ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ
ТЕХНИЧЕСКОЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Техническая диагностика — наука о методах и средствах распознавания технического состояния и обнаружения неисправностей (дефектов) изделий.
Техническое диагностирование — это процесс распознавания состояния объекта, конечным результатом которого служит заключение о техническом состоянии объекта, то есть какой-либо технический диагноз: асинхронный двигатель исправен, в обмотке фазы С1...С4 имеется витковое замыкание; изоляция увлажнена и т. п.
Диагностические и контролируемые параметры (признаки) — это характеристики объекта, используемые для определения его технического состояния. Определяющие диагностические параметры — параметры, по которым получают наиболее полные сведения о работоспособности объекта, оценивают его состояние в
целом (например, по температуре нагрева двигателя судят о его общем состоянии). По вспомогательным параметрам оценивают лишь отдельные свойства объекта или место неисправности (например, по сопротивлению изоляции судят лишь о состоянии электрической части электрооборудования).
Способ (алгоритм) диагностирования — это совокупность и последовательность действий (экспериментов), позволяющих определить техническое состояние объекта. При эксперименте на объект подают некоторое воздействие и измеряют диагностические параметры или контролируют диагностические признаки. По результатам наблюдений определяют состояние объекта. Например, испытывая изоляцию повышенным напряжением и наблюдая за током утечки, делают заключение об ее исправности.
Системы диагностирования (СД) — это совокупность объекта, способов и средств диагностирования. По назначению и виду решаемой диагностической задачи их условно разделяют на профилактические, дифференциальные, функциональные и прогнозирующие.
Профилактические СД предназначены для выявления в процессе эксплуатации дефектных деталей и элементов, выработавших свой ресурс, т. е. тех элементов объекта, параметры которых близки к предельно допустимым значениям (для выявления слабых мест объекта без вывода его в ремонт). С этой целью систематически проводят плановые профилактические испытания.
Дифференциальные СД служат для обнаружения отдельных неисправностей при плановом техническом обслуживании и ремонте электрооборудования. По полученным результатам уточняют вид необходимого ремонта (текущий или капитальный) и состав его операций. Для дифференциального диагностирования применяют приборы общего и специального назначения. Простейшими омметрами (мегаомметрами) выявляют неисправности — обрыв, замыкание в проводах, контактах, изолирующих и других элементах электрооборудования. Специальными приборами контроля влажности (ПКВ) определяют степень увлажнения изоляции, а приборами типа высокочастотного измерителя (ВЧФ) — витковые замыкания в обмотках электрических машин. Кроме того, дифференциальное диагностирование проводят при помощи таблиц характерных неисправностей, которые есть в справочной литературе или в техническом описании конкретного электрооборудования.
Функциональные СД предназначены для оценки качества функционирования и работоспособности путем определения комплекса эксплуатационных свойств (характеристик) электрооборудования при контрольных, типовых или специальных испытаниях и сопоставления их с номинальными или нормируемыми значениями. Например, при контрольных испытаниях асинхронного двигателя определяют сопротивление обмоток постоянному току, сопротивление изоляции, ток и потери холостого хода, напряжение и потери короткого замыкания. Если измеренные параметры находятся в пределах установленных допусков, то двигатель признают работоспособным.
Прогнозирующие СД позволяют предсказать состояние изделия в будущем и определить вероятный момент появления отказа. Для этого оценивают остаточный ресурс элементов на основании информации о закономерностях изменения параметров в период, предшествующий прогнозу. Например, для подшипника известно фактическое и предельное значение зазора. Разделив разность этих значений на скорость изнашивания подшипника, получают его остаточный ресурс, по которому легко определить ожидаемую дату отказа подшипника. Однако надежное прогнозирование освоено лишь для простейших случаев. При эксплуатации электрооборудования создание прогнозирующих СД связано с рядом методических трудностей, обусловленных сложностью процессов старения и износа электроустановок.
