Способ раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машины
Владельцы патента RU 2687987:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-морского Флота "Военно-морская академия имени адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" (RU)
Изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть использовано для установления возникающего межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машин. Технический результат: получение диагностических показателей по обнаружению зарождающегося межвиткового замыкания в обмотке электрической машины, находящейся под рабочим напряжением без изменения режима ее работы. Сущность: непрерывно измеряют и регистрируют токи и напряжения фаз обмотки статора электрической машины, находящейся под рабочим напряжением. Определяют поврежденную фазу по отличию параметров ее переходного процесса (ПП) от параметров ПП исправных фаз. С наступлением установившегося процесса во всех фазах определяют графики свободной составляющей ПП напряжения и тока фазы путем вычитания из графика ПП напряжения и тока фазы графиков установившегося процесса напряжения и тока фазы, являющихся экстраполяцией графиков в установившемся процессе до момента начала переходного процесса. Находят индуктивность витков, подвергшихся замыканию, путем деления по ординатам соответствующих моментов времени свободной составляющей ПП напряжения поврежденной фазы на отрицательную производную от свободной составляющей ПП тока этой фазы. При условии равных и положительных значений результата деления делают заключение о зарождающемся межвитковом замыкании. При этом найденная величина соответствует индуктивности витков, подвергшихся замыкаю. По соотношению индуктивности витков, подвергшихся замыкаю, к индуктивности витков неповрежденной фазы судят о доле замыкаемых витков. В случае равенства между собой значений токов и напряжений фаз после завершения ПП судят о кратковременном неустановившемся возникновении замыкания между витками. В случае неравенства между собой значений токов и напряжений после окончания ПП судят об образовании устойчивого межвиткового замыкания в фазе, имеющей значения токов и напряжений, отличных от других фаз. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к контрольно - измерительной технике и может быть использовано для установления возникающего межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машин.
Целью изобретения является получение диагностических показателей по обнаружению зарождающего межвиткового замыкания в обмотке электрической машины, находящейся под рабочим напряжением, без изменения режима ее работы.
Известен способ обнаружения межвитковых замыканий в обмотках трехфазных электрических машин (RU 1714539) [1], заключающийся в индуцировании высокочастотной ЭДС в проводниках обмотки статора с помощью электромагнитного индуктора, измерении магнитного поля, создаваемого токами в этих проводниках электромагнитным приемником, причем о наличии межвитковых замыканий судят по величине ЭДС, наведенной в обмотке электромагнитного приемника. Недостатками данного способа являются необходимость вывода электрической машины из действия на период получения данных о неисправности обмотки, а также невозможность осуществления непрерывного текущего контроля показателей замыкания между витками и обнаружения зарождающегося неустойчивого межвиткового замыкания
Известен способ контроля короткозамкнутых витков в индуктивных элементах (RU 1698845) [2], состоящий в том, что воздействуют импульсным напряжением повышенной частоты и регистрируют информативный параметр, по которому судят о наличии короткозамкнутых витков. С целью повышения достоверности контроля, воздействие напряжением осуществляют радиоимпульсами с частотой огибающей, не менее чем в десять раз меньшей собственной резонансной частоты индуктивного элемента и амплитудой, изменяемой до предельно допустимого напряжения. При каждом значении амплитуды воздействующего напряжения изменяют скважность огибающей импульсов, причем одновременно осуществляют визуальную регистрацию теплового потока и по появлению в нем локальных неоднородностей в виде квазистационарных или модулированных участков, имеющих различимую контрастность с общим фоном не менее определенного уровня, судят о наличии короткозамкнутых витков или их элементов. Недостатками данного способа являются необходимость вывода электрической машины из действия, невозможность выполнения текущего непрерывного контроля признаков продольных замыканий в обмотке и обнаружения кратковременных замыканий в начальной стадии их развития (неустойчивого межвиткового замыкания), а также сложность устройства и работы схемы, обеспечивающей контроль короткозамкнутых витков в индуктивных элементах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ контроля витковой изоляции обмотки статора электрической машины переменного тока (RU 1697021) [3]. Способ основан на возбуждении ЭДС в проверяемой катушке обмотки, измерении параметров полей рассеяния и сравнении измеренного значения и эталонного с последующим суждением о наличии замкнутых витков. Особенность способа состоит в том, что ЭДС возбуждают полем самой электрической машины при ее работе в двигательном режиме на холостом ходу с обрывом фазы проверяемой катушки. В качестве измеряемого параметра используют информацию об аксиальной составляющей поля рассеяния, Измерения проводят в конце вылета лобовой части этой катушки. Недостатками данного способа являются необходимость работы электрической машины в период проводимых измерений в двигательном режиме на холостом ходу с обрывом фазы проверяемой катушки, невозможность осуществления непрерывного мониторинга информативных показателей замыканий витков между собой и невозможность обнаружения первичных кратковременных замыканий («прокалывающих» пробоев), возникающих до устойчивого межвиткового замыкания.
