Спосіб виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції електродвигунів, які працюють в агресивних середовищах, і пристрій для його реалізації

Реферат: Винахід належить до електротехніки. Спосіб виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції електродвигунів, які працюють в агресивних середовищах, включає циклічне вимірювання опору ізоляції після зупинки електродвигуна і порівняння його значення з двома заданими пороговими значеннями. Вимірювання поверхневої провідності ізоляції та порівняння цього значення з заданим. По зменшенню опору ізоляції нижче другого порогового значення судять про появу необоротних дефектів ізоляції, а по перевищенню поверхневої провідності ізоляції заданого значення судять про наявність забруднення поверхні ізоляції провідним пилом. Нагрівання обмоток електродвигуна здійснюють при значенні опору ізоляції менше першого і більше другого порогових значень і при значенні поверхневої провідності ізоляції вище заданого. В процесі нагрівання обмоток визначають швидкість зміни поверхневої провідності ізоляції і порівнюють її значення з заданим, по перевищенню якого судять про наявність зволоження ізоляції. А за значенням швидкості зміни поверхневої провідності ізоляції меншим заданого судять про наявність забруднення поверхні ізоляції непровідним пилом. Згідно з винаходом, після кожного відключення електродвигуна і його зупинки вимірюють опір нагрітої ізоляції і встановлюють величину першого порогового значення рівною величині виміряного опору нагрітої ізоляції. А подальшу корекцію першого порогового значення здійснюють кожного разу до тих пір, поки ця величина стане рівною або нижчою величини другого порогового значення, яке є критичним для роботи електродвигуна. Пристрій для здійснення способу містить джерело низької напруги, блок комутації і сигналізації, електродвигун з клемами для його підключення, блок живлення, блок вимірювання опору, датчик поверхневого стану та мікропроцесорний блок, які відповідним чином з’єднані між собою. Спосіб та пристрій забезпечують підвищення достовірності при розрізнення дефектів і тим самим підвищують надійність експлуатації електродвигуна та продовжують її термін. UA 101849 C2 (12) UA 101849 C2 UA 101849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки, релейного захисту і може бути використаний для виявлення дефектів ізоляції в обмотках електродвигунів до 1000 В при їх експлуатації. Відомий спосіб і пристрій для його реалізації, за а. с. СРСР 1309171, Н02К 15/12, дозволяє виявляти наявність дефектів ізоляції в обмотках двигунів. Спосіб сушіння ізоляції обмоток двигуна в експлуатації в період між зупинкою і пуском, заснований на вимірюванні опору ізоляції і пропусканні через обмотку струму від підключеного джерела. Вимірювання опору ізоляції обмоток проводять протягом всього періоду між зупинкою і пуском двигуна, підключають обмотку двигуна до джерела живлення при зменшенні опору ізоляції до мінімального допустимого значення. В пристрої, що реалізує цей спосіб, після вимкнення двигуна комутаційний блок підключає блок вимірювання опору ізоляції з блоком порівняння опору ізоляції до обмоток двигуна і включає джерело живлення. При зменшенні опору ізоляції до заданого рівня включається програмний блок і до обмоток двигуна підключається джерело живлення. Через встановлений час програмний блок подає сигнал у комутаційний блок, який відключає джерело живлення, і до обмоток підключається блок виміру і порівняння опору ізоляції. Якщо опір ізоляції вище заданого рівня, цикл повторюється, якщо нижче - знову підключається джерело живлення і програмний блок. Ці операції повторюються до тих пір, поки опір ізоляції не стане вище заданого рівня. Таким чином, спосіб і пристрій для його здійснення дозволяє виявити момент зволоження ізоляції обмоток двигуна і провести їх своєчасний захист від зволоження. Недоліком цього способу і пристрою є те, що контроль за змінами опору ізоляції проводять після повної зупинки електродвигуна і визначається тільки момент