Устройство для контроля замыкания листов активной стали сердечников статоров электрических машин переменного тока (варианты)

 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для диагностики и контроля состояния изоляции между листами электротехнической стали сердечников статоров электрических машин переменного тока. Технический результат, заключающийся в упрощении выявления дефектов изоляции между листами сердечника путем создания в нем переменного магнитного потока при низких значениях индукции, достигается посредством того, что устройство содержит обмотку намагничивания, индуктивный датчик в виде катушки, намотанной на ферромагнитном сердечнике, сканирующий внутреннюю поверхность сердечника, регулируемый блок питания, блок измерений, содержащий измеритель разности фаз, и контрольный виток, обвитый вокруг сердечника, причем его концы и выход датчика подключены к входам измерителя разности фаз, в первом варианте выход блока питания подключен к зажимам намагничивающей обмотки, а во втором - к противоположным сторонам корпуса сердечника, причем один из подводящих проводов проходит внутри сердечника. 2 с.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для диагностики и контроля состояния изоляции между листами электротехнической стали сердечников статоров электрических машин переменного тока.

Наиболее надежным и удобным способом контроля сердечников является испытание при низких (до 0,1 Тл) значениях индукции кольцевого потока. Известно устройство для контроля сердечников по этому методу [1]. В этом случае местные дефекты выявляются по величине и сдвигу фазы разности магнитных потенциалов между двумя соседними зубцами, определяемой магнитным потенциометром Четтока (по существу - катушка без сердечника) при сканировании им рабочей поверхности сердечника. Дополнительные потери, вызванные замыканиями, рассчитываются по величинам разности магнитных потенциалов, намагничивающего тока, ЭДС контрольного витка, а также по сдвигам фаз между ними. Большое число измеряемых величин, низкая точность их определения и влияние на них многих случайных неконтролируемых факторов обуславливают низкую точность метода в целом.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, описанное в [2] (прототип). Здесь в сердечнике магнитопровода также создается переменный кольцевой магнитный поток с низким значением индукции (до 0,1 Тл). Сканирование рабочей поверхности производится индуктивным датчиком с ферромагнитным сердечником. Наличие дефекта в данном месте определяется по разности фаз между ЭДС сканирующего и опорного неподвижного датчиков. Опорный датчик имеет совершенно ту же конструкцию, что и сканирующий. Во время сканирования опорный датчик неподвижно располагается на каком-либо бездефектном участке рабочей поверхности сердечника. В этом случае устраняются недостатки устройства [1], но появляется неопределенность, связанная с местом установки опорного датчика. Заранее определить такое место невозможно, и необходимо предварительно произвести ряд пробных замеров, что увеличивает время проведения испытаний. Кроме того, в случае, когда сердечник разделен на пакеты, необходимо, чтобы дефектов не было не только непосредственно под опорным датчиком, но и во всем пакете, на котором он расположен.

К тому же общим недостатком устройств [1, 2] является очень низкий уровень сигналов с датчиков, обусловленный применением для испытаний источника питания намагничивающей обмотки промышленной частоты (порядка микровольт на один виток обмотки датчика). Общеизвестно, что чем ниже уровень сигнала, тем больше погрешность его измерения, тем ниже чувствительность устройства. Дополнительно необходимо отметить, что в производственных помещениях, в которых производятся испытания, всегда имеют место значительные переменные магнитные поля промышленной частоты, сравнимые по величине с измеряемыми полями, вследствие чего результаты измерений могут существенно искажаться.

Изобретение, как и вышеописанные устройства, работает при низких значениях индукции кольцевого магнитного потока (до 0,1 Тл), т.е., сохраняя достоинства устройств [1, 2], позволяет устранить оба их недостатка. Схема предлагаемого испытательного устройства представлена на фиг.1, где 1 - сканирующий индуктивный датчик, 2 - намагничивающая обмотка, 3 - контрольный виток, 4 - исследуемый сердечник, 5 - блок питания намагничивающей обмотки, 6 - блок измерения, 7 - амперметр, 8 - корпус сердечника.