Задачей изобретения является идентификация образующегося межвиткового замыкания в фазе обмотки электрической машины, находящейся под рабочим напряжением, без изменения режима ее работы, а также определения доли витков, подверженных замыканию между собой, от общего числа витков обмотки фазы.
Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлена схема устройства, реализующего способ, содержащая объект контроля 1 (обмотки фаз электрической машины), находящиеся под рабочим напряжением переменного тока, датчики тока 2 (измерительные трансформаторы тока), измерительный прибор непрерывного регистрирования сигналов 3, датчики напряжения 4, участок межвиткового замыкания 5.
Способ осуществляют следующим образом
У электрической машины, например, у асинхронного двигателя, находящегося под рабочим напряжением, в любом эксплуатационном режиме, непрерывно регистрируются сигналы прибором 3 от датчиков тока фаз статора 2 и напряжения фаз 4 обмотки статора 1.
При возникновении межвиткового замыкания 5 в одной из фаз обмотки статора определяют поврежденную фазу по отличию параметров ее переходного процесса (ПП) от параметров ПП исправных фаз (по характеру, начальной амплитуде, постоянной времени и длительности ПП). При этом параметры ПП исправных фаз одинаковы.
С наступлением установившегося процесса во всех фазах определяют график свободной составляющей переходного процесса путем вычитания графика установившегося процесса (вынужденной составляющей ПП) из графика всего переходного процесса по ординатам, соответствующих моментов времени. Указанные и дальнейшие действия поясняются рисунками, приведенными на фигуре 2 (а, б), где на 2 (a) показаны графики напряжений: 1 - график напряжения фазы до ее повреждения, 2 - в переходном процессе и 3 - в установившемся процессе; на 2 (б) показаны графики токов: 1 - график тока фазы до ее повреждения, 2 - в переходном процессе и 3 - в установившемся процессе. Пунктирные графики 4, на фигуре 2 (a) и 2 (б), являющиеся вынужденными составляющими ПП, определяют экстраполяцией графиков 3 влево до момента начала переходного процесса. На фигуре 2 (a) вычитанием графика 4 из графика 2 находят график напряжения 5, являющийся графиком свободной составляющей напряжения ПП, представляющей собой э.д.с. самоиндукции eL. Таким же образом на фигуре 2 (б) находят свободную составляющую переходного тока i фазы с замкнутыми витками (график тока 5), связанную с э.д.с. самоиндукции выражением:
,
где Lk - индуктивность витков подвергающихся замыканию, которую находят путем деления по ординатам соответствующих моментов времени графика напряжения 5 (eL) (фигура 2 (a)) на график отрицательной производной от переходного тока 7 
(фигура (2б)), получаемый из графика 6 
(фигура (2б)). При условии равных и положительных значений полученной индуктивности Lk для соответствующих моментов времени заключают о том, что причиной всплеска напряжения на фазе обмотки явился всплеск ее тока в связи с зарождающимся межвитковым замыканием и найденная величина Lk будет соответствовать индуктивности витков, подвергающихся замыканию.