зволоження ізоляції. Якщо в режимі технологічного циклу опір ізоляції знизиться нижче 0,5 мОм, ця величина нормується "Правилами експлуатації електроустаткування", двигун повинен блокуватися від підключення його до мережі живлення. У даному способі та пристрої ці дії неможливі. Даний спосіб і пристрій не виявляє забруднення обмотки двигуна провідним і непровідним пилом. Найбільш близьким до запропонованого способу і пристрою, що його реалізує, є спосіб контролю ізоляції обмоток низьковольтних електродвигунів за а. с СРСР 1371233, G01R 31/34. У цьому способі після вимкнення електродвигуна від живильної мережі і його повної зупинки вимірюють опір ізоляції, порівнюють його значення з двома пороговими значеннями і вимірюють поверхневу провідність з допомогою датчика. Якщо опір ізоляції в період експлуатації знизився нижче другого порогового значення менше 0,5 мОм, судять про пошкодження ізоляції. У цьому випадку двигун блокується від підключення до мережі. Якщо величина опору ізоляції в період технологічної паузи більша величини першого порогового значення, судять про те, що ізоляція обмоток в нормі. Якщо поверхнева провідність перевищила порогове значення, судять про забруднення обмоток провідним пилом. У період технологічної паузи контролюють зниження опору ізоляції до величини першого порогового значення і при значенні поверхневої провідності вище заданого визначають момент зволоження ізоляції і включають джерело живлення. В процесі сушіння ізоляції вимірюють швидкість зміни поверхневої провідності, за швидкістю судять про забруднення обмоток непровідним пилом. Пристрій, що реалізує цей спосіб, містить джерело напруги, блок комутацій, дві клеми для підключення обмоток двигуна, програмний блок, блок вимірювання опору, датчик поверхневого стану, чотири блоки порівняння, інтегратор, інвертор, логічний блок, перший і другий входи якого з'єднані відповідно з входом блока сигналізації і з першим входом блока комутацій, входи логічного блока з першого по п'ятий з'єднані відповідно з виходами першого, другого, третього, четвертого блоків порівняння і виходом інвертора, вхід якого через четвертий блок порівняння з'єднаний з виходом датчика поверхневого стану і першим входом інтегратора, підключеного виходом до входу третього блока порівняння, об'єднані входи першого і другого блоків порівняння з'єднані з виходом блока вимірювання опору, перший і другий входи якого з'єднані відповідно з першої клемою для підключення обмоток двигуна і з першим виходом блока комутації, входи блока комутації з другого по четвертий з'єднані відповідно з виходом джерела напруги, входом джерела напруги і першим виходом програмного блока, другий і третій виходи блока комутації з'єднані відповідно з другою клемою для підключення обмоток двигуна та входом програмного блока, вхід джерела напруги підключений до джерела живлення, це дозволяє циклічно вимірювати опір ізоляції після зупинки двигуна. Два блоки порівняння, які встановлюють нижній і верхній порогові значення, порівнюють їх. Датчиком поверхневої провідності вимірюють поверхневу провідність і блоком порівняння порівнюють її із заданим значенням. При зниженні опору ізоляції нижче другого порогового значення судять про пошкодження ізоляції. При зниженні ізоляції нижче першого порогового значення, але вище другого і зниженням поверхневої провідності нижче заданого значення визначають момент зволоження ізоляції і момент підключення джерела живлення. У процесі нагрівання обмоток 1 UA 101849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вимірюють швидкість зміни поверхневої провідності. За значеннями блоків порівняння в пристрої розрізняють забруднення ізоляції провідним і непровідним пилом, момент зволоження ізоляції, зниження опору ізоляції нижче припустимого значення, при якому подальша експлуатація двигуна заборонена. Проте цей спосіб і пристрій, що його реалізує, мають недоліки. При виявленні зволоження ізоляції та визначенні моменту підключення джерела напруги для нагрівання обмоток, не враховується природне старіння ізоляції. Як відомо (Єрмолін І.