5 УДК 621.317.63 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ОБМОТОК ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Докт. техн. наук БРАНОВИЦКИЙ И. И., РАЗМЫСЛОВИЧ Г. И., МАЦКЕВИЧ П. Д. Институт прикладной физики НАН Беларуси Надежность и долговечность электроэнергетического оборудования в значительной степени определяются состоянием его обмоток, например вероятностью образования в них витковых замыканий. Появление послед- них обычно связано с развитием внутренних дефектов изоляции благодаря воздействию вибраций, температуры и других факторов, вызванных усло- виями эксплуатации. Наличие короткозамкнутых контуров (КЗК), сцеп- ленных с основным магнитным потоком в сердечнике, существенно ухуд- шает технические характеристики электрооборудования и надежность его работы. Из сказанного вытекает практическая необходимость и важность проведения работ по изучению влияния КЗК на электрические процессы в обмотках электрооборудования, разработке и развитию методов и средств их диагностирования. Известен ряд методов и средств выявления КЗК, в том числе: Z-метод, где контролируемым параметром является комплексное сопротивление обмотки; импульсный метод получения испытательного напряжения – де- фектная катушка определяется по наличию ЭДС самоиндукции; векторный метод, где контролируемым параметром является сдвиг фаз между сетевым напряжением и током в измерительной катушке, и другие. Для повышения чувствительности методов к КЗК осуществляют: подбор частоты испыта- тельного импульса, близкой к резонансной частоте испытуемой обмотки [1]; задание оптимального значения тока и частоты в частотно-задающей цепи, что приводит к росту чувствительности измеряемого сигнала к КЗК в фазных обмотках и отстройке от влияния технологического разброса их параметров [2]; компенсацию различия емкостных параметров сравнивае- мых фазных обмоток через фазовую подстройку колебательного контура [3]; построение импульсной последовательности в моменты перехода ко- лебательного процесса через нуль [4, 5] и т. д. Однако рассмотренные и другие используемые методы, а также реали- зующие их средства диагностики обмоток электрооборудования являются, э л е к т р о э н е р г е т и к а 6 как правило, системами индикаторного типа, т. е. работают в режиме «да – нет», и требуют повышения информативности и чувствительности к выяв- ляемому дефекту. Это обусловливает необходимость разработки и разви- тия методов и средств для перехода к количественным методам диагности- рования, что позволило бы более полно идентифицировать дефекты обмо- ток, в том числе повысить их выявляемость, оценивать характер витковых замыканий, их местонахождение и т. д. В данной работе изложены методи- ка и результаты исследований, содержащие дополнительную информацию о влиянии КЗК на переходные электрические процессы в обмотках элек- тродвигателей, и приведены сведения о разработанном с учетом этих ре- зультатов приборе для выявления витковых замыканий. Указанный прибор функционально позволяет измерять значения основных параметров переход- ных процессов в обмотках и изменение этих значений, обусловленное КЗК. Рассмотрим колебательный контур C1L1R1C2L2R2, где L2 – испытуемая, например, статорная обмотка электродвигателя; R2 – токосъемный рези- стор; С2 – высоковольтный конденсатор; R1 – токовый резистор; L1 – демп- фирующая катушка; С1 – дополнительный конденсатор (рис. 1). Определим переходные значения тока и напряжения в указанной цепи при воздействии на нее напряжения синусоидальной формы при коммутации ключа К из положения 1 в 2. Пусть испытуемая обмотка L2 содержит КЗК. Это, как известно, приводит к уменьшению ее индуктивности L2 на некоторую ве- личину ∆L. До переключения ключа К из положения 1 в 2 в цепи протекает синусоидальный ток tIi m sin . (1) Напряжение на обкладках конденсатора С2 изменяется по закону tIXU mCC sin(22 90 ). (2) U 