В условиях электростанций и промышленных предприятий очень большое значение имеет сокращение времени испытаний. Поэтому конструкция всех элементов испытательного устройства разработана таким образом, чтобы обеспечить их быструю переналадку на месте ремонта. Одновременно устройство обеспечивает удобство работы даже в таких условиях и быстроту и наглядность представления результатов испытаний. С учетом вышеуказанного элементы испытательного устройства имеют следующие особенности.

Индуктивный датчик 1 представляет собой катушку с ферромагнитным сердечником. Его устройство и схема расположения на рабочей поверхности сердечника представлены на фиг. 2, где 9 - зубцы исследуемого сердечника, 10 - сердечник датчика, 11 - измерительная обмотка датчика.

Для сканирования датчиком рабочей поверхности служит транспортное средство (на фигурах 1 и 2 не показано).

Для обеспечения исследований разных типов машин в комплект испытательного устройства входят несколько катушек с различными сердечниками, геометрия которых соответствует размерам исследуемых машин. Конструкция катушек позволяет производить быструю их замену на транспортном средстве. Для проведения измерений на самых краях сердечника машины датчик снабжается специальными съемными насадками.

Для удобства работы непосредственно на датчике установлен световой индикатор, сигнализирующий в случае попадания датчика на участок с сильным разрушением изоляции.

Обмотка намагничивания 2 и конструктивно объединенный с нею контрольный виток 3 с целью упрощения наложения их на сердечник исследуемой машины выполнены на основе многожильного кабеля с разъемами на концах. Схема этого кабеля приведена на фиг.3. Сердечник 4 вместе с корпусом 8 охватывается кабелем, содержащим как намагничивающую обмотку, так и контрольный виток, после чего разъемы X1 и Х2 присоединяются к блоку питания 5, и вся схема оказывается собранной: обмотка намагничивания 2 подсоединяется к источнику питания 5, а контрольный виток 3 - к блоку измерения 6. При этом отпайки 12 позволяют регулировать число витков обмотки намагничивания, чтобы получить требуемую величину индукции кольцевого потока. Ток обмотки намагничивания контролируется амперметром 7.

Блок питания 5 представляет собой полупроводниковый широтно-импульсный модулятор, у которого регулируются частота и напряжение. Для более надежного выявления дефектов сердечника для питания намагничивающей обмотки используется повышенная частота (от 70 Гц и выше).

Блок измерения 6 представляет собой комплекс, блок-схема которого представлена на фиг.4, где 13 - блок связи с датчиком, 14 - блок определения координат, 15 - измеритель разности фаз, 16 - персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ), 17 - блок сопряжения с ПЭВМ, 18 - звуковая карта ПЭВМ (Sound-blaster), 19 - один из портов ПЭВМ, 20 - трансформатор питания с выпрямителем, 21 - стабилизаторы напряжений.

Двойная стрелка обозначает ввод с клавиатуры ряда постоянных величин, характеризующих данную испытуемую машину и условия испытаний: рабочую частоту машины, наружный диаметр сердечника, высоту спинки статора, полную длину железа статора, рабочую индукцию в спинке статора, число пазов статора, коэффициент заполнения пакета статора, намагничивающий ток при испытаниях, число витков намагничивающей обмотки, удельные потери и плотность данной марки стали.

Использование звуковой карты ПЭВМ позволяет отказаться от внешнего аналого-цифрового преобразователя, необходимого для обработки сигналов. Это способствует повышению компактности, универсальности и надежности устройства в целом, снижает его стоимость, повышает удобство работы.

Работа устройства поясняется с помощью фиг.2 и векторной диаграммы, представленной на фиг.5. На фиг.2 условно показан контур, образованный поврежденным участком изоляции (отмечен буквой К). Стрелкой показано направление движения датчика.