В известной мере прогнозирование реализуют при профилактическом испытании, так как статистические данные подтверждают высокую вероятность безотказной работы до очередного испытания того электрооборудования, которое успешно выдержало текущее профилактическое испытание.
Одно из главных направлений дальнейшего совершенствования технической эксплуатации энергооборудования в сельском хозяйстве — более широкое внедрение в практику СД. Уже сейчас в целом в профилактической системе ППР и ТО (планово-предупредительные ремонты и техническое обслуживание) предусмотрен для отдельных видов электрооборудования в составе работ по техническому обслуживанию контроль с целью прогнозирования его состояния до следующего технического обслуживания. В последующем с помощью СД можно перейти к более прогрессивной послеосмотровой эксплуатации.
ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Рассмотрим профилактические испытания на примере электрооборудования. Электрооборудование, как отмечалось ранее, состоит из неравнопрочных элементов, имеющих различные долговечности. Выход из строя любого элемента приводит к отказу всего электрооборудования и наносит ущерб производству. Особенно опасны непредвиденные отказы. С целью исключения таких отказов, своевременного выявления и замены элементов с ухудшенными свойствами проводят профилактическое диагностирование, которое в энергетике называют профилактическим испытанием или контрольным измерением. В соответствии с ПТЭ-86 и методическими указаниями по организации эксплуатации энергетического оборудования в сельскохозяйственных предприятиях профилактические испытания проводят как самостоятельный вид работ в дополнение к испытаниям, входящим в состав технического обслуживания и ремонтов.
При профилактических испытаниях основное внимание уделяют изоляции, поскольку она самый слабый элемент электрооборудования и вызывает наибольшее число отказов. При испытании основных видов электрооборудования сельскохозяйственных предприятий измеряют сопротивления изоляции в соответствии с указаниями, приведенными в таблице 7.1. Кроме измерения сопротивления изоляции, в состав профилактических испытаний для некоторых видов электрооборудования в те же сроки входят и другие операции.
7.1. Норма и сроки профилактического измерения сопротивления изоляции электрооборудования
ют состояние индикаторного силикагеля воздухосунишьных фильтров (он должен иметь равномерную голубую окраску зерен).
Для трансформаторов мощностью свыше 630 кВ • А, работающих с термосифонными фильтрами, дополнительно испытывают трансформаторное масло не реже одного раза в пять лет (без фильтров — один раз в два года). При этом определяют пробивное напряжение, содержание механических примесей, кислотное число, снижение температуры вспышки масла по сравнению с предыдущим анализом.
Для воздушных линий проверяют габаритные размеры, изоляторы, места соединения проводов, степень загнивания деталей деревянных опор и срабатывание защиты линий. Объем и сроки испытаний регламентированы местными инструкциями.
Для асинхронных двигателей проверяют срабатывание максимальной защиты путем измерения полного сопротивления петли «фаза-нуль» с последующим определением тока однофазного короткого замыкания.
В электродных водонагревателях (котлах) измеряют удельное сопротивление воды и добиваются, чтобы оно было в пределах 10...50 Ом • м при 20 °С; проверяют действие защитной аппаратуры котла.
Для защиты электроустановок проводят профилактические измерения сопротивления заземляющих устройств, в сроки, установленные системой ППР и ТО, но не реже одного раза в три года. Чтобы получить надежные результаты, измерения рекомендуют проводить в периоды наибольшего удельного сопротивления грунта. Сопротивление повторных заземлителей нулевого провода должно быть не более 30 Ом при удельном сопротивлении грунта р < 100 Ом • м (не более 0,3 р при р > 100 Ом • м), а нейтралей трансформаторов и генераторов — не более 4 Ом при р < 100 Ом • м (не более 0,04 р при р > 100 Ом • м). Заземлители электрических котельных должны иметь сопротивление не более 4 Ом.
