Способ определения распределения электрического напряжения по слоям изоляции электрической машины

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для нахождения распределения электрического напряжения по слоям изоляции обмотки электрической машины для оценки изменения ее электрической прочности. Сущность: к обесточенной обмотке электрической машины и ее корпусу подключается источник постоянного тока, под воздействием которого через изоляцию обмотки статора проходит ток, состоящий из переходного и установившегося тока. Измеряют начальное значение переходного тока, его постоянную времени, которые совместно со значениями напряжения источника постоянного тока и сопротивления изоляции обмотки используют для решения системы уравнений, в результате которого находят величины емкостей слоев изоляции, используемые для расчета напряжения на ее слоях. Это позволяет судить о тенденции изменения электрической прочности изоляции. 2 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для нахождения распределения электрического напряжения по слоям изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины (ЭМ) для оценки изменения ее электрической прочности.

Предпосылки к изобретению

В процессе эксплуатации электрической машины ее электрическая изоляция претерпевает тепловое и электрическое старение, подвергается действию вибрации и других вредных факторов, вследствие чего в изоляции происходят физические и химические изменения, в частности, увеличивается ее поперечная слоистая неоднородность, приводящая к более неравномерному перераспределению напряжения по слоям в изоляции между проводниками и корпусом машины, в результате чего в слоях изоляции повышается электрическая напряженность и в итоге снижается ее электрическая прочность. Существующие методы и средства не позволяют неразрушающим методом устанавливать распределение напряжения по слоям изоляции обмотки электрической машины, находящейся в эксплуатации.

Предлагаемый способ позволяет судить об изменении электрической прочности изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины посредством определения распределения электрического напряжения по слоям изоляции методом неразрушающего контроля.

Известна высоковольтная изоляция конденсаторного типа [1], в которой распределение напряжения между ее дополнительными слоями рассчитывают на основе соотношения емкостей между элементами конструкции изоляции и ее схемы замещения.

Приведенный в [1] расчет распределения напряжения между слоями высоковольтной изоляции конденсаторного типа не позволяет его использовать для установления распределения напряжения в слоях изоляции электрической машины в силу ее конструктивных особенностей, не дающих возможности получить параметры, используемые в расчетах соответствующих величин в [1].

Известен способ определения распределения напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций [2] на основе расчета с использованием величин собственных емкостей изоляторов, емкости металлических элементов изоляторов относительно заземленных частей сооружения (опоры, заземленных тросов и т.д.), емкости этих же элементов относительно частей установки, находящихся под напряжением (провода, арматуры).

Расчет распределения напряжения по элементам высоковольтных изоляционных конструкций [2] не позволяет его использовать для установления распределения напряжения по слоям изоляции электрической машины в силу отличия ее конструкции от изоляционных конструкций в [2].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ [3, с. 4, 5], в котором для оценки степени увлажнения изоляции электрической машины используют коэффициент абсорбции, рассчитываемый на основе начального значения тока, проходящего через изоляцию при ее включении на постоянное напряжение, и его установившегося значения.

Для электрических машин, находящихся в эксплуатации, характерна сухая (неувлажненная) изоляция, поэтому способ [3, с. 4, 5] не решает задачу по нахождению распределения электрического напряжения по слоям изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является -выявление тенденции изменения электрической прочности изоляции обмотки эксплуатируемой электрической машины с целью прогнозирования ее пробоя.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в период технического обслуживания электрической машины измеряется ток, проводимый через ее изоляцию, включающий в себя переходный (ток абсорбции) и установившийся ток. Параметры тока, проводимого через изоляцию, используются в алгоритме расчета распределения напряжения по ее слоям.

Способ осуществляют следующим образом

К обесточенной электрической машине, например, к статорной обмотке асинхронного двигателя (АД) и его корпусу подключается источник постоянного тока, под воздействием которого через изоляцию обмотки статора будет проходить ток, состоящий из переходного тока абсорбции i_aбc с начальным значением I_абс, обусловленного главным образом слоистой неоднородностью изоляции, и установившегося тока I_∞, обусловленного сквозным током утечки изоляции. Переходный ток будет иметь постоянную времени, обозначенную параметром Т. Вид графика переходного и установившегося тока через изоляцию обмотки показан на фигуре 1.

Изложенный процесс моделируется эквивалентной электрической схемой замещения двухслойной изоляции электрической машины, приведенной на фигуре 2. На схеме использованы следующие обозначения. ИП - источник постоянного тока, с выходным напряжением - U; Кл - ключ замыкания (размыкания) цепи схемы; Пр - предохранители; Ш - шунт для съема сигнала тока цепи; блок ИЗ, содержащий эквивалентную электрическую схему замещения двухслойной изоляции электрической машины с точками вывода 1, 2, включающий в себя:

С₁ - эквивалентную емкость первого слоя изоляции;

R₁ - эквивалентное сопротивление, характеризующее активные потери емкости изоляции первого слоя;

С₂ - эквивалентную емкость второго слоя изоляции;

R₂ - эквивалентное сопротивление, характеризующее активные потери емкости изоляции второго слоя;

К - корпус электрической машины;

i(t) - сигнал по току, проходящего через изоляцию, поданный на осциллограф Ос;

u₁, u₂ - напряжения первого и второго слоя изоляции.

