автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Информативность процессов ионизации в диагностических обследованиях изоляции тяговых двигателей локомотивов

и П С Р о

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СО(ЩЕН1!Я МГАПС - УЭМИИТ

На правах рукописи

ДУРАНДИН МИХАИЛ ГЕЛИЕВНЧ

УДК 621.333:658.50

ИНФОРМАТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ИОНИЗАЦИИ В ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ОБСЛЕДОВАНИЯХ ИЗОЛЯЦИИ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ

Специальность 05.22.07 - Подвитой состав «елезннх

дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1У!)4

Работа выполнена в Уральской государственной академии путей сообщения Российской Федерации ( УГАПС - УЭМИНТ ).

Руководитель - кандидат технических наук,доцент

ДЯДЬКО в1|ЛЁ ^андр'Тих я и лович] Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

чл.-корр. Электротехнической Академии РФ ИЯЗНЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ (Петербургский государственный университе1 путей сообщения); - кандидат технических наук, допент АНДРОСОВ НИКОЛАЯ НИКОЛАЕВИЧ (Уральское отделение ВНИИГГ).

Ведущее предприятие - Екатеринбургский электровозоремонтны!

завод.

Защита диссертации состоится •28- ¿МСЯ^йЯ №к г. в М- час. О О мин. на заседании специализированного Совета К 114.11.01 при Уральской государственной академии путей сообщена Российской Федерации по адресу : 620034. Екатеринбург, ул. Колмогорова. 66. ауд. 283.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 19Э4 г."

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу Совета института.

/ /)

Ученый секретарь

-».т.н., доцент

Специализированного Совета В.Е. ПОП^В

- 3 -

ОБЩЙЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актцальность работы. Наиболее аффективными путами решения проблей, связанными с повышением долговечности и эксплуатационной надежности современных локомотивов ж.д. транспорта, является со-верженствованне конструкций малонадежных излов и элементов, улучшение качества их изготовления и ремонта, а также разработка и внедрение систем технической диагностики.

Многолетний опыт эксплуатации отечественных локомотивов «.д. транспорта свидетельствует о том, что традиционно низким уровнем эксплуатационной надежности выделяется высоковольтная изоляция, в особенности, изоляция тяговых двигателей, пп причине пробоя которой происходит около 50% их отказов в эксплуатации.

Следует отметить, что стоимость изиляционных покрытий в современных двигателях составляет около 502 от об«ей стоимости материалов. расходуемых на их производство, а величина только прямых затрат на восстановление работоспособности йзоляционой системы двигателя после пробоя оценивается суммой расходов на капитальный ремонт всей электрической мамины.

В то же время, высоковольтная изоляция тяговых двигателей представляет гобой и наиболее сложный для диагностирования объект, что является одной и:) причин ограниченного внедрения методов технического контроля состояния изоляции к производственных условиях. Устоявшийся перечень средств контроля изоляции двигателей на сегодняшний день ограничивается 1 мин. высоковольтными испытаниями и контрольными замер.«ни сопротивления изоляции. При зтом признается. а статистические данные нодтвершдлет. что указанные методы не обеспечивают требуемого уровня надежности функционирования,изоляционных систгм лпкомотина.

Основная I/южно ,г;, диагностирования текучего состояния высо-ковольтнгй изол-ции состоит н количественной оценке степени развитости дефектов самого различного г.нойг.тьа. поскольку реальный про-цеи а а '¡г"'||.нк'чнч и |'.прнти!> < о г ипттсд широким спектром зкеп-лчатаци'тнн" |'агр;пс-1:|М. погорче ;а только реализуются случайным otli .ru,н, м I н. . иогиз-ы! на изоляции сложное влияние вза-

имообусловленного характера.

В то же время, результаты статистистических исследований говорят о то*, что проблема неразрушаюдего диагностирования изоляционных конструкций тяговых двигателей далека от разрешения да«е для наиболее простого - исходного, состояния изоляции, т.е. при отсутствии приобретенных в условиях эксплуатации повреждений.

Например, для условий Свердловской ж.д. доля приработочных отказов изоляции тяговых двигателей электровозов в обшем потоке пробоев за период эксплуатации между заводскими ремонтами доходит до В5;< (ДПЭ-400). Эго свидетельствует о низкой эффективности методик выходного контроля качества изготовления изоляционных конструкций на локомотивостроительных и ремонтных заводах, что привс дит к попаданию в эксплуатацию двигателей с изначально внесенным* дефектами изоляции и неоправданно больяому числу пробоев в началь ный период эксплуатации. Следует отметить, что характерные для указанных производств повреждения изоляции (проколы, прорези, cms тня и т.п.) относятся к т.н. группе "лекальных' дефектов, нанболг слояных в распознавании.