П. Питання надійності і довговічності електричних машин. - М. 1989 р.) у процесі експлуатації двигунів в ізоляції їх обмоток протікають термічні та динамічні процеси, які призводять до незворотного старіння ізоляції. У даному способі та пристрої, що його реалізує, момент виявлення зволоження ізоляції визначається при зниженні опору ізоляції нижче першого і вище другого порогових значень. У процесі експлуатації в ізоляції обмотки двигуна протікають термодинамічні та хімічні процеси і призводять до необоротного зниження опору ізоляції, тобто, опір ізоляції знижується за рахунок природного старіння, У процесі експлуатації двигуна настане момент, коли значення величини опору сухої ізоляції при черговому відключенні двигуна від мережі стане нижче першого порогового значення, але буде вище другого порогового значення. У цьому випадку момент зволоження ізоляції і включення джерело живлення для сушіння обмоток визначиться не вірно. В основу винаходу поставлена задача вдосконалити спосіб виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції двигунів, які працюють в агресивних середовищах, і пристрій для його реалізації, за якими за рахунок обліку природного старіння ізоляції забезпечується підвищення достовірності виявлення моменту початку зволоження обмоток двигуна, що дозволяє підвищити достовірність при розрізненні дефектів і тим самим підвищити надійність експлуатації електродвигунів і скоротити витрати електроенергії. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції двигунів, які працюють в агресивних середовищах, що включає циклічне вимірювання опору ізоляції після зупинки електродвигуна, порівняння його значення з двома заданими пороговими значеннями, вимірювання поверхневої провідності ізоляції, порівняння цього значення з заданим, по зменшенню опору ізоляції нижче другого порогового значення судять про появу необоротних дефектів ізоляції, а по перевищенню поверхневої провідності ізоляції заданого значення судять про наявність забруднення поверхні ізоляції провідним пилом, при цьому нагрівання обмоток електродвигуна здійснюють при значенні опору ізоляції менше першого і більше другого порогових значень і при значенні поверхневої провідності ізоляції вище заданого, причому в процесі нагрівання обмоток визначають швидкість зміни поверхневої провідності ізоляції і порівнюють її значення з заданим, по перевищенню якого судять про наявність зволоження ізоляції, а за значенням швидкості зміни поверхневої провідності ізоляції меншим заданого судять про наявність забруднення поверхні ізоляції непровідним пилом, згідно з винаходом, після кожного відключення електродвигуна і його зупинки вимірюють опір нагрітої ізоляції і встановлюють величину першого порогового значення рівною величині виміряного опору нагрітої ізоляції, а подальшу корекцію першого порогового значення здійснюють кожного разу до тих пір, поки ця величина стане рівною або нижчою величини другого порогового значення, яке є критичним для роботи електродвигуна. Пристрій для реалізації способу містить джерело низької напруги, блок комутації і сигналізації, електродвигун з клемами для його підключення, блок живлення, блок вимірювання опору та датчик поверхневого стану, при цьому джерело низької напруги підключене входом до мережі живлення, а виходом через блок комутації та сигналізації - до клем електродвигуна, блок живлення підключений входом до мережі живлення, а виходами - до входів блока комутації і сигналізації, блока вимірювання опору та датчика поверхневого стану, який розташований на обмотках електродвигуна, вихід блока вимірювання опору через блок комутації і сигналізації підключений до клеми електродвигуна, згідно з винаходом, в нього додатково введений мікропроцесорний блок, при цьому датчик поверхневого стану виходом підключений до першого входу мікропроцесорного блока, вихід блока вимірювання опору підключений до другого входу мікропроцесорного блока, третій вхід мікропроцесорного блока підключений