Для защиты персонала проводят выравнивание электрических потенциалов. Устройства выравнивания электрических потенциалов ежегодно проверяют на напряжение прикосновения и шага или на целостность проводников, доступных для осмотра.
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ИЗОЛЯЦИИ
Под действием электрического поля в изоляции происходят сложные процессы. Во-первых, из-за присутствия в диэлектриках свободных зарядов, обусловленных примесями и дефектами строения, в изоляции всегда возникает ток сквозной проводимости /из, во-вторых, происходит замедленная поляризация, т. е. смещение и поворот связанных дипольных молекул, создающих ток абсорбции. В-третьих, происходит мгновенная поляризация, представляющая собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов и создающая ток смещения /с.
Для изучения перечисленных процессов используют схему замещения изоляции, показанную на рисунке 7.1, а. Резистор Rm характеризует сопротивление сквозному току; конденсатор Саб — емкость, обусловленную дипольной поляризацией; конденсатор Сг — емкость электронной поляризации (геометрическая емкость); резистор i?a6 — эквивалентные потери при дипольной поляризации.
На рисунке 7.1, б показаны зависимости токов, протекающих по изоляции, от времени нахождения под постоянным напряжением. Как видно, ток абсорбции затухает по мере завершения процессов замедленной поляризации, а ток сквозной проводимости сохраняется неизменным. Токи смещения столь кратковременны, что обычно их не учитывают. Суммарный ток i имеет затухающий характер.
Истинное сопротивление изоляции зависит от сквозного тока и его определяют по формуле
U
где U— приложенное напряжение, В; / — суммарный ток, А; /аб ~ ток абсорбции, А.
Поскольку измерение /аб связано с определенными трудностями, сопротивление изоляции рассчитывают как частное от деления напряжения на значение тока, установившегося через минуту после включения напряжения. К этому моменту ток /аб затухает и не вносит погрешность. Если же измерение проводить при меньшей выдержке времени, то может создаться неправильное представление о сопротивлении изоляции.
Для исправной изоляции в ПУЭ и ПТЭ установлены нормативы, характеризующие параметры схемы замещения. Например, наименьшее допустимое сопротивление (МОм) изоляции электро-
двигателя номинальной мощностью Рн (кВт) и напряжением свыше 1000 В при рабочей температуре определяют по выражению
где U4 — номинальное линейное напряжение, В.
При эксплуатации электрооборудования его изоляция подвергается влиянию рабочего напряжения, кратковременным перенапряжениям от грозовых разрядов и коммутационных операций, механическим и тепловым нагрузкам, загрязнению, увлажнению и другим неблагоприятным воздействиям. В результате этого свойства изоляции непрерывно ухудшаются.
Из схемы замещения видно, что от качества изоляции зависят значения токов утечки, абсорбции, смещения и мощности потерь в цепи ^абСаб- Поэтому их принимают за диагностические параметры изоляции. Дополнительно используют характеристики электрической прочности. Задача диагностирования состоит в том, чтобы определить фактические значения параметров и сравнить их с соответствующими нормами.
Основные способы диагностирования изоляции — измерение сопротивлений изоляции, измерение емкости изоляции, измерение диэлектрических потерь, испытание повышенным напряжением переменного или постоянного тока.
Определение увлажненности изоляции по коэффициенту абсорбции. Пусть изоляцию некоторого электрооборудования, например электродвигателя, моделируют схемой замещения (рис. 7.1, а). Из предыдущего рассмотрения процессов электропроводности и поляризации следует, что для заведомо сухой изоляции в процессе измерения суммарный ток /сух будет резко затухать (рисунок 7.8). У влажной изоляции такого же двигателя суммарный ток /M больше и будет затухать медленнее, потому что из-за увлажнения прирост тока сквозной проводимости больше, чем прирост тока абсорбции. Описанный характер изменения суммарного тока определяет динамику сопротивления изоляции. При постоянном напряжении мегаомметра сопротивление сухой изоляции /^ух ПРИ измерении будет резко увеличиваться, а сопротивление влажной Лш будет возрастать незначительно. Следовательно, по состоянию сопротивления изоляции в зависимости от продолжительности измерения можно определить, увлажнена изоляция или нет.