Выбор модели двухслойной изоляции электрической машины обусловлен тем, что один слой условно принимается за слой исправной изоляции, сохранившей свою монолитность, другой - представляет собой слой поврежденной изоляции, претерпевшей физические и химические изменения (образование в нем трещин, расслоений, полостей и т.п.).

При подключении источника постоянного тока ИП ключом Кл к клемме одной из фаз асинхронного двигателя (точка 1, фигура 2) и к корпусу АД (точка 2) через изоляцию, эквивалентируемую ее двухслойной схемой замещения (блок ИЗ), протекает ток i(t), регистрируемый осциллографом Ос по сигналу, снимаемого с шунта Ш. Этот ток согласно [3] равен:

При длительной транспортировке, хранении, простое в условия повышенной влажности электрические машины имеют увлажненную изоляцию. У таких машин проводимости слоев изоляции могут отличаться друг от друга (R₁≠R₂) при проникновении влаги в один слой изоляции или они могут быть приблизительно равны между собой при сквозном увлажнении изоляции (R₁≈R₂).

Для электрических машин, находящихся в эксплуатации, характерна сухая (неувлажненная) изоляция с приблизительно равными проводимостями слоев (R₁≈R₂=R=R_из/2, где R_из - сопротивление изоляции статорной обмотки). В этом случае выражения (1) приобретают следующий вид:

Два последних выражения сводятся в систему из двух уравнений с двумя неизвестными С₁ и С₂, параметры U и R=R_из/2 являются исходными, а параметры I_абс и Т определяются из осциллограммы (фигура 1). Решением этой системы уравнений будут значения емкостей первого и второго слоев - С₁ и С₂.

Согласно теории диэлектриков напряжения на слоях двухслойной изоляции в начальный момент (t=0) заряда емкостей С₁ и С₂ распределяются обратно пропорционально их величинам:

По окончании заряда емкостей слоев изоляции напряжение на них распределяется равномерно, прямо пропорционально величинам сопротивлений слоев R₁≈R₂=R:

Для рассматриваемого случая наиболее неравномерное перераспределение напряжения по слоям в изоляции происходит в начальный момент заряда емкостей слоев (u₁₍₀₎≠u₂₍₀₎), а после окончания их заряда распределение напряжения по слоям становится равномерным

У работающей электрической машины, напряжение U из выражения (1) будет переменным рабочим напряжением между фазой машины и корпусом. Это напряжение может быть кратно больше его номинального значения при импульсных перенапряжениях.

Таким образом, осуществляя регулярный контроль распределения напряжения по слоям изоляции, судят о тенденции изменения электрической прочности изоляции статорной обмотки.

Пример

Пусть изоляция статорной обмотки АД имеет следующие параметры: U=100В, R_m=1 МОм, I_∞=0,1 мА, I_абс=0,04 мА, Т=4 сек.

Подставив значения этих параметров в (2), получим, что С₁=13 мкФ, С₂=3 мкФ. Тогда распределение напряжений по слоям в начальный момент заряда их емкостей согласно (3) будет следующим:

u₁₍₀₎=18,7 В; u₂₍₀₎=81 В

Если рабочее напряжение между фазой машины и корпусом будет, например, 6,6 кВ, то распределение напряжения по слоям изоляции будет:

u₁₍₀₎=1,24 кВ=1240 В; u₂₍₀₎=5,36 кВ=5360 В

Полученный результат свидетельствует о значительной неравномерности распределения напряжения по слоям изоляции (u₁₍₀₎≤u₂₍₀₎) ухудшающей ее электрическую прочность.

Источники информации

1. ru-patent.info/20/l5-19/2017247 … копия

2. revolution.allbest.ru/physics/ … копия

3. Ваксер Н.М., Бородулина Л.К. Изоляция электрических машин, лабораторный практикум. - Л.: ЛПИ имени М.И. Калинина, 1981.

Способ определения распределения электрического напряжения по слоям изоляции электрической машины, заключающийся в том, что к обесточенной обмотке электрической машины и ее корпусу подключают источник постоянного тока, далее измеряют величину переходного тока и величину установившегося тока, проходящих через изоляцию обмотки статора, отличающийся тем, что с целью нахождения распределения электрического напряжения по слоям изоляции начальное значение переходного тока, его постоянную времени, напряжение источника постоянного тока, сопротивление изоляции обмотки используют для решения системы уравнений, в результате которого находят величины емкостей слоев изоляции, используемые для расчета напряжения на ее слоях, что в итоге позволяет судить о тенденции изменения электрической прочности изоляции.