через блок комутації і сигналізації до блока живлення, а п'ять виходів мікропроцесорного блока підключені до входу блока комутації і сигналізації. У період роботи двигуна температура його обмоток досягає величини 75-85 С. Величина опору нагрітої ізоляції може бути від 0,1 мОм до 100 тис. мОм. Ізоляція суха і її опір визначається тільки природним старінням щодо значення нової ізоляції Під час технологічної паузи температура ізоляції обмоток знижується до температури навколишнього середовища (25-30 градусів), при цьому величина опору ізоляції збільшується в 2-2,5 рази. Проведені 2 UA 101849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дослідження на двигунах типу А. ОА показали, що при температурі 80° опір ізоляції сягав від 500 тис. мОм до 100 тис. мОм. Зниження температури ізоляції до 30 градусів призводить до збільшення опору ізоляції в 2,5 разів. У запропонованому способі вимірюють опір нагрітої ізоляції і встановлюють значення першого порогового значення рівним цій величині. За величиною опору нагрітої ізоляції достовірніше визначається зниження величини опору ізоляції нижче 0,5 мОм за рахунок природного старіння або утворення дефектів в ізоляції під час технологічного циклу, що дозволяє своєчасно блокувати двигун для подальшої експлуатації. Встановлення порогового значення рівного величині опору виміряної нагрітої ізоляції, дозволяє використовувати природне зростання опору ізоляції при зниженні температури. Після охолодження двигуна до температури навколишнього середовища, його ізоляція піддається зволоженню, опір зменшується. Зниження опору ізоляції до величини першого порогового значення та відповідного значення поверхневого стану дозволяє своєчасно визначить момент зволоження і включити джерело напруги. Постійна корекція першого порогового значення підвищує достовірність при розрізненні зволоження і неприпустимого природного старіння. Суть роботи пристрою пояснюється схемами, представленими на кресленнях. На фіг. 1 наведена блок-схема пристрою, на фіг.2 наведена його принципова електрична схема. Пристрій, що реалізує запропонований спосіб, містить джерело низького живлення 1, електродвигун 2 з клемами для його підключення, блок вимірювання опору 3, датчик поверхневого стану 4, блок комутації і сигналізації 5, мікропроцесорний блок 6 та блок живлення 7. Джерело низької напруги 1 виконане на базі понижуючого трансформатора. Блок вимірювання опору 3 є дільником напруги, одним з плечей якого є плече опору "фазакорпус". Живлення подається з блока живлення. 3 одного виходу знімається сигнал для мікропроцесорного блока 6. Датчик поверхневого стану 4 виконаний як дільник напруги, одним з плечей якого є пластина з електродами. Живлення подається від блока живлення, з одного виходу знімається сигнал для мікропроцесорного блока 6. Блок комутації і сигналізації 5 виконаний на контакторах К1, К2 зі своїми контактами, з пускачем К3 зі своїми контактами, проміжним реле ПР1 зі своїми контактами, лампочками Л1-Л6 сигналізації, контактами реле Р1-Р5 блока 6, кнопками "Пуск" і "Стоп". Мікропроцесорний блок 6 виконаний на базі мікроконтролера ATmega88 фірми Atmel. Виходи мікроконтролера використані для включення виконавчих контактів реле Р1-Р5. Блок живлення 7 виконаний на понижуючому трансформаторі і стабілізаторі напруги. Робота пристрою. На поверхні лобової частини обмоток електродвигуна встановлюється датчик поверхневого стану 4. Кнопкою "Пуск" блока 5 запускають електродвигун і подають сигнал у мікропроцесорний блок 6 про те, що йде технологічний режим і включається сигналізація Л1. Датчик поверхневого стану 4 проводить вимірювання, які надходять на вхід мікропроцесорного блока 6. Отримані вимірювання порівнюються з заданим значенням. Під час роботи двигуна відбувається забруднення його обмоток і датчика 4 пилом, якщо пил провідний і отримані значення стали нижче встановленого значення, на виході блока 6 з'явиться сигнал, реле Р3 замкнеться і лампа Л4 буде сигналізувати про надмірне забруднення ізоляції обмоток провідним