Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
29.11.2015

Динамика старения изоляции электрических машин

Минакова Татьяна Евгеньевна
кандидат технических наук, доцент, кафедра электроэнергетики и электромеханики, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация
Аннотация: Выполнен анализ влияния воздействий эксплуатационных факторов на процесс старения электрической изоляции электродвигателей. Обоснованы метода учета влияния электрического напряжения, температуры окружающей среды, ее влажности, а также механической вибрации. Разработана математическая модель прогнозирования срока службы электродвигателей в функции от эксплуатационных параметров, отличающаяся учетом комплексного воздействия совокупности факторов.
Ключевые слова: электрический двигатель, электрическая изоляция, старение изоляции, математическая модель
Электронная версия
Скачать (590.9 Kb)

1. Введение

Износ изоляционных материалов обмоток электродвигателей в результате электрического и теплового старения в подавляющем большинстве случаев предопределяет срок службы электродвигателя в процессе его эксплуатации. Исключение составляют лишь механические повреждения машин, заводские дефекты и короткие замыкания, на долю которых приходится меньшая часть аварийных ситуаций [3, 14].

2. Цель работы

Целью исследования является анализ степени влияния воздействий эксплутационных факторов на процесс старения электрической изоляции электрических машин, обоснование методов моделирования такого влияния, а также разработка математической модели прогнозирования срока службы электродвигателей в функции от воздействия комплекса эксплуатационных параметров.

3. Процессы физического износа изоляции обмоток электрических машин в эксплуатационных режимах работы

Электрическое старение изоляции электрических машин происходит одновременно с процессами механических разрушений и теплового старения [13, 20] в рабочих, анормальных и аварийных режимах [4, 7]. Однако экспериментальными исследованиями установлено, что одним и тем же механическим и тепловым условиям изоляционных материалов электрических машин соответствует различная электрическая прочность в функции времени, в течение которого изоляция находится под напряжением. В [21] показано, что характер зависимости времени жизни изоляции от напряжения (или напряженности электрического поля) обратнозависимый, причем на разных интервалах времени в рабочем его диапазоне отношение логарифмов относительных напряжения (и пропорциональной напряженности) и времени жизни остается постоянным lg(Uk+1/Uk)/lg(sk+1/sk)= KU. или lg (Ek+1/Ek)/lg(sk+1/sk)= KU.

Учет воздействия температуры и механических нагрузок на изоляцию приводит лишь к изменению численных значений констант приведенных уравнений. В [21] приведена кривая жизни изоляционных материалов электрических вращающихся машин – рис. 1. Данная кривая принимается за расчетную для определения влияния электрического напряжения обследованных электродвигателей на срок их службы.

Рис. 1. Сроки службы изоляционных материалов при воздействии электрического поля

Рис. 1. Сроки службы изоляционных материалов при воздействии электрического поля

Алгоритм расчета срока службы изоляции электродвигателей по экспериментальным данным при электрическом старении состоит в следующем.

Этап 1. По данным зависимости рис. 1 рассчитывается константа KU.

Этап 2. На дискретном интервале измерения напряжения рассчитывается значение Ui/Uном=Ei/Eном=E*, где индексом «ном» обозначены номинальные значения параметров режима.

Этап 3. Логарифм относительного значения выработанного ресурса si/sном (износа) изоляции рассчитывается по формуле lg(si/sном)=lg(Ui/Uном)/KU, откуда si/sном=10^ lg(si/sном).

Этап 4. Абсолютное значение выработанного ресурса на интервале измерения напряжения si=sном*10^ lg(si/sном).

Этап 5. Срок службы электродвигателя из условия электрического старения изоляции за сутки определяется суммированием si, относительное значение si*=si/24 и является моделью скорости электрического старения изоляционных материалов.

Для обоснования зависимости влияния вибрации на срок службы изоляции электродвигателей учтем, что вибрация электрических машин, а соответственно, их обмоток и изоляции с удвоенной амплитудой вибрационного смещения вносит свою долю в перемещение молекул и атомов изоляции с некоторым коэффициентом Kx. В результате число взаимодействующих в единицу времени молекул изоляции при протекании химических окислительных процессов возрастает. Повышается износ изоляции от воздействия вибрации, снижается срок службы.