Определение местных дефектов изоляции по частичным разрядам. Электрическое поле в области исправной изоляционной системы содержит основную гармонику. При появлении в изоляции каверн, расслоений, трещин и других дефектов равномерность поля в них нарушается, возникают частичные разряды, создающие высокочастотные колебания. Обнаружение этих колебаний при помощи специального прибора (индикатора частичных разрядов — ИЧР) позволяет выявить наличие дефектов, а в отдельных случаях место их расположения. Принцип действия ИЧР основан на использовании воздействия электрических нестационарных процессов, сопровождающих разряды, на электрический колебательный контур или антенну, усилитель и измерительный прибор.
Алгоритм диагностирования состоит в следующем. На изоляцию подают повышенное напряжение. Приемным колебательным контуром или антенной ИЧР исследуют пространство вокруг изоляционной системы. При этом измерительный прибор ИЧР позволяет зафиксировать высокочастотные колебания и вьювить место, где они имеют наибольший уровень. Обычно это место совпадает с местным дефектом. Известны схемы, в которых ИЧР подключают к исполнительной цепи через разделительный конденсатор.
Определение местных дефектов изоляции по току сквозной проводимости. В исправной изоляции ее сопротивление сохраняет постоянное значение в большом диапазоне измерения испытательного напряжения. При "появлении местных дефектов сопротивление снижается по мере увеличения напряжения. В зависимости от степени развития и характера неисправности изоляции снижение
сопротивления начинается при различных напряжениях. Таким образом, исправная изоляция имеет линейную, а неисправная — нелинейную вольтамперную характеристику.
Изоляцию проверяют в следующей последовательности. Подключают через микроамперметр обмотку одной из фаз к регулируемому источнику переменного напряжения. Плавно увеличивают напряжение до 1200 В и записывают ток утечки /j. Затем повышают напряжение до 1800 В и записывают ток утечки 12. Аналогичные измерения проводят для остальных фаз. Когда нулевая точка обмотки недоступна, то к источнику подключают один из выводов обмотки, т. е. испытывают сразу изоляцию трех фаз. Изоляцию считают исправной, если при повышении напряжения не наблюдают бросков тока; ток утечки при напряжении 1800 В не превышает 95 мкА для одной фазы (230 мкА для трех фаз); относительное приращение токов не более 0,9; коэффициент несимметрии токов утечки ^фаз не превышает 1,8.
Определение износа изоляции по значению диэлектрических потерь. Из схемы замещения изоляции (рис. 7.1, а) видно, что при подаче переменного напряжения U установившийся ток будет иметь две составляющие: /а — активный ток, зависящий от сопротивления изоляции RK3; Iq — реактивный ток, зависящий в основном от реактивной проводимости абсорбционной ветви R^C^q и частично от емкости электронной поляризации (геометрическая емкость) Сг. Потребляемая мощность также будет иметь две составляющие, одна из которых — мощность диэлектрических потерь
| Диэлектрические потери зависят от вида диэлектрика и от его состояния. Тепловой износ, посторонние включения и влага ухудшают качество изоляции, что приводит к увеличению tgδ по сравнению с новой изоляцией. Поэтому по значению tgδ можно определить степень износа изоляции. Диагностирование изоляции по tgδ используют для определения состояния в основном высоковольтного электрооборудования. Для измерения угла диэлектрических потерь применяют схему высоковольтного моста или схему с ваттметром. Последняя проста и удобна, однако ее недостаток в том, что получают меньшую точность измерений, чем при помощи схемы моста.
Зависимость сопротивления изоляции от температуры. Сопротивление изоляции — величина изменчивая, поскольку зависит от многих факторов. Наибольшее влияние на нее оказывают температура и влажность, с увеличением которых сопротивление изоляции снижается. Цель измерения сопротивления изоляции — установление возможности проведения испытаний машины или включения ее в сеть без риска повреждения.
