазных обмоток [7], порождают сигнал акустической эмиссии, контроль которого позволяет оценивать техническое состояние изоляции, так как его интенсивность тесно связана с физико-механическими свойствами межвитковой изоляции.

Технический результат - повышение чувствительности - достигается за счет упорядоченного направления и усиления магнитоэлектрических взаимодействий проводников диагностируемой фазы обмотки при протекании через них диагностирующего тока, имеющего форму нарастающих и убывающих однополярных импульсов, с постоянным магнитным полем сердечника статора, а повышение достоверности достигается существенным устранением искажения диагностического сигнала акустической эмиссии от действия помех, создаваемых в сердечнике статора магнитострикцией и эффектами электродинамического и магнитного взаимодействий за счет его насыщения постоянным магнитным потоком.

На рис.1 изображена схема реализации способа диагностирования межвитковой изоляции трехфазной обмотки электрической машины.

Рис.1. Схема диагностирования межвитковой изоляции трехфазной обмотки статора методом

акустической эмиссии

124

Схема реализации способа диагностирования межвитковой изоляции трехфазной обмотки электрической машины содержит диагностируемую фазу 1 обмотки статора с подключенным к ней источником импульсного однополярного нарастающего и убывающего тока 4, две другие фазные обмотки 2 статора, соединенные параллельно с подключенным к ним источником постоянного тока 5, датчика 6, накладываемого на сердечник 3 статора, для контроля сигнала акустической эмиссии и устройства обработки поступающих данных 7.

Способ диагностирования межвитковой изоляции осуществляется следующим образом. Диагностируемую фазную обмотку 1 статора подключают к источнику импульсного нарастающего и убывающего однополярного тока 4, а две другие фазные обмотки 2 статора, соединенные между собой параллельно, подключают к источнику постоянного тока 5. При включении источника 4 в проводниках диагностируемой фазы 1 обмотки статора протекает импульсный ток однополярной направленности. При включении источника 5 по двум другим фазам обмотки 2 статора протекает постоянный ток, который возбуждает в сердечнике 3 статора постоянное магнитное поле Ф. При этом между проводниками диагностируемой фазы 1 обмотки статора и магнитным полем сердечника 3 статора возникают электромагнитные взаимодействия импульсного характера, которые создают в материале межвитковой изоляции импульсные механические напряжения, порождающие акустическую эмиссию, интенсивность которой определяется физико-механическими свойствами материала изоляции. Сигнал акустической эмиссии, преобразованный датчиком 6 в электрический, подается на устройство обработки поступающих данных 7, которое по результатам оценки его интенсивности определяет техническое состояние межвитковой изоляции, степень ее старения.

В качестве примера ниже приведены осциллограммы сигналов акустической эмиссии возбуждаемых одним импульсом диагностирующего тока в межвитковой изоляции двух однотипных асинхронных двигателей: находящегося в эксплуатации один месяц (рис.2, а) и проработавшего 3 года (рис.2, б).

а) б)

Рис. 2. Осциллограммы сигнала акустической эмиссии: а) нового электродвигателя, б) электродвигателя, находящегося в эксплуатации

в течение трех лет

(масштаб: по горизонтальной оси - 2 мс/дел, по вертикальной оси -20 мВ/дел)

В большинстве случаев для стимуляции проявления развивающихся дефектов изоляции используется избыточное токовое нагружение диагностируемой фазной обмотки с превышением на 5 - 10% максимальной допустимой токовой нагрузки. При этом нагрузка может быть меньше, чем та, которая используется при прочностных испытаниях изоляции. Используется тот феномен, что развивающиеся дефекты

125

работают как концентраторы напряжений и, при незначительных механических напряжениях в материале межвитковой изоляции, локальные напряжения в местах расположения дефектов достигают таких величин, которые позволяют включиться механизмам генерации акустической эмиссии, таким как пластическая деформация или проскоки трещины. Регистрация акустической эмиссии на спадах и подъемах изменяющегося тока нагрузки в диагностируемой фазной обмотке может помочь также выявить различные особенности процесса старения изоляции. Из сказанного ясно, что выполнение графика нагружения током диагностируемой фазной обмотки является очень важным моментом в процессе проведения контроля состояния межвитковой изоляции методом акустической эмиссии. Изменение направления постоянного тока в двух других фазных обмотках статора позволяет менять направление механических напряжений в межвитковой изоляции диагностируемой фазной обмотки и, тем самым, получать дополнительную информацию о состоянии изоляции.

Summary

Perspective is the condition of the stator winding inter-turn insulation of the low voltage three-phase asynchronous engines by way of the acoustic emission. The essence of this method lies in the control of the acoustic emission signal generated by the magnetic power interrelation of the phase winding conductor currents, the intensity of which is closely connected with the physical and mechanical properties of inter-turn insulation, which allows evaluating its technical condition quite objectively. Considered is the sensitivity increase method and reliability of the present method.

Keywords: three-phase asynchronous engine, inter-turn insulation, diagnostics, acoustic emission.

Литература

1. Галушко А.И. Надежность изоляции электрических машин / А.И. Галушко, И.С. Максимова и др. М.: Энергия, 1979.

2. Хомутов О.И., Суханкин Г.В., Герцен Н.Т., Сташко В.И. Электрические и акустические методы диагностики изоляции электрических машин. Новосибирск: Наука, 2007.

3. Хомутов С.О., Грибанов А.А. Определение целесообразных интервалов времени проведения мероприятий по восстановлению изоляции электродвигателей // Вестник АГТУ им. И.И. Полузнова. 2001. № 2.

4. Пахомов А.И., Переверзев И.А., Кроневальд А.Ф. Эксплуатационная надежность асинхронных двигателей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2008. № 3.

5. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. М.: Наука, 1984.

6. Суханкин Г.В., Герцен Н.Т. Акустическая диагностика изоляции электрических машин // Ползуновский вестник. Барнаул. 2006. №4-2.

7. Иванов-Смоленский А. В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах / Алексей Владимирович Иванов-Смоленский. М.: Высшая школа, 1989.

Поступила в редакцию 26 октября 2011 г.

Капаев Владимир Иванович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-76.

Наумов Анатолий Алексеевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

126

Свищева Надежда Александровна - ст. преп. кафедры «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-76, 8 (927) 4211426. E-mail: sv_nadin@mail.ru.

127

Efficiency increase of inter-turn insulation diagnostics of the stator three phase insulation of the low voltage asynchronous engines by way of the acoustic emission