CC BY
70
Оригинальная статья / Original article УДК: 621.33.025
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-146-154
СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
© П.Ю. Иванов1, Е.Ю. Дульский2, А.М. Худоногов3
Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. В данной статье представлены пути реализации системы ремонта асинхронных вспомогательных машин (АВМ) электровозов переменного тока по фактическому состоянию с максимальной выработкой ресурса машины. МЕТОДЫ. Проанализированы методы и средства мониторинга состояния электрических машин, а именно их изоляционных конструкций, как наиболее уязвимых элементов. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Выявлены достоинства существующих систем мониторинга относительно других подобных систем и недостатки современных систем мониторинга состояния изоляции АВМ в плане применения этих систем непосредственно на электровозах в процессе эксплуатации. ВЫВОДЫ. Проведенный анализ существующих систем мониторинга состояния изоляции АВМ показал высокую степень проработанности данной проблемы в различных сферах промышленности. Однако остаются недостаточно проработанные вопросы для практического применения данных систем в условиях эксплуатации АВМ ЭПС.
Ключевые слова: надежность, изоляция, остаточный ресурс, асинхронные электродвигатели.
Формат цитирования: Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю., Худоногов А.М. Современные направления развития систем мониторинга состояния изоляции асинхронных электродвигателей // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 12. С. 146-154. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-146-154
CURRENT TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF THE SYSTEMS MONITORING INDUCTION MOTOR INSULATION CONDITION
P.Yu. Ivanov, E. Yu. Dulskiy, A.M. Khudonogov
Irkutsk State Transport University,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.
ABSTRACT. PURPOSE. The article shows the implementation ways of the repair system of asynchronous auxiliary machines (AAM) of AC locomotives by the actual condition when the machine resource is exhausted on maximum. METHODS. Analysis is given to the methods and monitoring means of the condition of electrical machines, in particular their insulation structures as the most vulnerable elements. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The advantages of existing monitoring systems as compared with the other similar systems are revealed as well as disadvantages of modern monitoring systems of AAM insulation condition in order to use these systems in electric locomotives in operation. CONCLUSIONS. Conducted analysis of existing monitoring systems of AAM insulation condition showed that this problem is highly elaborated in different branches of industry. However, there are still issues requiring attention in the practical application of these systems under electric rolling stock AAM operation. Keywords: reliability, insulation, residual life, induction motors
For citation: Ivanov P.Yu., Dulskiy E. Yu., Khudonogov A.M. Current trends in the development of the systems monitoring induction motor insulation condition // Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 12, pp. 146-154. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-12-146-154
1
Иванов Павел Юрьевич, кандидат технических наук, ассистент кафедры электроподвижного состава, e-mail: [email protected]
Pavel Yu. Ivanov, Candidate of technical sciences, Assistant Professor of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: [email protected];
2Дульский Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроподвижного состава, e-mail: [email protected]
Evgeniy Yu. Dulskiy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Rolling Stock, e-mail: [email protected]
3Худоногов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры электроподвижного состава Anatoliy M. Khudonogov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Electric Rolling Stock
Введение
В настоящее время актуальна стратегия осуществления эффективного обслуживания и ремонта - бережливой эксплуатации АВМ электроподвижного состава (ЭПС), которая заключается в максимальной выработке ресурса машины путем предотвращения вмешательства в исправно работающее оборудование во время планового ремонта и постановке на обслуживание до события отказа машины, практически выработавшей свой ресурс. Для реализации данной стратегии необходимо иметь глубокое представление о надежности всех эксплуатируемых машин. Исследования в этом направлении требуют вложения определенных средств, однако в дальнейшем в силу существенной экономии ресурса они окупятся. Данная стратегия формулируется как переход к системе ремонта по фактическому состоянию.