При отсутствии в исходных данных значения индуктивности исправных фаз L указанную индуктивность находят аналогично нахождению индуктивности поврежденной фазы Lk, то есть из графиков ПП напряжения и тока одной из неповрежденных фаз вычитают графики установившегося процесса напряжения и тока этой фазы, получаемые экстраполяцией этих графиков влево до момента начала переходного процесса и, таким образом, получают свободную составляющую ПП напряжения и тока исправной фазы. Делением в соответствующие моменты времени ординат свободной составляющей ПП напряжения на ординаты отрицательной производной от свободной составляющей ПП тока фазы определяют индуктивность L, которая будет представлять собой индуктивность исправной фазы при условии ее равных и положительных значений для соответствующих моментов времени. По соотношению индуктивности витков, подвергшихся замыканию Lk к индуктивности витков неповрежденных фаз L судят о доле короткозамкнутых витков.
В случае равенства между собой значений токов фаз и напряжений фаз (сохранение симметрии фаз) после завершения переходного процесса, связанного с возникновением межвиткового замыкания, судят о кратковременном возникновении замыкания между витками (неустановившемся замыкании). Неравенство между собой значений токов и напряжений фаз (асимметрия фаз) после окончания переходного процесса, связанного с возникновением межвиткового замыкания, свидетельствует об образовании устойчивого межвиткового замыкания в фазе, имеющей значения токов и напряжений, отличных от других фаз.
Изобретение, в отличие от известного способа, обеспечивает возможность непрерывного получения данных с клемм объекта для обнаружения начального периода образования межвиткового замыкания в фазе работающей электрической машины, и определения доли витков, подвергаемых замыканию между собой, от общего числа витков обмотки фазы.
Источники информации
1. RU 1714539, МПК G01R 31/06
2. RU 1698845, МПК G01R 31/06
3. RU 1697021, МПК G01R 31/06
1. Способ раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машины, включающий непрерывное измерение и регистрацию изменяющихся во времени величин тока и напряжения фаз обмотки статора электрической машины, находящейся под рабочим напряжением в любом эксплуатационном режиме, отличающийся тем, что определяют поврежденную фазу по отличию параметров ее переходного процесса (ПП) от параметров переходного процесса исправных фаз, при этом с наступлением установившегося процесса во всех фазах определяют графики свободной составляющей ПП напряжения и тока фазы путем вычитания из графика ПП напряжения и тока фазы графиков установившегося процесса напряжения и тока фазы, являющихся экстраполяцией графиков в установившемся процессе до момента начала переходного процесса, находят индуктивность витков, подвергшихся замыканию, путем деления по ординатам соответствующих моментов времени свободной составляющей ПП напряжения поврежденной фазы на отрицательную производную от свободной составляющей ПП тока этой фазы и при условии равных и положительных значений результата деления делают заключение о зарождающемся межвитковом замыкании, при этом найденная величина соответствует индуктивности витков, подвергшихся замыкаю, а по соотношению индуктивности витков, подвергшихся замыкаю, к индуктивности витков неповрежденной фазы судят о доле замыкаемых витков, при этом в случае равенства между собой значений токов и напряжений фаз после завершения ПП судят о кратковременном неустановившемся возникновении замыкания между витками, а в случае неравенства между собой значений токов и напряжений после окончания ПП судят об образовании устойчивого межвиткового замыкания в фазе, имеющей значения токов и напряжений, отличных от других фаз.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при отсутствии данных об индуктивности исправных фаз для определения ее значения вычитают из графика ПП напряжения и из графика ПП тока одной из неповрежденных фаз график установившегося процесса соответственно напряжения и тока, полученного экстраполяцией графиков напряжения и тока фазы до момента начала ПП, получая свободную составляющую ПП напряжения и тока исправной фазы, делением по ординатам соответствующих моментов времени свободной составляющей ПП напряжения на отрицательную производную от свободной составляющей ПП тока фазы определяют величину, которая при условии ее равных и положительных значений для соответствующих моментов времени будет представлять собой индуктивность исправной фазы.