пилом. Зупинка двигуна кнопкою "Стоп" подасть сигнал в мікропроцесорний блок 6 про те, що настала технологічна пауза. Операційні ланцюги контактора К1 підготують ланцюги контактора К2 джерела низької напруги 1 та ланцюги пускача К3 блока вимірювання опору 3 для підключення їх до клем електродвигуна. Мікропроцесорний блок 6 відліковує час 5 хвилин. По закінченню цього часу, його досить для зупинки двигуна і згасання противо-ЕРС, на виході блока 6 з'явиться сигнал, спрацює Р5 і пускач К3 підключить блок вимірювання опору 3 до клем електродвигуна. На момент відключення від мережі ізоляція обмоток електродвигуна має температуру 80-90 градусів. У цей момент ізоляція суха, а процесу зволоження ізоляції немає. Величина опору ізоляції Rіз буде визначена лише природним старінням в цей період часу. Сигнал з блока 3 надходить на вхід мікропроцесорного блока 6, який запам'ятовує R із. Величина опору уставки Rycт обнуляється і проводиться її новий облік Rycт = Rіз. Блок 3 проводить поточне вимірювання опору ізоляції Rпот. Датчик 4 вимірює значення рівня поверхневого стану. Мікропроцесорний блок 6 порівнює отримані значення датчика 4 із заданим, при зниженні цієї 3 UA 101849 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 величини нижче заданої проводиться порівняння поточного значення опору ізоляції R пот з Rycт. Коли Rycт більше Rпот і значення датчика 4 стало нижче заданого значення робиться висновок про зволоження ізоляції обмоток, на виході блока 6 з'явиться сигнал Р5, відключить ланцюги вимірювання, а Р2 підключить джерело низької напруги 1 до клем електродвигуна. Блок 6 задає час підсушування обмоток. У процесі сушіння, із зростанням температури обмоток, ізоляція висушується, так само висушується датчик поверхневого стану 4. Блок 6 вимірює швидкість висихання датчика. У процесі роботи електродвигуна може відбутися неприпустиме забруднення обмоток і датчика 4 непровідним пилом. Швидкості висихання чистого датчика 4 і датчика 4, забрудненого непровідним пилом, різні. Якщо швидкість висихання датчика менша заданої на виході блока 6 з'явиться сигнал, спрацюють реле Р4 і лампа Л5 сигналізації про забруднення поверхні обмоток непровідним пилом. По закінченню часу сушіння обмоток блок 6 подає сигнал на відключення реле Р2 і контактора К2, а по закінченню часу 5 хв. – на підключення ланцюгів вимірювання блока 3 до клем електродвигуна 2. Програма блока 6 вимірює Rпот і порівнює з Rуст. Процес виявлення зволоження і підсушування обмоток циклічно повторюється до тих пір, поки триває технологічна пауза. Після кожного відключення електродвигуна від мережі живлення, початок технологічної паузи, вимірюється нове значення опору ізоляції R із і обчислюється нове значення Rуст. По мірі старіння ізоляції настане момент коли Rіз стане рівним або меншим 0,5 мОм, тоді на виході мікропроцесорного блока 6 з'явиться сигнал, яким включиться Р2, блокуючи електродвигун 2, джерело низької напруги 1 і ланцюги вимірювання блока 3 від підключення до мережі живлення і включиться сигналізація Л2 про блокування двигуна і зниження опору ізоляції нижче 0,5 мОм. Подальша експлуатація електродвигуна заборонена. Приклад роботи пристрою. У камеру помістили електродвигун типу АОЖ 41-2, напруга 380 В, потужність 5,5 кВт, 1450 об/хв. Після відключення двигуна від мережі його температура склала 75 С, а величина опору ізоляції рівнялась 75 мОм. Зниження температури двигуна до 25 С призвело до росту опору ізоляції до величини 260 мОм. Створили вологість повітря 85-90 % у камері з двигуном, опір ізоляції обмоток за 7,5 години знизився з 260 мОм до 75 мОм. Визначився момент зволоження ізоляції, що призвело до відключення ланцюгів вимірювання і включення джерела низької напруги. Під час роботи двигуна в камері розпорошили графіто-алюмінієву пудру. При товщині шару пилу на поверхні датчика поверхневого стану 1-1,5 мм, спрацювала сигналізація про забруднення поверхні провідним пилом. Покрили датчик поверхневого стану непровідним пилом (за який застосували крейду). Зволожили