Такие измерения проводят мегаомметром, который содержит источник питания постоянного напряжения. Если применяют мегаомметр с генератором постоянного тока, то его ручка должна вращаться непрерывно и равномерно, пока стрелка прибора не установится; при всяком замедлении или перерыве во вращении обмотка разряжается через мегаомметр на корпус, что затягивает измерение или вызывает дополнительные погрешности, особенно для обмоток крупных машин, имеющих значительную емкость.
Основной критерий суждения о допустимом состоянии изоляции обмоток — сравнение сопротивления изоляции в процессе эксплуатации. При этом температура, при которой проводят измерения, должна быть одинаковой, т. е. t\ = 12 — ... = tn, где и — очередной номер измерений, а продолжительность измерения должна быть равна 1мин.
Если сопротивление изоляции уменьшилось более чем на 30 % по сравнению с предыдущим, то сопротивление изоляции считают недопустимым. Более подробно объем, периодичность и другие нормы испытаний электрооборудования приводят в первом разделе ПУЭ. Здесь указано, что при температуре изоляции, равной 25...30 °С, ее сопротивление должно быть не меньше определяемого по формуле (7.1), но не менее 0,5 МОм.
Полное заключение о состоянии изоляции делают по совокупности результатов измерений. Но в ряде случаев выделяют отдельные параметры, по которым в некоторых условиях достаточно полно оценивают качество изоляции. Такой подход оправдан для выявления конкретных неисправностей изоляции (увлажнение, старение и т. п.).
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КОНТАКТОВ
Электрическая цепь любого электрооборудования содержит различные элементы, которые между собой соединены при помощи электрических контактов. Например, в низковольтной сети на один трехфазный электроприемник в среднем приходится около 60 электрических контактов. От состояния любого из них зависит работоспособность всей электроустановки. Поэтому регулярный контроль электрических контактов — важная составная часть работ по обеспечению высокой надежности электрооборудования.
Электрическим контактом называют место перехода тока из одной токоведущей части в другую. По своему назначению контакты разделяют на соединительные и коммутирующие. Первые из них служат только для соединения различных элементов электрической цепи, а вторые предназначены для включения, отключения и переключения электрической цепи.
Известно большое число конструктивных исполнений контактов.
Соединительные контакты разделяют на разборные (болтовые, винтовые, клиновые) и неразборные (сварные, паяные, клепаные и т. п.).
Коммутирующие контакты классифицируют по признаку подвижности (подвижные, неподвижные), по степени подвижности (самоустанавливающиеся, несамоустанавливающиеся), по геометрической форме (точечные, линейные, поверхностные), по виду охлаждения (естественное, искусственное), по назначению (главные, дугогасительные, дополнительные) и по другим признакам.
Параметры контактов. Состояние контактов оценивают доопределяющим или вспомогательным параметрам. К первым из них относят переходное сопротивление, падение напряжения и температуру нагрева контактов, а ко вторым — площадь соприкосновения, раствор, провал и усилие сжатия контактов.
Переходным сопротивлением контакта называют дополнительное сопротивление в месте перехода тока из одной контактной поверхности в другую, обусловленное, во-первых, сужением площади сечения контакта в неровностях поверхности, во-вторых, сопротивлением газовых и масляных пленок, а также пыли, адсорбированных поверхностью контакта. Значение переходного сопротивления зависит от многих факторов, главные из которых — микрорельеф, усилие сжатия и материал контактной поверхности.
Допустимое падение напряжения на переходном сопротивлении контакта зависит главным образом от материала контакта, и его выбирают из условия отсутствия размягчения металла контактов, работающих в номинальном режиме. Для низковольтной аппаратуры установлены следующие допустимые падения напряжения на контакте: серебро — 0,01...0,02 В, медь — 0,01...0,03 В, алюминий—0,01...0,04 В, железо —0,02...0,05 В.