При подаче с блока питания 5 напряжения повышенной частоты f на зажимы намагничивающей обмотки 2 по ней идет ток I_о, порождающий в сердечнике 4 кольцевой магнитный поток Ф_о с низким значением индукции (до 0,1 Тл), часть которого Ф_so ответвляется в сердечник 10 датчика, на который навита измерительная обмотка 11. Поток Ф_so, пронизывая обмотку 11, индуктирует в ней ЭДС E_so. Если где-либо под датчиком изоляция между листами стали нарушена, то в этом месте образуется короткозамкнутый контур (фиг.2), который пронизывается потоком Ф_о (или его частью), наводящим в этом контуре ЭДС Е_к. Указанная ЭДС порождает в контуре ток I_к (исследования показали, что индуктивность контура повреждения весьма мала и ток I_к совпадает по фазе с ЭДС Е_к), который в свою очередь порождает поток Ф_к, часть которого Ф_sк замыкается через ближайшие зубцы 9 и сердечник 10 датчика. Поток Ф_sк наводит в обмотке 11 датчика ЭДС Е_sк, находящую в квадратуре с ЭДС E_so. Вследствие этого вектор результирующей ЭДС датчика E_s поворачивается на некоторый угол β относительно вектора "бездефектной" ЭДС E_so. Этот угол может служить критерием состояния сердечника. Практически угол β удобнее измерять относительно ЭДС контрольного витка 3. Этот виток пронизывается все тем же кольцевым потоком Ф_o, поэтому его ЭДС Е_o совпадает по фазе с ЭДС E_so.

Ток намагничивающей обмотки I_o, ЭДС контрольного витка Е_o и ЭДС обмотки датчика E_s подаются на вход блока измерения 6. Как показано на фиг.4, в этом блоке ЭДС контрольного витка Е_o и выходная ЭДС датчика E_s подаются на входы измерителя разности фаз 15.

Датчик с помощью специального транспортного средства вручную или с помощью электропривода передвигается по поверхности зубцов вдоль оси сердечника, при этом результаты измерений вместе с координатами расположения датчика непрерывно поступают в блок измерения, обрабатываются входящей в его состав ПЭВМ (в первую очередь определяется разность фаз β между ЭДС Е_o и E_s) и запоминаются. После прохождения всей длины сердечника датчик переставляется на соседнюю пару зубцов, и процесс повторяется. После завершения сканирования всей поверхности на экране представляется развертка поверхности сердечника с указанием цветами (или штриховкой) и числами состояния его изоляции. Эта картина для документирования распечатывается на принтере.

Как показали теоретические исследования, измеряемый угол β определяется следующими параметрами: где f - частота источника питания, на которой производятся измерения; k_c - коэффициент заполнения пакета сердечника сталью; h_a - высота спинки сердечника; В_o - индукция в спинке при испытаниях; l_k - аксиальная длина поврежденного участка; z - число пазов статора; R_k - сопротивление контура повреждения; W_o - число витков намагничивающей обмотки.

Из этого соотношения видно, что повышение частоты испытательного устройства ведет к повышению величины угла β, а следовательно, и к повышению чувствительности всего измерительного комплекса и росту надежности выявления дефектов в сердечнике. Необходимо, однако, отметить, что поверхностный эффект в сердечнике ограничивает рост частоты, вследствие чего на практике ограничиваются величиной 300-400 Гц.

Дополнительные потери при номинальном режиме работы машины, вызванные нарушениями изоляции листов, могут быть рассчитаны по формуле

где f_p - рабочая частота сети переменного тока, к которой подключается исследуемая машина в процессе нормальной эксплуатации (на практике - 50 или 60 Гц);
В_a - индукция в спинке при номинальном режиме работы машины;
L_a - суммарная длина стальных пакетов сердечника.

Очевидно, что все эти величины легко определяются для каждой данной машины, за исключением величины l_k, определяемой в процессе испытаний, и числа витков W_o, являющегося постоянным для используемого испытательного устройства.

В качестве критерия при определении состояния изоляции в данном месте рабочей поверхности сердечника целесообразно использовать коэффициент дополнительных потерь, представляющий собой отношение дополнительных потерь, вызванных дефектами, к уровню потерь, которые имеют место в нормально работающей машине при отсутствии дефектов. Этот коэффициент может быть рассчитан по формуле

где Δр_o - удельные потери в стали при частоте 50 Гц и индукции 1 Тл для марки стали испытуемого сердечника;
γ - плотность данной марки стали;
D_a - наружный диаметр сердечника.

В этих выражениях размерности всех величин выбраны в соответствии с СИ.

