Спосіб контролю і теплового захисту обмоток електричних машин, які працюють у запиленому середовищі

Реферат: Винахід належить до електротехніки, зокрема до систем захисту електричних двигунів напругою до 1000 В, що працюють на змінному та постійному струмах. У заявленому способі контролю і теплового захисту обмоток електричних машин, що працюють у запиленому середовищі застосування нових дій дозволить захистити електричну машину від температурного перевантаження і виявити граничне запилення обмотки статора пилом, тим самим своєчасно попередити про необхідність проведення ремонтних робіт з чищення обмоток від пилу, а також вчасно вимкнути двигун від мережі живлення. У разі теплового UA 107898 C2 (12) UA 107898 C2 перевантаження це підвищить надійність і продовжить термін експлуатації та безаварійної роботи електричних машин. UA 107898 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки, зокрема до систем захисту електричних двигунів напругою до 1000 В, що працюють на змінному та постійному струмах. Призначено для своєчасного виявлення теплового перевантаження ізоляції статорних обмоток електричних машин, які працюють в умовах запиленості навколишнього середовища, і продовження терміну служби експлуатації електричних машин за рахунок своєчасного виявлення загального та локального перегрівання ізоляції статорних обмоток. В умовах відмови ряду підприємств України від планово-попереджувальних ремонтів і переходу до профілактики за фактом своєчасне виявлення аномального режиму роботи електричних машин є запорукою безаварійної роботи підприємства. Проведення спрямованого профілактичного ремонту скорочує чисельність обслуговуючого персоналу та грошовоматеріальні витрати. Основним фактом скорочення терміну служби роботи електричних машин є прискорене старіння ізоляції статорних обмоток. Статистичні дослідження (С.Я. Ямова, Л.В. Ямова «Старіння, стійкість і надійність електричної ізоляції» - М., 1990 р. - 176 с.) показують, що причиною (80-85 %) поломок електричних машин, які працюють в умовах чорної металургії, є пробій ізоляції статорних обмоток. Як відомо (Вольдек А.І. «Електричні машини» - Л., 1974 p.), термін служби ізоляції визначається виразом: Тизол  AeyQ (Р рік), де A та y - коефіцієнти, які залежать від класу ізоляції, Q - температура. Для класу ізоляції А при температурі 95 °С тизол - 16 років; при температурі 110 °С тизол - 4 роки; при температурі 150 °С тизол - кілька днів. Слід підкреслити: перегрівання ізоляції обмоток електричних машин вище за допустиме значення, навіть на 8-10 °С, призводить до зниження терміну служби електричної машини в два та більше разів. У ряді галузей промисловості України електричні машини можуть працювати в умовах підвищеної запиленості, наприклад, металургія, вугільно-видобувна та інші галузі. Тривала експлуатація електричних машин у таких умовах призводить до покриття верхньої лобової частини обмоток статора пилом. Товщина пилу для двигунів потужністю в 50 кВт і вище спостерігається від 2 до 5 сантиметрів, при цьому нижня частина лобової обмотки залишається чистою. Шар пилу на обмотках призводить до зниження тепловіддачі й локального підвищення температури ізоляції під шаром пилу. Розрахункові та експериментальні дані показали, що різниця температур чистої та запиленої ізоляції від товщини пилу є лінійною і залежить від теплопровідності пилу. Тому своєчасне виявлення локальних перегрівань ізоляції обмоток електричної машини від нормованого значення є важливим і актуальним. Для виявлення перегрівання ізоляції статорних обмоток електричних машин існує ряд методів і пристроїв теплового захисту. Одним із методів є установка комутаційних апаратів із вбудованими тепловими елементами. Див «Правила будови електроустановок споживачів» - X.: Форт, 2009. - 704 с. До недоліків цього способу належить: неможливість контролювати теплове перевантаження безпосередньо ізоляції обмотки статора, а низька чутливість апарата призводить до його спрацьовування при значному перегріванні ізоляції як від струмового перевантаження електричної машини, так і від забруднення ізоляції пилом, що спричиняє скорочення строку служби ізоляції. Відомий спосіб температурного захисту електричної машини, реалізований у пристроях (патент на корисну модель України № 16922, МПК 02Н5/00, опубл. Бюл. № 8, 2006 р. і авторське свідоцтво СРСР № 1584028 МПК Н02Н7/08, 7/085, опубл. Бюл. № 29, 1990 р.). У даному випадку вимірюють температуру лобової частини обмоток статора електричної машини, при перевищенні температури обмоток більше за допустиму відбувається вимикання електричної машини від мережі живлення. Недоліком способів, які реалізують метод температурного захисту, є те, що температура ізоляції вимірюється в одній точці. Якщо температурний датчик розміщений на верхній лобовій частині ізоляції обмотки, він вимірює температуру обмотки і фіксує перевищення температури, викликане різними причинами. Це струмове перевантаження, механічне пошкодження підшипників або привідного механізму, виткове