Для определения состояния изоляции применяются методы контроля и диагностики электрических машин, не создающие представления о ее надежности. Однако в силу актуальности данного вопроса многочисленные ученые вели разработки в
Анализ методов мо1
Один из способов мониторинга прогнозирования ресурса предложен А.В. Ве-дяшкиным [1] - осуществление моделирования эксплуатационной надежности крановых асинхронных двигателей. Условия эксплуатации данных двигателей обладают достаточной стабильностью, режим работы в среднем равномерный на протяжении всей эксплуатации и зависит от температуры окружающей среды, напряжения сети, нагрузки на двигатель - момента сопротивления на валу. Перечисленные факторы в среднем демонстрируют стабильность, хотя и приводят к ухудшению численных показателей надежности. Данная ситуация дает возможность корректировать периоды их обслуживания и ремонта, основываясь на статистической обработке данных отказов групп машин. То есть группы машин
этом направлении, поэтому существуют методы прогнозирования остаточного ресурса, позволяющие определять математическое ожидание наработки на отказ каждой конкретной машины. Часто подобные устройства называют системами мониторинга. Мониторинг содержит в себе три элемента: контроль над объектом, диагностику его состояния и прогнозирование динамики развития его параметров, в нашем случае надежности, а точнее - остаточного ресурса изоляции.
Существуют методики, системы и устройства, позволяющие осуществлять мониторинг состояния изоляции асинхронных двигателей в различных отраслях. Важно отметить, что эксплуатационные условия машин, работающих в различных технологических установках на разных предприятиях, могут резко отличаться, условия же эксплуатации АВМ ЭПС отличаются особой сложностью. Цель данной статьи - анализ существующих методов мониторинга состояния изоляции асинхронных электродвигателей.
1нга состояния АВМ
работают в условиях стабильных разрушающих воздействий, а их наработки на отказ подчиняются конкретным законам распределения.
Таким образом, было предложено проанализировать фактические численные значения показателей эксплуатационной надежности крановых асинхронных двигателей по статистическим данным, поступающим в процессе эксплуатации мостовых кранов, и по результатам их оценки определить стратегию совершенствования системы технического обслуживания и ремонта.
Данный метод мониторинга прост в реализации относительно других, однако его применение к АВМ ЭПС переменного тока невозможно в силу причин, указанных выше.
Для эффективного корректирования системы обслуживания и ремонта АВМ ЭПС необходим более детальный подход к надежности двигателей. Анализ статистических данных отказов групп эксплуатируемых машин не может создать объективного представления о надежности машин в силу многофакторности и различных степеней влияния разрушающих воздействий на АВМ ЭПС.
Существует альтернативный метод повышения эксплуатационной надежности за счет коррекции стратегии облуживания и ремонта. Он заключатся в прогнозировании остаточного ресурса изоляции асинхронной машины на основе известных законов старения. Самыми последними исследованиями, посвященными определению остаточного ресурса изоляции электрических машин, является работа С.К. Пустохайлова [2].
Методика, предложенная С.К. Пу-стохайловым, заключается в прогнозировании остаточного ресурса изоляции через функциональное увязывание времени пуска двигателя и его срока службы. Отрицательной стороной является необходимость обеспечения на всем протяжении работы двигателя постоянного значения напряжения, температуры окружающей среды, коэффициента несимметрии, влажности, т.е. для реализации данного метода необходимо исключить из условий эксплуатации разрушающие воздействия от флуктуации перечисленных факторов. Также не учитывается влияние вибрации. В основе метода лежит замер времени пуска двигателя и определение срока службы двигателя по номограмме графоаналитическим методом (рис. 1 ).
Рис. 1. Номограмма, определяющая зависимость срока службы изоляции
от времени пуска двигателя Fig. 1. Nomogram determining insulation life dependence on engine start-up time
В методике, Т.Е. Минаковой [3], предлагается вести учет следующих факторов: питающего напряжения, теплового старения, несимметрии питающего напряжения, влажности и вибрации. При этом в работе представлены экспериментальные исследования и аппроксимация зависимостей срока службы от совместного воздействия температуры при различных напряжениях, от влажности при различных напряжениях. Однако не была приведена функциональная зависимость износа изоляции в процессе увлажнения и осушения, т.е. полного цикла стандартных для АВМ ЭПС процессов тепломассообмена.