Измерения, производимые с помощью предлагаемого устройства, несут в себе некоторую погрешность, связанную с тем, что намагничивающая обмотка охватывает не только обследуемый сердечник 4, но и его металлический (в подавляющем большинстве случаев - стальной) корпус 8. На представленных фигурах корпус изображен условно в виде цилиндра. На самом деле он представляет собой достаточно сложную конструкцию, включающую в себя цилиндрическую обечайку, поперечные перегородки, элементы крепления к фундаменту, различные пристроенные элементы. В этом корпусе также возбуждается кольцевой магнитный поток, вызывающий вихревые токи в массивном теле корпуса, которые в свою очередь приводят к появлению потерь и, главное, встречного магнитного потока. В результате ЭДС контрольного витка, также охватывающего корпус, изменяет свою фазу, т.е. ЭДС Е_o перестает быть синфазной с E_so, и измеренный угол β уже в меньшей степени отражает состояние сканируемого сердечника, и в приведенных выражениях для расчета добавочных потерь P_k и коэффициента добавочных потерь k появляется заметная погрешность. Протянуть кабель с намагничивающей обмоткой между корпусом и сердечником не представляется возможным из-за конструкции корпуса. Также не представляется возможным учесть возникающую погрешность в расчетных формулах, т.к. невозможно достоверно математически описать все особенности конструкции корпуса всего множества испытуемых машин.

В связи с этим предлагается вариант исполнения устройства для контроля сердечников, представленный на фиг. 6. Его отличие от устройства, изображенного на фиг. 1, состоит в том, что напряжение от блока питания 5 подводится к противоположным торцам корпуса 8 сердечника, причем один из подводящих проводов (22) проходит внутри исследуемого сердечника. По существу этим создается одновитковая обмотка намагничивания, состоящая из подводящих проводов, соединяющих блок питания с двумя противоположными торцами корпуса сердечника и самого корпуса 8. При этом корпус из магнитопроводящего элемента становится электропроводящим, и его влияние на измерения практически исключается. В наибольшей степени вредное влияние корпуса исключается, если подача питания производится на противоположные концы одного или нескольких ребер, на которых крепятся листы сердечника. При такой конструкции чувствительность устройства существенно повышается, вследствие чего можно удовлетвориться промышленной частотой на выходе блока питания (49-51 Гц или 59-61 Гц).

Источники информации
1. Бутов А. В. , Пикульский В.А., Поляков Ф.А., Шандыбин М.И. Электромагнитный метод выявления замыканий листов активной стали статора турбогенератора. - Электрические станции, 1998, 11.

2. Патент РФ 2082274, кл. Н 02 К 15/00, 15/02, G 01 R 31/34, 1994 г. (прототип).

Формула изобретения

1. Устройство для контроля состояния изоляции листов активной стали сердечников статоров электрических машин переменного тока путем создания в сердечниках переменного магнитного потока с индукцией не более 0,1 Тл, содержащее обмотку намагничивания, индуктивный датчик в виде катушки, намотанной на ферромагнитном сердечнике, регулируемый блок питания намагничивающей обмотки и блок измерений, содержащий измеритель разности фаз, отличающееся тем, что содержит блок питания с частотой свыше 70 Гц, подключенный к зажимам намагничивающей обмотки, и контрольный виток, обвитый вокруг сердечника, причем его концы и выход датчика подключены к входам измерителя разности фаз.

2. Устройство для контроля состояния изоляции листов активной стали сердечников статоров электрических машин переменного тока путем создания в сердечниках переменного магнитного потока с индукцией не более 0,1 Тл, содержащее обмотку намагничивания, индуктивный датчик в виде катушки, намотанной на ферромагнитном сердечнике, регулируемый блок питания намагничивающей обмотки и блок измерений, содержащий измеритель разности фаз, отличающееся тем, что содержит блок питания с частотой свыше 49 Гц, подключенный к противоположным сторонам корпуса сердечника, причем один из подводящих проводов проходит внутри сердечника, контрольный виток, обвитый вокруг сердечника, причем его концы и выход датчика подключены к входам измерителя разности фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6