замикання в обмотках статора, неповнофазний режим мережі живлення і локальне запилення обмоток. Будь-яка причина підвищення температури ізоляції обмоток призведе до вимикання електричної машини від мережі живлення. У разі запилення обмоток пилом вимикати електричну машину від мережі живлення немає необхідності, досить сигналізувати про це. Якщо температурний датчик розміщений у будь-якій іншій частині статорної обмотки, то при запиленні поверхні обмотки неможливо своєчасно виявити і попередити обслуговуючий персонал про локальне перегрівання обмотки через її 1 UA 107898 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 покриття пилом. Реалізація вищеописаного способу не дозволяє розрізняти перегрівання ізоляції обмоток, викликані перевантаженнями або іншими чинниками, від локального перегрівання ізоляції обмоток через їх надмірне запилення і не робити неправдивих вимикань. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб, застосований у пристрої температурного захисту (патент на винаходи України № 53896, МПН02Н5/04, Н02Н5/10, опубл. Бюл. № 2, 2003 p.). У цьому пристрої здійснюють контактний контроль температури лобової частини обмотки статора електричної машини і за значенням температури роблять висновки про теплове перевантаження електричної машини, а при досягненні значення вимірюваної температури вище за встановлену вимикають машину від мережі живлення. До недоліків даного способу можна віднести те, що контроль за зміною температури обмотки проводиться тільки в одній частині статорної обмотки електричної машини. Чітко не визначено місце установки датчика температури. Не можна однозначно визначити причину зростання температури ізоляції, тим самим виключити помилкові вимикання електричної машини від мережі живлення. Перший випадок: температурний датчик розміщений на верхній лобовій частині ізоляції обмотки. Датчик вимірює температуру обмотки і фіксує її перевищення, яке може бути викликане струмовим перевантаженням, механічними пошкодженнями підшипників електричної машини або привідним механізмом, виткові замикання в обмотках статора, неповнофазні режими мережі живлення і локальне запилення обмоток. Будь-яке пошкодження викликає підвищення температури ізоляції обмоток і призведе до вимикання електричної машини від мережі живлення навіть під час технологічного циклу. У разі забруднення обмоток пилом вимикати електричну машину від мережі живлення немає необхідності, досить вчасно сигналізувати про це і під час технологічної паузи очистити обмотку. Другий випадок: температурний датчик розміщений у будь-якій іншій частині статорної обмотки. Запилення поверхні обмотки призведе до підвищення температури ізоляції під пилом. Датчик температури не зможе фіксувати цю температуру і своєчасно спрацювати, тим самим попередити обслуговуючий персонал про перегрівання обмотки через її покриття пилом. Реалізація вищеописаного способу не дозволяє однозначно визначити причину перегрівання ізоляції обмоток, виключити помилкові вимикання електричної машини від мережі, попередити початок розвитку прискореного процесу старіння ізоляції через її покриття пилом і своєчасно проводити ремонти. В основу винаходу поставлено задачу: розробити спосіб контролю й теплового захисту обмоток електричних машин, що працюють у запиленому середовищі, в якому запровадження нових дій дозволить захистити електричну машину від теплового перевантаження і виявити причини температурного перевантаження, відокремити їх від граничного запилення обмоток статора пилом, отже, своєчасно попередити про необхідність проведення ремонтних робіт з чищення обмоток від пилу, а також вчасно вимкнути двигун від мережі живлення на випадок теплового перевантаження, що підвищить надійність і продовжить термін експлуатації та безаварійної роботи електричних машин. Для вирішення поставленої задачі в способі контролю й теплового захисту обмоток електричних машин, які працюють у запиленому середовищі, що містить контактне вимірювання температури лобової частини обмотки статора електричної машини, обробку отриманих даних і вимикання електричної машини від мережі живлення при перевищенні температури вище за допустиме значення, відповідно до винаходу, одночасно проводять вимірювання температур верхньої лобової частини обмотки статора і діаметрально протилежної щодо нижньої частини, безперервно порівнюють отримані дані та за їх різницею роблять висновки про забруднення обмотки пилом. Товщина пилу визначається відповідно до виразу: H 50  yc  P   уc1 КТО SП (м), де -  ус   ус2   ус1 ,  ус1 - температура ізоляції, непокрита пилом,  ус 2 - температура ізоляції під пилом товщиною Н,  - коефіцієнт теплопровідності пилу, K ТО - коефіцієнт тепловіддачі електричної машини, 2 UA 107898 C2 S П - площа охолодження машини, 5 P - потужність, яка виділяється в обмотках при протіканні робочого струму. Тривала експлуатація електричних машин в умовах підвищеної запиленості навколишнього середовища призводить до покриття верхньої лобової частини обмоток статора пилом. Товщина пилу, для двигунів потужністю в 50 кВт і вище, на верхній спостерігається від 2 до 5 сантиметрів. Шар пилу на обмотках призводить до зниження тепловіддачі і локального підвищення температури ізоляції під шаром пилу. Відповідно до рівняння теплового балансу електричної машини: dQ  Pdt  cmd   КТО S П dt , (1), де dQ - теплова енергія, виділена в машині при протіканні робочого струму, c - питома теплопровідність машини, m - маса машини, S П - площа охолодження машини, 10 K ТО - коефіцієнт тепловіддачі,  - перевищення температури машини над температурою довкілля. 