1 2 C1 L 1 R1K C2 L 2 R2 Выход Рис. 1. Схема возбуждения затухающих электрических колебаний Переходный процесс в контуре C1L1R1C2L2R2 после переключения клю- ча К в положение 2 можно описать законом Ома в операторной форме. Пусть в момент времени 0t ток и напряжение переходного процесса соот- ветственно равны 0i и 0 2C U . Внешнего источника ЭДС в контуре нет, по- этому внутренние ЭДС запишем в виде p U iLLpE C 0 02 2 . (3) K R1 R2 C2 C1 L2 7 Операторное сопротивление контура 21 21 2121 CpC CC LLLpRRpZ . (4) Имея в виду, что LL2 >> 1L , и вводя обозначения ,21 RRR 21 21 CC CC C , закон Ома в операторной форме запишем 122 0 0 02 2 pLLCpCR iLpCCUiLpC pZ pE pI C . (5) Для нахождения из (5) образа тока pI применима вторая теорема раз- ложения [6] 2 1k tp k keA pF pP pI , (6) где k k k k pdp pdF pF pF pP A ;; – корни знаменателя в (5). Решая уравнение 0pF и имея в виду, что параметры колебательного контура подобраны таким образом, что выполняется условие 2)(CR << 24CL , полу- чим комплексные выражения для 1p и 2p [7]: LLC j LL R p 22 1 2 ; (7) LLC j LL R p 22 2 2 , (8) где j – мнимая единица. Вычисляя Аk с учетом (7) и (8), получим из (6) выражение для оригина- ла тока переходного процесса LLC CRi LLC t iee pF pP e pF pP ti t LL R tptp 2 0 2 0 2 2 2 1 1 2 cos221 LLC t LLC CUC 22 0 sin2 . (9) В случае, когда обмотка L2 не имеет КЗК, выражение (9) упрощается и имеет вид 2 0 2 0 22 0 2 sin 2 cos 2 2 CL t U L C i R L C CL t ieti C t L R . (10) 8 Сравнение (9) и (10) показывает, что КЗК уменьшает характеристиче- ское сопротивление C L испытуемой катушки, а значит, и доброт- ность R Q всего колебательного контура. Частота свободных колеба- ний контура CL 1 , как и декремент затухания L R 2 , увеличивается. В результате скорость затухания переходного процесса в рассматриваемом колебательном контуре в целом растет. С учетом изложенного анализа было экспериментально исследовано влияние КЗК на переходные процессы в обмотках статоров трех- и одно- фазных электродвигателей. В каждый паз статора дополнительно вклады- вался отдельный виток, который можно было замыкать и размыкать, со- здавая разное число КЗК в обмотке. При этом испытуемая обмотка статора индуктивностью L2 была включена в колебательный контур C1L1R1C2L2R2 (рис. 1), в котором возбуждались свободные колебания. Осциллограммы затухающих колебаний в указанном контуре при различном числе КЗК в обмотке L2 и при их отсутствии представлены на рис. 2. Программно реализуемые методики, созданные при проведении исследований, обес- печивали нахождение и визуализацию разностного сигнала, получаемого при взаимном вычитании кривых затухающих колебаний в отсутствие и при наличии КЗК. На рис. 3 представлены осциллограммы разностных сигна- лов при различном числе КЗК в обмотке L2 статора электродвигателя. Из рис. 3 видно, что кривые разностных сигналов, непосредственно обуслов- ленных влиянием КЗК на затухающие колебания в контуре, имеют макси- мумы. Это области максимальной чувствительности переходных процессов в колебательном контуре к влиянию КЗК. -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 0 1 2 3 4 5 6 7 t, мс U, В Рис. 2. Затухающие колебания в контуре при: 1 – отсутствии КЗК; 2 – 1 КЗК; …; 13 – 12 КЗК На основе проведенных исследований и анализа их результатов, в том числе представленных выше, была разработана методика диагностирова- ния обмоток одно- и трехфазных электродвигателей, применимая и для диагностирования электрооборудования более широкой номенклатуры. Указанная методика диагностирования реализована на аппаратном и про- граммном уровнях в приборе ДО-1 (рис. 4). 