Сопротивление контактов не остается постоянным в процессе эксплуатации. Оно представляет собой источник дополнительных потерь, и поэтому температура контактной поверхности всегда выше температуры прилегающих проводников. Под действием кислорода это приводит к образованию на поверхности металла пленки, толщина которой с течением времени увеличивается, что ведет к росту переходного сопротивления и дополнительному нагреву. В некоторый момент времени под действием температуры и электрического поля пленка разрушается и переходное сопротивление падает до первоначального значения. Затем процесс повторяется вновь и вновь. Но в некоторых случаях такое самоочищение не происходит, контакт может разогреться и выйти из строя.
Для надежной работы контактов необходимо строго соблюдать установленные нормы для температуры нагрева: коммутирующие контакты из меди без покрытия — 85 "С, с серебряным покрыта-
ем — 240 °С; соединительные контакты внутри аппаратов из меди — 95 °С, с покрытием неблагородными металлами — 105 °С, с серебряным покрытием — 135 0С (при расчетной температуре окружающей среды 45 °С).
Площадь соприкосновения контактов характеризует качество их настройки или степень износа. В исправном состоянии фактическая площадь соприкосновения составляет не менее 70 % номинальной площади контакта.
Раствором контактов называют наибольшее расстояние между поверхностями соприкосновения при разомкнутом состоянии контактов. В зависимости от типа аппарата эта величина может быть от 3 до 50 мм.
Провалом контактов называют расстояние, на которое перемещается подвижный контакт, не теряя соприкосновения с неподвижным контактом при размыкании или замыкании цепи. Для низковольтных аппаратов провал составляет 3...6 мм.
Измерение параметров. Переходное сопротивление контактов измеряют при постоянном или переменном токе. Для этого используют микроомметры, двойные мосты или применяют схемы с милливольтметром. У нового контакта переходное сопротивление не должно превышать сопротивления целого эквивалентного участка проводника в 1,2 раза. В процессе эксплуатации допускается увеличение сопротивления, но не более чем в 1,8 раза по сравнению с начальным значением.
Падение напряжения на переходном сопротивлении измеряют милливольтметром или гальванометром, пропуская через контакт номинальный постоянный ток. Для этого используют различные нагрузочные установки. Сельские электротехнические службы для этого оснащают универсальными стендами, которые позволяют определить падение напряжения, а также выполнить ряд других операций.
В исправном контакте отношение падения напряжения на нем к падению напряжения на целом эквивалентном участке не должно превышать 1,1...1,2. Если в процессе эксплуатации это отношение превысит 1,7, то необходимы ремонт или замена контакта.
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ
И ТЕКУЩЕМ РЕМОНТЕ
Создание новых способов и средств диагностирования позволит в будущем перейти к прогрессивной послеосмотровой технической эксплуатации электрооборудования. На современном этапе есть предпосылки для внедрения отдельных систем диагностирования, которые позволяют уточнять объемы ремонтных работ и сроки их проведения, а также определять исправность электрооборудования при списании электрифицированной техники
Для развития этого направления разработаны рекомендации по организации ремонта и технического обслуживания электрооборудования на основе диагностирования. В них обобщены способы диагностирования основных видов электрооборудования и увязаны с типовым составом работ при их техническом обслуживании и текущем ремонте.
При техническом обслуживании диагностирование проводят с целью оценки технического состояния (работоспособности) и подтверждения, что электрооборудование не требует ремонта до очередного технического обслуживания. Объем диагностирования в этом случае ограничен измерением минимального числа параметров, несущих информацию об общем техническом состоянии электрооборудования.
При текущем ремонте диагностирование проводят с целью определения остаточного ресурса основных узлов и деталей, установления необходимости их замены или ремонта, а также для правильного принятия решения о сроках капитального ремонта электрооборудования.
|