15 Та враховуючи послаблення теплового потоку q від ізоляції обмотки статора до повітря через плоско-паралельні стінки пилу, що визначається виразом: q   20 d , (2), dx де q - тепловий потік,  - коефіцієнт теплопровідності пилу,  - температура зміни потоку вздовж осі х. Перетворимо рівняння (1) і (2), отримаємо залежність товщини покриття пилу Н від різниці температур ізоляції, покритої та непокритої пилом  ус , у режимі, який склався:  yc  (м), (3) P   уc1 КТО SП де -  ус   ус2   ус1 , H 25  ус1 - температура ізоляції, непокрита пилом, ус2 - температура ізоляції під пилом товщиною Н. 30 35 40 45 Вираз (3) показує: перевищення температури залежить від товщини пилу та її теплопровідності. Таким чином, порівнюючи температури ізоляції покритим і непокритим пилом, можна робити висновки про товщину пилу. Реалізація способу здійснюється таким чином. На Фіг. 1 представлена лабораторна модель: 1 - статор електричної машини асинхронний трифазний двигун: потужність 10 кВт, 1450 об/хв, 380 В, частота 50 гц; 2 - датчик і покажчик температури DS 18В 20, що вимірює температуру верхньої лобової частини обмотки статора електричної машини; 3 - датчик і покажчик температури DS 18В 20, що вимірює температуру нижньої лобової частини обмотки статора електричної машини; 4 - блок комутації та сигналізації. На Фіг. 2 представлені криві, які показують залежність температури ізоляції від товщини пилу, різної за своїм складом: крива 1 - окалина прокатного стана, крива 2 - графітовий пил, крива 3 - гіпсова будівельна суміш. 1. Забруднення ізоляції. За допомогою блока комутації 4 здійснили пуск двигуна. Установили струм навантаження I = Ін. Зафіксували нагрівання обмотки - крива 1 датчик 3 установлений у нижній частині обмотки, поверхня чиста. Крива 2 - датчик 2 установлений у верхній лобовій частині і фіксує температуру обмотки під пилом (графітовий пил:   0,04  0,07 вт м С - коефіцієнт теплопровідності, окалина прокатного стана: коефіцієнт теплопровідності 0,3-0,6, будівельна суміш: коефіцієнт теплопровідності 0,035-0,7). Покриття обмотки пилом здійснювали з дискретністю в 0,5 см. На Фіг. 2 представлені результати дослідження. Таким чином, різниця вимірюваних температур датчиків 2 і 3 дозволила достовірно визначити покриття пилом поверхні ізоляції обмотки. При зміні струму навантаження від 0,5 до Ін, різниця 3 UA 107898 C2 5 10 температур змінювалася на 2-3 °С , що дозволяє визначати забруднення ізоляції обмоток пилом для різних режимів роботи електричної машини. 2. Чиста поверхня. При чистій поверхні ізоляції обмоток здійснили пуск двигуна і регулювали струм навантаження від 0,5 до Ін. Заміряємо температуру датчика 2 і 3. Різниця температур становила 0,02 °С - межа похибки приладів вимірювання. Після досягнення температури обох датчиків до критичного значення, тобто, вище за допустиме, можна робити висновки про пошкодження, не пов'язані з запиленістю ізоляції. Висновки: 1) одночасне досягнення температури ізоляції вище за допустиме значення - це пошкодження в електричній машині, привідному механізмі або мережі живлення; електрична машина вимикається від мережі. 2) отримана різниця температур датчиками, установленими у верхній і нижній лобових частинах обмотки статора, дорівнює 6-7 °С та служить сигналізацією для проведення профілактичного ремонту. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 Спосіб контролю і теплового захисту обмоток електричних машин, які працюють у запиленому середовищі, що містить контактне вимірювання температури лобової частини обмотки статора електричної машини, обробку отриманих даних і вимикання електричної машини від мережі живлення при перебільшенні температури вище за допустиме значення, який відрізняється тим, що одночасно проводять вимірювання температур верхньої лобової частини обмотки статора і діаметрально протилежної нижньої частини, безперервно порівнюють отримані дані та за їх різницею роблять висновки про забруднення обмотки пилом, при цьому товщину пилу визначають відповідно до виразу: H (ус) (м), P  ус1К ТВ SП ус  ус2  ус1 , ус1 - температура ізоляції, непокрита пилом, ус2 - температура ізоляції під пилом, товщиною Н,  - коефіцієнт теплопровідності пилу, К ТВ - коефіцієнт тепловіддачі електричної машини, SП - площа охолодження машини, P - потужність, яка виділяється в обмотках при протіканні робочого струму. де 30 4 UA 107898 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5