Источник: http://www.konverents.eu/cpe2011/
Аннотация – В статье представлены результаты экспериментального исследования поведения электродвигателя с начала дефекта изоляции в разных точках питающего кабеля и обмотки электродвигателя. Предлагаются методы для расчета параметров дефектов изоляции с учетом результатов поведения электродвигателя.
Ключевые слова – экспериментальные исследования, электродвигатель, локальные дефекты изоляции
Широкое использование электрических двигателей (ЭД) практически во всех отраслях промышленности и технологических процессах предъявляет высокие требования к безаварийной работе двигателей. На надежность работы электродвигателя оказывает влияние совершенство конструкции ЭД, технические характеристики материалов, которые используются для изготовления ЭД, а также качество эксплуатации ЭД. Для обеспечения необходимого уровня эксплуатации требуется непрерывное выполнение оценки состояния всех узлов ЭД, т.е. использование оперативной диагностики.
Очевидно, что работоспособность электродвигателей 6-10 кВ зависит не только от исправности самого ЭД, но и от исправности кабеля, питающего ЭД. Опыт эксплуатации показывает, что доля повреждений ЭД среди всех повреждений электрооборудования может достигать 40 %, а кабелей – до 10% [1]. Таким образом, почти половина повреждений приходится на присоединения кабель-электродвигатель. Наиболее повреждаемым узлом ЭД является статор (60% отказов от общего числа повреждений ЭД), доля повреждений подшипникового узла составляет около 20%, а ротора – около 10 % [1].
Основным недостатком известных методов диагностирования ЭД в рабочих режимах является то, что не определяется место локального дефекта изоляции, а, следовательно, требуется значительное время на его отыскание.
Для предотвращения развития дефектов изоляции необходимо своевременно выполнять профилактические работы по восстановлению диэлектрических свойств изоляции. Существенного сокращения времени проведения таких работ можно достичь, если обеспечить выявление факта появления локального дефекта и места его возникновения на работающем электродвигателе.
В настоящее время во многих организациях продолжаются работы по совершенствованию релейной защиты, а также ведется разработка новых методов и средств диагностирования электрооборудования [2-8]. Особое внимание уделяется отысканию места повреждения. Например, в [7] предложен оригинальный метод определения места однофазного замыкания на землю. Он ориентирован на выявление дефектов в линиях.
Вместе с тем отсутствуют методы, позволяющие выявлять локальные дефекты изоляции в обмотках электродвигателей и определять параметры этих дефектов (удаленность от начала обмотки b и величину сопротивления изоляции в месте дефекта Zdef) в рабочих режимах.
В связи с этим поставлена задача разработать относительно простые методы выявления дефектов изоляции в работающем электродвигателе и питающем его кабеле. Исходной информацией должны быть параметры рабочего режима.
Целью работы является разработка методов определения параметров локальных дефектов изоляции присоединений нагрузки для реализации на микропроцессорах и их экспериментальная проверка.
Локальные дефекты изоляции или повреждение компонентов асинхронных ЭД (например, повреждение от короткого замыкания обмотки ротора), которые не требуют немедленного отключения, нарушают электрическую или механическую симметрию ЭД. В схеме замещения асинхронных ЭД такие явления отражаются в изменении продольного или поперечного сопротивления. Мы можем определить, есть ли асимметрия продольных или поперечных сопротивлений путем измерения эксплуатационных параметров (токи и напряжения фаз относительно земли).
Таким образом, последовательность операций по выявлению основных дефектов, когда ЭД запущен, может быть представлена в виде алгоритма (рис. 1). Математическое описание присоединения кабель-электродвигатель в условиях эксплуатации осуществляется с помощью эквивалентной схемы замещения (рис. 2). Есть три комплексных продольных сопротивления фаз в присоединении ZA, ZB, ZC,которые зависят от условий эксплуатации ЭД. Если нет дефектов изоляции, эти сопротивления могут быть определены в соответствии с выражениями:
Продольное сопротивление в фазе ZA делится на две части. Это позволит моделировать локальные дефекты изоляции Z def в разных точках фазы путем изменения численного значения расстояния b.