Математическая модель зависимости срока службы изоляции справедлива при постоянном значении влажности на протяжении всего срока службы. Процесс старения изоляции от вибрации не был представлен в должном виде, позволяющем его использовать для АВМ ЭПС, и требовал экспериментального нахождения коэффициента, определяющего вид закона старения изоляции от вибрации.
Установлена функциональная зависимость между уровнем разрушающих факторов и остаточным ресурсом изоляции в виде уравнения, что позволяет определять скорость ее износа. В общем виде модель выглядит следующим образом:
e• К(
( аи -aJ/10 . lQKvlg(U/UH )
1 + ln(Ks • S2m)
(1)
где SН - базовый ресурс изоляции, срок службы машины при номинальных нагрузках и нормальных условиях; - произведение коэффициента, определяющего разрушение изоляции от температуры в зависимости от ее класса и перегрева обмоток; a - уровень влажности; U - напряжение двигателя; S2m - удвоенное значение амплитуды вибрационного смещения.
Для определения остаточного ресурса изоляции каждый час производились замеры уровней воздействия разрушающих факторов, затем вычислялась интенсивность износа, т.е. износ изоляции в час.
Известно, что вибрация влияет на
срок службы изоляции. По этой причине в диссертационном исследовании Т.Е. Мина-ковой производились эксперименты по влиянию вибрации на срок службы, однако для выявления закона вибростарения необходим более узкий подход. В диссертации был сделан акцент на совместное воздействие факторов.
Работа С.А. Бабичева [4] рассматривает надежность, техническое состояние приводных высоковольтных синхронных двигателей электроприводных газоперекачивающих агрегатов напряжением 10 кВ и мощностью 12500 кВт.
Для прогнозирования остаточного ресурса изоляции было предложено использовать метод на основе теории нечетких множеств. Основным исходным положением разработанного метода является предположение, что интенсивность сокращения ресурса изоляции электродвигателя зависит от интенсивности воздействия на нее наиболее характерных эксплуатационных факторов, а остаточный ресурс Rост.u3 является результатом разности множеств возможных значений среднего ресурса и возможных значений основных эксплуатационных факторов:
M(Rocmu3)=M(Rcp)-~(M(t)(J М(и)(J M(g)),
(2)
где M (Rост.uз) - математическое ожидание среднего ресурса; M (^ - математическое ожидание значений температуры; M ^) -математическое ожидание значений напряжения; M ^) - математическое ожидание значений механических нагрузок.
Так как специфика объекта исследования подразумевает высокие напряжения, то особую роль играет уровень частичных разрядов изоляции, которые со временем становятся причиной пробоя. Данное явление возникает при наличии механических дефектов в структуре изоляции - воздушных включений. По этой причине, а также в связи со сложностью количественного учета влияния механических, термомеханических нагрузок и электрических полей на
процесс старения изоляции эти факторы в модели заменены одним общим показателем состояния изоляции - уровнем частичных разрядов Qm.
Для определения интенсивности износа с помощью аппарата нечеткой логики найдены функции соответствия, которыми описываются лингвистические термы каждой из входной и выходной переменных нечеткой модели.
Эта задача была решена с использованием статистических зависимостей и метода парных сравнений «Саати». С помощью математических операций в среде МДИДБ функция соответствия была приведена к виду таблицы, содержащей собственный вектор матицы соответствия, которая была приведена к нормализованному виду.
Теоретически получение функции соответствия выглядит следующим образом: для каждой пары элементов универсального множества эксперт оценивает преимущество одного элемента над другим по отношению к свойству нечеткого множества.