В основу подхода к обобщению модели износа изоляции на комплекс факторов разрушения электрической изоляции положено два принципа:

– влияние каждого фактора разрушения изоляции не изменяет закон её старения в функции от других факторов, воздействующих в процессе эксплуатации;

– влияние каждого фактора разрушения изоляции учитывается собственным мультипликатором (темпом) старения изоляции.

Второе положение хорошо отражается формулой теплового старения [23] при отклонении температуры ΔT от номинального значения: S=Sном۰exp(-b۰ΔT). В формуле первый сомножитель (Sном) представляет собой срок службы изоляции обмоток при отсутствии перегрева по сравнению с номинальным значением температуры, установленным для класса нагревостойкости изоляции, для которой моделируется износ.

Учтем теперь влияние на срок службы изоляции обмоток двигателей, подверженной тепловому старению, влажности окружающей среды a. Темп износа под воздействием влажности описывается сомножителем 1/Ka^[( a- aном)/10].

Математическая зависимость влияния всей совокупности разрушающих факторов на износ изоляции электродвигателей, следовательно, приобретает вид: 

1.png,

В тех случаях, когда электрическая машина работает в изменяющихся условиях эксплуатации, требуется интегрирование износа изоляции во времени.

Результаты моделирования с использованием авторской модели старения изоляционных материалов под воздействием комплекса эксплуатационных факторов и остаточного ресурса изоляции электрических машин показывают, что они адекватны экспериментальным данным. Проверка адекватности модели выполнена для 14 электродвигателей, эксплуатируемых в сложных условиях и подверженных всей исследуемой совокупности разрушающих физических воздействий [24, 25]. Последовательность выхода из строя обследованных электрических машин полностью совпала с результатами расчетов на базе разработанной модели. Следовательно, модель решает проблему обеспечения надежности функционирования электродвигателей на основе планирования ремонтов и замен полностью изношенных электрических машин [29].

Разработанная модель достаточно просто реализуется микропроцессорными средствами, снабженными датчиками эксплуатационных параметров [28]. Следовательно, она может использоваться для дистанционного мониторинга и управления техническим обслуживанием централизованными или специализированными аутсорсинговыми подразделениями [26, 27].Тем самым создаются системные синергетические эффекты повышения надежности функционирования электрических двигателей, а также снижения эксплуатационных затрат на обследование технического состояния электрооборудования силами эксплуатационного персонала [1, 2, 9] при повышении качества выполняеиых работ [9, 12]. Появляются предпосылки перехода к инновационным технологиям дистанционного контроля и мониторинга на базе современных информационно-телекоммуникационных систем [6, 8, 10, 11, 15-19, 22].

4. Заключение

Электроизоляционные материалы электрических машин подвержены воздействию ряда физических разрушающих факторов: воздуха, влаги, вибрации, повышенной температуры, ускоряющих процессы старения. Полученная авторская математическая модель физических процессов электрического и теплового старения электроизоляционных материалов учитывает окисление при повышенной влажности и температуре окружающей среды, а также механических вибрационных смещениях. Модель позволяет прогнозировать остаточный ресурс изоляции, а, следовательно, срок службы электродвигателей для планирования эксплуатационных мероприятий.

Список литературы:

1. Артемьев А. В., Минаков В. Ф., Макарчук Т. А. Управление обучением персонала: Эффекты. Синергия // Экономика, статистика и информатика. Вестник УМО. – 2013. – № 3. – С. 11–15.

2. Божков М.И. Энергосбережение - это оптимизация производства и потребления энергии // Электрика. – 2010. – № 1. – С. 3-8.

3. Божков М.И., Костин В.Н. Установки электрического освещения. Учебное пособие. – СПб.: М-во образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования Нац. минерально-сырьевой ун-т «Горный». – 2012. – 90 с.

4. Божков М.И., Пущин С.Л. Эвристический анализ данных АИИС КУЭ для краткосрочного прогнозирования электропотребления на примере аппаратостроительного завода // Промышленная энергетика. – 2014. – № 3. – С. 8-11.

5. Галстян А.Ш., Шиянова А.А., Минаков В.Ф. Моделирование стратегического развития рынка страхования в России: проблемы и пути их решения // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2014. – № 2 (41). – С. 256-260.