1 13 2 t, мс – – – – U, B 9 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0 1 2 3 4 5 6 7 t, мс ΔU,В Рис. 3. Разностный сигнал затухающих колебаний в контуре при: 1 – 1 КЗК; …; 12 – 12 КЗК Рис. 4. Прибор для диагностики обмоток электрооборудования ДО-1 Прибор имеет встроенный микроконтроллер, который осуществляет управление системой возбуждения переходных процессов, считывания данных с АЦП, обработки первичной информации, ее сохранения в энер- гонезависимой памяти, вывода результатов диагностирования на ЖКИ, а также обеспечение связью с персональным компьютером. Методически прибор ДО-1 позволяет проводить визуальное сравнение и анализ кривых затухающих колебаний в испытуемых обмотках с эталонными, записанны- ми в память прибора, а также их разностных сигналов. При этом на табло могут отображаться численные значения основных параметров затухаю- щих колебаний и разностного сигнала, в том числе в области максималь- ной чувствительности переходных процессов к влиянию КЗК. Все это су- щественно повышает чувствительность и информативность прибора, так как позволяет качественно и количественно анализировать как затухающие колебания в целом, так и разностный сигнал, т. е. их составляющую, непо- средственно обусловленную влиянием КЗК. В Ы В О Д Ы 1. Расчетным путем и экспериментально показано, что наличие корот- козамкнутых витков приводит к росту скорости затухания переходных процессов в обмотках электродвигателей. При этом скорость затухания указанных процессов и величина их разностного сигнала, получаемого при взаимном вычитании кривых затухающих колебаний в отсутствие и при 1 12 t, мс – – – U, B 10 наличии короткозамкнутых витков, растут с увеличением числа последних в испытуемых обмотках. Установлено, что кривые разностного сигнала имеют на временной оси максимумы, являющиеся областями наибольшей чувствительности переходных процессов к влиянию короткозамкнутых витков. 2. На основе результатов проведенных исследований разработана мето- дика диагностирования обмоток одно- и трехфазных электродвигателей, применимая и для диагностирования электрооборудования более широ- кой номенклатуры. Указанная методика реализована в созданном приборе ДО-1, позволяющем проводить визуальное сравнение и количественный анализ кривых затухающих колебаний в испытуемых обмотках с эталон- ными, записанными в память прибора, а также их разностных сигналов. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. С п о с о б контроля качества изоляции обмоток: а. с. 1404986 СССР, МКИ G 01R 31/06 / В. К. Горбунов, С. И. Крюков, Н. И. Суворов и В. Г. Тихобаев (СССР). – № 4152227/24-21; заявл. 26.11.86; опубл. 23.06.88 // Открытия. Изобрет. – 1988. – № 23. – С. 203. 2. У с т р о й с т в о для контроля фазных обмоток электрических машин: пат. № 2054687 РФ, МКИ G 01 R 31/06 / А. М. Марков, В. Ф. Лучук, И. С. Щукин (СССР). – № 5033990/07; заявл. 25.03.92; опубл. 20.02.96 // Открытия. Изобрет. – 1996. – № 5. – С. 202. 3. С п о с о б контроля изоляции обмоток статоров трехфазных электрических двигателей и устройство для его осуществления: а. с. 1797082 СССР, МКИ G 01 R 31/06 / О. А. Алекперов, Д. О. Оруджев, Н. Х. Худиев (СССР). – № 4833070/21; заявл. 24.07.91; опубл. 12.04.92 // Открытия. Изобрет. – 1993. – С. 199. 4. С п о с о б контроля витковых замыканий в обмотках электрических машин: а. с. 1592809 СССР, МКИ G 01 R 31/06 / В. Г. Тихобаев, Ю. К. Горбунов, В. И. Гуков, С. И. Крюков, Б. К. Левин, Я. Я. Соколов, Ю. Е. Городецкий (СССР). – № 4296629/24-21; заявл. 19.08.87; опубл. 15.09.90 // Открытия. Изобрет. – 1990. – № 34. – С. 216. 5. С п о с о б обнаружения виткового замыкания в обмотке якоря электрической машины: а. с. 1465829 СССР, МКИ G 01 R 31/06 / В. Д. Шевеленко, Ю. В. Суходолов, А. И. Мельников (СССР). – № 4117600/24-21; заявл. 16.09.86; опубл. 15.03.89 // Открытия. Изобрет. – 1989. – № 10. – С. 203. 6. В о д н е в, В. Т. Основные математические формулы / В. Т. Воднев, А. Ф. Наумович, Н. Ф. Наумович. – Минск: Вышэйш. шк., 1988. – 256 с. 7. К а м к е, Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям / Э. Камке. – М.: Наука, 1971. – 576 с. Поступила 7.07.2006