Парные сравнения представляются матрицей (3)
A =
u.
u„
u u2. .. un
a11 a12 . .. a1 n
a21 a22. • a2n
an1 an2
a„
(3)
где аij - уровень преимущества элемента ui над } = 1 , п), определяемый по девятибалльной шкале «Саати»:
1 - если преимущество элемента ui над элементом ^ отсутствует;
3 - если преимущество Ui над ^ слабое;
5 - если преимущество Ui над ^ существенное;
7 - если преимущество Ui над ^ явное;
9 - если преимущество u¡ над ^ абсолютное;
2, 4, 6, 8 - промежуточные сравнительные оценки:
2 - почти слабое преимущество, 4 - почти существенное преимущество,
6 - почти явное преимущество и 8 - почти абсолютное преимущество.
При разработке функций принадлежности эксплуатационных факторов, воздействующих на изоляцию ПЭВД, ац -уровень преимущества одного из значений исследуемого фактора над другим. Матрица парных сравнений является диагональной (ац = 1, i = 1, п) и обратно симметричной (а,- = 1/ ац, i = 1, п). Степени принадлежности принимаются равными соответствующим координатам собственного вектора № = (м1, м2, мП)Т матрицы парных сравнений А: ^(и1) = м ; i = 1 , п.
Собственный вектор находится из следующей системы уравнений:
I AW = ÄmaxW ж + w + ••• + w = 1'
1 2 n
(4)
где Атах - максимальное собственное значение матрицы А.
Парные сравнения для составления расчетной матрицы входной переменной «уровень ЧР» по терму «высокий» Q(H) представлены в табл. 1.
Для получения функции принадлежности лингвистической переменной «уровень ЧР» по терму «высокий» с помощью математического пакета Mathcad определены координаты собственного вектора № матрицы парных сравнений Q(H), что представлено на рис. 2.
На рис. 2: оператор е'депча1з ^(Н)) - рассчитывает вектор собственных значений для квадратной матрицы Q(H) (часть координат вектора в комплексной форме).
Следовательно, Атах = 6,421. eigen-vals ^(Н), 6,421) - рассчитывает нормализованный собственный вектор матрицы Q(H), отвечающий собственному значению Атах.
u
Таблица 1
Парные сравнения элементов входной переменной «уровень ЧР»
Table 1
Pairwise comparisons of the elements of a "frequency discharge level" input variable
Q, мВ/ mV Входная переменная / Input variable
29 74 181 382 563 630
29 1 1/2 1/4 1/5 1/7 1/9
74 2 1 1/3 1/5 1/6 1/8
181 4 3 1 1/3 1/5 1/7
328 5 5 3 1 1/2 1/6
563 7 6 5 2 1 1/4
630 9 8 7 6 4 1
Рис. 2. Расчет координаты собственного вектора W матрицы парных сравнений Q(H)
в пакете Mathcad
Fig.2. Calculation of the coordinate of the eigenvector W of the matrix of pairwise comparison Q(H)
in the Mathcad package
Искомый собственный вектор W(Q(H)), удовлетворяющий системе (4), определяется как
W(Q(H)) =
eigenvals(Q(H ), 6.421 ) 2 eigenvals(Q( H ), 6.421 )
(0.028^ 0.038 0.072 0.136 0.218 0.507j
(5)
Нечеткое множество получилось субнормальным. Для его нормализации необходимо разделить все степени принадлежности на максимальное значение координаты вектора W(Q(H)) = 0.507. Результаты расчетов функции принадлежности «уровень ЧР» по терму «высокий» сведены в табл. 2.