6. Галстян А.Ш., Шиянова А.А., Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Верификация экономико-математической модели инновационного развития связи и инфотелекоммуникаций России // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2015. – № 3 (48). – С. 78-84.

7. Костин В.Н. Электроэнергетические системы и сети: учебное пособие. – СПб: – Троицкий мост. – 2015. – 304 с.

8. Лобанов О.С., Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Методология ранжирования ресурсов в облачной инфраструктуре региона // Материалы 3-й научно-практической internet-конференции Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики. – Ульяновск. – 2014. – С. 50-56.

9. Маслов В.И., Минаков В.Ф. Эластичность качества по цене и затратам // Стандарты и качество. – 2012. – № 9 (903). – С. 88–90.

10.Минаков В. Ф., Минакова Т. Е. Модернизация региональных информационных ресурсов в облачные платформы и сервисы // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 10-3 (17). – С. 56-57.

11.Минаков В.Ф. Логистика мобильной торговли // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 9 (28). – С. 77-78.

12.Минаков В.Ф. Метод анализа многомерных иерархий // Nauka-rastudent.ru. – 2015. – № 7 (19). – С. 31.

13.Минаков В.Ф. О схемах замещения асинхронных и синхронных машин // Электричество. – 1995. – № 4. – С. 27-29.

14.Минаков В.Ф. Обобщение моделей и характеристик работы трехфазных электродвигателей в сетях 0,4 и 6 кВ и совершенствование средств их релейной защиты: Автореф. дисс. ... докт. техн. наук. – Новочеркасск. – 1999. – 33 с.

15.Минаков В.Ф. Производственная волновая функция // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 10-1 (29). – С. 22-25.

16.Минаков В.Ф. Производственная функция в логистических потоках // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2014. – № 11-3 (30). – С. 55-58.

17.Минаков В.Ф. Экономическая волнометрика воспроизводства // Nauka-rastudent.ru. – 2015. – № 2 (14). – С. 5.

18.Минаков В.Ф., Лобанов О.С. Концепция облачного информационного пространства исполнительных органов государственной власти региона // Экономика, статистика и информатика. Вестник УМО. – 2014. – № 3. – С. 181–185.

19.Минаков В.Ф., Лобанов О.С., Минакова Т.Е. Аналоговые и дискретные метрики и модели оценки инноваций // Материалы 3-й научно-практической internet-конференции Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики. – Ульяновск. – 2014. – С. 280-287.

20.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Исследование динамики производства электроэнергии региона // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2005. – № 4. – С. 74-77.

21.Минаков В.Ф., Минакова Т.Е. Способ быстродействующей защиты электродвигателей от несостоявшихся пусков // Альманах современной науки и образования. – 2013. – № 9 (76). – С. 113-115.

22.Минаков В.Ф., Остроумов А.А., Радченко М.В. Системный анализ логистических потоков // Экономика, статистика и информатика. Вестник УМО. – 2015. № 2. – С. 199-201.

23.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Блочная структура релейной защиты и автоматики // Альманах современной науки и образования. – 2013. – № 10 (77). – С. 114-116

24.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Открытая архитектура релейной защиты и автоматики // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 12-1 (19). – С. 110-111.

25.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Параллельная работа кабельной и воздушной линий электропередачи // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-1 (18). – С. 113-114.

26.Минакова Т.Е., Минаков В.Ф. Синергия энергосбережения при высокой добавленной стоимости продукции // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 4. – С. 26.

27.Минакова Т. Е., Минаков В. Ф. Энергосбережение – мультипликатор эффективности экономики // Международный научно-исследовательский журнал = Research Journal of International Studies. – 2013. – № 11-2 (18). – С. 60-61.

28.Патент 2117380 Российская Федерация, МПК6 H 02 P 5/04. Устройство для защиты электро- и технологического оборудования / Минаков В.Ф., Платонов В.В., Минаков Е.Ф., Минакова Т.Е., Шарипов И.К., Андреев В.Г., Сыщиков В.П.; патентообладатель Ставроп. с./х. ин-т. – № 93027024/09; заявл. 25.05.93; опубл. 10.08.98.

29.Хорольский В.Я. Медведев А.А., Жданов В.Г.. Задачник по эксплуатации электрооборудования. – Ставрополь: СГСХА. – 1997. – 168 с.