двигун і датчик до параметрів, описаних вище. Джерело низької напруги підключили на 20 хвилин. Вимірювали величину опору ізоляції, вона відновилася до 170 мОм. Швидкість висихання датчика без покриття пилом склала 15 об/хв, при покритті датчика крейдою товщиною 2 мм швидкість висихання склала 5,4 об/хв. В останньому випадку включилася сигналізація про забруднення непровідним пилом. Природне старіння ізоляції визначили шляхом підключення паралельно змінного опору "фаза-корпус" і еквівалентний опір встановили менше 0,5 мОм. Пристрій блокував електродвигун від підключення до мережі і спрацювала сигналізація. Таким чином, у запропонованому способі та пристрої для його реалізації забезпечується виявлення природного старіння ізоляції обмоток електродвигуна і підвищення достовірності визначення моменту її зволоження за рахунок вимірювання, запам'ятовування опору сухої ізоляції і корекції величини першого порогового значення. Це дозволяє підвищити достовірність при розрізненні дефектів, скоротити витрату електроенергії при правильному визначенні моменту зволоження ізоляції і тим самим підвищити надійність при експлуатації двигуна. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції електродвигунів, які працюють в агресивних середовищах, що включає циклічне вимірювання опору ізоляції після зупинки електродвигуна, порівняння його значення з двома заданими пороговими значеннями, вимірювання поверхневої провідності ізоляції, порівняння цього значення з заданим, по зменшенню опору ізоляції нижче другого порогового значення судять про появу необоротних дефектів ізоляції, а по перевищенню поверхневої провідності ізоляції заданого значення судять про наявність забруднення поверхні ізоляції провідним пилом, при цьому нагрівання обмоток електродвигуна здійснюють при значенні опору ізоляції менше першого і більше другого порогових значень і при значенні поверхневої провідності ізоляції вище заданого, причому в 4 UA 101849 C2 5 10 15 20 процесі нагрівання обмоток визначають швидкість зміни поверхневої провідності ізоляції і порівнюють її значення з заданим, по перевищенню якого судять про наявність зволоження ізоляції, а за значенням швидкості зміни поверхневої провідності ізоляції меншим заданого судять про наявність забруднення поверхні ізоляції непровідним пилом, який відрізняється тим, що після кожного відключення електродвигуна і його зупинки вимірюють опір нагрітої ізоляції і встановлюють величину першого порогового значення рівною величині виміряного опору нагрітої ізоляції, а подальшу корекцію першого порогового значення здійснюють кожного разу до тих пір, поки ця величина стане рівною або нижчою величини другого порогового значення, яке є критичним для роботи електродвигуна. 2. Пристрій для виявлення і розпізнавання дефектів ізоляції електродвигунів, які працюють в агресивних середовищах, що містить джерело низької напруги, блок комутації і сигналізації, електродвигун з клемами для його підключення, блок живлення, блок вимірювання опору та датчик поверхневого стану, при цьому джерело низької напруги підключене входом до мережі живлення, а виходом через блок комутації та сигналізації - до клем електродвигуна, блок живлення підключений входом до мережі живлення, а виходами - до входів блока комутації і сигналізації, блока вимірювання опору та датчика поверхневого стану, який розташований на обмотках електродвигуна, вихід блока вимірювання опору через блок комутації і сигналізації підключений до клеми електродвигуна, який відрізняється тим, що в нього додатково введений мікропроцесорний блок, при цьому датчик поверхневого стану виходом підключений до першого входу мікропроцесорного блока, вихід блока вимірювання опору підключений до другого входу мікропроцесорного блока, третій вхід мікропроцесорного блока підключений через блок комутації і сигналізації до блока живлення, а п'ять виходів мікропроцесорного блока підключені до входу блока комутації і сигналізації. 5 UA 101849 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 6