Для определения параметров дефекта изоляции (b , Zdef) в рабочем режиме используются алгоритмы, которые получены на основании системы уравнений текущего состояния. Система составлена в соответствии со схемой замещения (рис.2).
Система уравнений, описывающая рабочий режим присоединения (текущее состояние):
Просуммировав уравнения системы (1) и выполнив некоторые преобразования, получим:
Для определения продольного сопротивления фазы присоединения ZA запишем другое уравнение:
Из уравнения (3) найдём сопротивление ZA:
В выражениях (2) и (4) в качестве тока Id в месте дефекта может приниматься ток нулевой последовательности 3I0 без учёта собственной ёмкости присоединения.
Полученное выражение (2) используется для нахождения значения удалённости до места дефекта b после того, как в результате решения системы уравнений текущего состояния присоединения было найдено значение Zdef.
Поэтому предложен другой метод определения параметров дефектов, для использования которого нет необходимости предварительного определения сопротивления дефекта изоляции.
Для определения удалённости b при неизвестной величине сопротивления дефекта Zdef составим новую систему уравнений по схеме (рис. 2):
Если принять, что продольные сопротивления фаз присоединения равны между собой ZA= ZВ= ZС= ZН, а также Id=IA+IB+IC, то из системы (5) найдём:
где продольное сопротивление фазы нагрузки находится из первого уравнения системы (5):
По схеме замещения (рис. 2) для другого контура запишем уравнение:
Из (8) получим выражение для определения величины сопротивления дефекта:
Предложенные методы определения параметров дефектов изоляции использовались на физической модели присоединения кабель-электродвигатель.
Исследования проводились на физической модели присоединения (рис. 3), выполненной на основе электродвигателя напряжением 0,22 кВ, который подключен через кабель 6 кВ к разделительному трансформатору 0,38/0,22 кВ. В обмотке фазы А статора ЭД выполнены отпайки в различных точках, которые выведены на специальный клеммник. Схема замещения физической модели присоединения приведена на рис.2.
Физическое моделирование сети выполнялось путем подключения трех емкостей, соединенных по схеме звезды. Нулевая точка принималась за землю. Осциллографирование параметров режима (фазные токи и напряжения фаз по отношению к земле) выполнялось с помощью устройства ввода информации в персональный компьютер, основу которого составляет плата с аналого-цифровым преобразователем L-154 (максимальная интегральная нелинейность преобразования 0,06 %). В каждом канале тока и напряжения установлены модули гальванической развязки и нормирования сигналов. Точность преобразования в этих модулях составляет 0,05 %.
В программу исследований входили опыты по моделированию локальных дефектов изоляции в различных точках кабеля и обмотки статора электродвигателя. В результате проведения опытов соединения различных отпаек обмотки статора через резистор 200 Ом с “землей” получены зависимости цифровых последовательностей от времени, которые соответствуют токам фаз IA, IB, IC и напряжениям фаз относительно “земли” UA0, UB0, UC0. Время дискретизации принято равным 0,1 мс. Эти последовательности аппроксимированы путем полиноминальной регрессии с использованием метода наименьших квадратов. Для каждого параметра режима обрабатывалось по 1000 точек. В качестве функции приближения принята синусоида частотой 50 Гц.
Наличие ЭД в контролируемом присоединении приводит к тому, что трехфазные методы выявления дефектов изоляции, пригодные для других видов нагрузки, имеют низкую точность. Это обусловлено статической и динамической несимметрией ЭД, проявляющейся в том, что значения продольных сопротивлений фаз ЭД не равны друг другу и не постоянны во времени, что может быть следствием витковых замыканий в одной из фаз обмотки статора, обрывов стержней короткозамкнутой обмотки ротора и т.д. Для повышения точности определения удаленности b до точки локального дефекта предложено выполнять расчет продольного сопротивления ZA фазы с дефектом изоляции для момента времени tb расчета значения b. При этом для расчета b используются значения параметров режима для того же момента времени tb. Если для определения векторов параметров режимов предварительно используется аппроксимация текущих значений, то для этого берутся параметры в цифровой форме за 1-2 периода промышленной частоты. При расчете ZA необходимо учитывать падение напряжения от тока нулевой последовательности на участке ZA от начала присоединения до точки дефекта, т.е. на участке b*ZA.