Аналогичным образом были рассчитаны термы «средний» и «низкий» входной переменной «уровень ЧР», а также координаты функций принадлежности еще двух входных переменных («температура изоляции», «кратность перенапряжений») и
Таблица 2
Результаты расчета функции принадлежности «уровень ЧР» Calculation results of the "frequency discharge level" membership function
Table 2
Q(H), мВ/mV 29 74 181 382 563 630
^Q(H) субнормальное/subnormal 0,0280 0,0380 0,0720 0,1360 0,2180 0,0507
^Q(H) нормализованное/normalized 0,0552 0,0750 0,1420 0,2682 0,4300 1,0000
одной выходной переменной («наработка до отказа»). Параметры расчетных функций принадлежности использованы в компьютерной модели «Прогнозирование отказов изоляции электродвигателей ЭГПА» в программном продукте MATLAB с пакетом расширения Fuzzy Toolbox.
В итоге была создана модель прогнозирования с тремя входными и одной выходной переменными, содержащими по три терма каждая, разработана нечеткая база знаний, включающая 27 правил с соответствующими весовыми коэффициентами.
Данная работа интересна с точки зрения применения теории нечетких множеств с целью сравнения ее с нашей математической моделью.
Также интерес представляет исследования, проведенные С.С. Марьиным, по результатам которых предложен метод определения долговечности изоляции, основанный на физике процесса образования и роста дефектов (трещин) в полимерных материалах и взаимосвязи между механической и электрической прочностью электроизоляционных материалов, использующихся для изготовления обмоток электрических машин [5]. В результате экспериментальных исследований были предложены следующие величины: дефектность А и скорость дефектообразования Н в макетах и в пропитанных парах, которые находят по выражениям:
1 n
Л =--L-ln(1 - q), q = n, (6)
/ n
1ИСП n
где 1ИСП - длина испытуемой части образца, мм; д - вероятность появления сквозного дефекта (трещины) на единице длины; п -
число образцов, пробившихся напряжением, меньшим или равным испытательному напряжению; п - общее количество испытанных образцов, и
H =
Л — Л
(7)
где Ао - дефектность витковой изоляции до теплового старения (начальная дефектность), мм-1; ^ - время старения макетов, час.
Экспериментально получены зависимости (рис. 3), доказывающие, что температурное старение изоляции связано с образованием дефектов физического характера - микротрещин.
Также было подтверждено, что скорость образования дефектов (трещин) в межвитковой изоляции зависит от величины механических напряжений, возникающих внутри межвитковой изоляции.
Согласно термофлуктуационной теории разрушения твердого тела, первой фазой разрушения материалов принято считать появление трещин на микроуровне (субмикротрещины), вызванное термо-флуктуационным разрывом химических связей. Анализ результатов исследований позволяет математически описать вероятностную модель процесса образования микротрещин в полимерных материалах при их тепловом старении и одновременном воздействии на них механических нагрузок, а долговечность определить по выражению, предложенному С.Н. Журко-вым [6]:
т = т0 exp
kT
(8)
1 ^
где то - период колебания атомов («10"'° с); у - структурно-чувствительный коэффици-
hour hour
Рис. 3. Изменение скорости дефектообразования от времени теплового старения для системы ПЭТВ+МЛ-92 при различной условной вязкости пропиточного состава (1 - 19 с, 2 - 25 с, 3 - 30 с, 4 - 35 с, 5 - 40 с по ВЗ-4) и температуры старения Fig. 3. Change of defect formation rate depending on the heat aging time for the system PETV + ML-92 under different relative viscosity of the impregnating composition (1 - 19s, 2 - 25 s, 3 - 30 s, 4 - 35 s, 5 - 40s by VZ-4) and aging temperature
ент; о - напряжения, действующие на материал; k - постоянная Больцмана; U -энергия активации процесса разрушения; T- температура окружающей среды.
Вероятность механического разрушения полимера в условиях термомеханических воздействий описывается выражением
Цср-Г*
Р = е кт (9)
где Y - структурно-чувствительный коэффициент; а - напряжения, действующие на материал; k - постоянная Больцмана; Uср -средняя энергия мономерного звена; Т -температура окружающей среды.
Данные исследования позволяют с помощью вышеприведенной формулы учитывать воздействия вибрации, находя усилия, создаваемые массой и виброускорениями.
Заключение
Анализ методов мониторинга состояния изоляции электродвигателей не только позволяет сделать вывод о довольно высокой степени изученности проблемы, но и показывает зоны, недостаточно проработанные для практического применения данных систем в условиях эксплуатации АВМ ЭПС.
Таким образом, для применения подобных систем непосредственно на электроподвижном составе в процессе мониторинга состояния изоляции АВМ необходимо учитывать более полный перечень факторов, влияющих на надежность, в частности долговечность их изоляции.
Библиографический список
1. Муравлёв О.П., Ведяшкин М.В. Эксплуатационная нов // Известия высших учебных заведений. Элек-
надежность асинхронных двигателей мостовых кра- тромеханика. 2011. № 6. С. 38-41.
2. Минаков В.Ф., Корчагин Д.Н., Король А.С., Шевцов М.А., Пустахайлов С.К. Математическое моделирование автоматизированных информационных процессов. // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2006. № 3. С. 15-19.
3. Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Моделирование износа изоляции трехфазных асинхронных электродвигателей 0,4 кВ. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2014. № 3. С. 94-95.
4. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Мониторинг технического состояния приводных электродвигателей газоперекачивающих агрегатов. Контроль. Диагностика. 2009. № 7. С. 33-39.
5. Марьин С.С, Шуликин С.Н., Шуликин И.Н. Метод оценки долговечности низковольтной межвитковой изоляции // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. № 4. С. 144-148.
6. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел // Вестник АН СССР. 1968. № 3. 46 с.
References
1. Muravlev O.P., Vedyashkin M.V. Ekspluatatsionnaya nadezhnost' asinkhronnykh dvigateley mostovykh kranov [Operational reliability of overhead crane induction motors]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektromekhanika. [Russian Electromechanics]. 2011, no. 6, pp. 38-41. (In Russian)
2. Minakov V.F., Korchagin D.N., Korol' A.S., Shev-tsov M.A., Pustakhaylov S.K. Matematicheskoe mod-elirovanie avtomatizirovannykh informatsionnykh protsessov [Mathematical modeling of automated information processes]. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta [Newsletter of North Caucasus Federal University]. 2006, no. 3, pp. 15-19. (In Russian)
3. Minakova T.E., Minakov V.F. Modelirovanie iznosa izolyatsii trekhfaznykh asinkhronnykh elektrodvigateley 0,4 kV [Modeling insulation wear of 0.4 kW three-phase induction motors]. Izvestiya vysshikh uchebnykh
Критерии авторства
Иванов П.Ю., Дульский Е.Ю., Худоногов А.М. имеют на статью равные авторские права и несут равную ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 31.10.2016 г.
zavedeniy. Elektromekhanika [Russian Electromechanics]. 2014, no. 3, pp. 94-95. (In Russian)
4. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Monitoring tekhnicheskogo sostoyaniya privodnykh elektrodvigateley gazoperekachivayushchikh agregatov [Monitoring of technical state of driving electric motor of gas-pumping unit]. Kontrol'. Diagnostika [Testing. Diagnostics]. 2009, no. 7, pp. 33-39. (In Russian)
5. Marin S.S., Shulikin S.N., Shulikin I.N. Metod ocenki dolgovechnosti nizkovol'tnoi meghvitkovoi izoliacii [The method for low-voltage interturn insulation durability evaluation]. Izvestia Tomskogo politehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University]. 2011, vol. 318, no. 4, pp. 144-148. (In Russian)
6. Zhurkov S.N. Kinetika koncepcii prochnisti tverdih tel [Kinetic concept of solids strength]. Vestnik AN SSSR [Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR]. 1968, no. 3, 46 p. (In Russian)
Authorhip criteria
Ivanov P.Yu., Dulskiy E. Yu., Khudonogov A.M. have equal authors rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 31 October 2016