В диссертационной работе рассматривается возможность совер-яенствования неразрунаюцих методов контроля технического состоим изоляционных конструкций тяговых двигателей в исходном состоянии как средство г.ни!ения значительной части пробоев изоляции в эксплуатации по причине несовершенства технологий производства изоляционных покрытий. -

В качестве физической отправной модели при разработке метод» ки неразрушаюцего распознавания состояний изоляции тяговых двигателей, в работе рассматривался ионизационный механизм формирован! пробивных сечений. Обращение к явлению частичных разрядов в изолз ции (ЧР) обусловлено тем, что результаты научных исследований в смежных отраслях промышленности (электротехнической, кабельной и др.) свидетельствуют о высокой информативности процессов внутренней ионизации, как в общей плане, так и в распознавании дефектов локального характера. Применительно se к высоковольтным конструкциям подвижного состава ионизационные процессы во внимание I

принимались, поскольку преобладало имение о тон, что в изоляционных системах с рабочий напряжением ниже 5...6 кй 4P огсутптвупт н не участвуют в формировании пробивных состояний.

В работе показана несостоятельность таких представлений. С учетом того, что изоляционные конструкции тяговых машин имепт свои характерные особенности и явление 4P применительно к ним не рассматривалось, актуальной представлялась задача исследования общих закономерностей протекания процессов внутренней ионизации в изоляции существующих типов тяговых двигателей во всем диапазоне потенциальных нагружений, включая пробивные уровни.

Реализация проблемы осуществлялась в соответствии с отраслевым комплексным планом научно-исследовательских работ МПС - раздел 16.00.00 "Совершенствование технического обслуживания и ремонта локомотивов и мотор-вагонного подвианого состава, обеспечивавших их высикуп надежность и эффективность в эксплуатации", подраздел 16.15.00 "Совершенствование методов и средств послеремонтных испытаний". Календарные сроки проведения научных разработок неоднократно регламентировались приказами Министра Путей Сообщения о выполнении важнейших НИР отрасли (N 39/1! fil; H 46/Ц-8Л; H 36/Ц-83).

Цель работы. В работе решался следующий перечень задач, диагностической направленности :

- изучить закономерности и особенности развития процессов внутренней ионизации для исходного состояния изоляционных конструкций существующих типов тяговых двигателей локомотивов во всем диапазоне потенциальных погружений, включая пробивные уровни;

- выявить закономерности в изменениях параметров 4P в изоляционных системах тяговых двигателей при формировании пробивных состояний;

- обосновать выбор наиболее информативных признаков при диагностических обследованиях изоляции тип.них двигателей;

- предложить схемные решения устрийств для реализации диагностических обследований изопяции на основе выявленных признаков;

- разработать и внедрить » производство образцы диагностических устройств иерачруа.шщет контроля технического состояния изоляционных конструкций т;п оных л.пектродви! ателей.

Методика исследования . В основу исследований был положен комплекс натурных экспериментом на образцах изоляции якорных проводников промышленного изготовления. Окончательная проверка результатов исследований производилась в производственных экспериментах. В обработке результатов измерений использованы положения математической статистики и корреляционного анализа. Для физического объяснения полученных результатов и обоснования выводов исследований использовались положения теории поля, теории информации, физики диэлектриков, теоретических основ электротехники. Математическая обработка результатов экспериментов производилась с использованием современных ЭЦВМ.

Научная новизна. В работе получен ряд новых результатов:

- предложен новый методологический подход к разработке универсальных систем диагностирования технических состояний изоляции:

- доказана возможность и дана количественная оценка вероятности пиявления процессов внутренней ионизации в изоляции тяговых двигателей постоянного тока на рабочих уровнях корпусного напряжения:

- исследованы общие закономерности развития процессов внутренней ионизации для исходного состояния изоляции якорных проводников действующих типов тяговых электродвигателей:

- установлены закономерности в изменении динамики развития ЧР при формировании пробивного канала для исходного состояния изоляции тяговых электродвигателей;

- произведен сравнительный анализ диагностических ценностей различных параметров ЧР в распознавании пробивных состояний изоляционных конструкций тяговых двигателей;

- предложены алгоритмы распознавания пробивных состояний изоляции двигателей на ранних и заключительных стадиях формирования пробивных сечений;

- разработан новый способ выбраковки изоляционных образцов при групповом способе высоковольтных испытаний.

Практическая ценность :

- исследоьана ионизационная форма пробоя составных изоляционных конструкций тяговых двигателей локоыотивос в исходном состоянии.

Выявленные физические закономерности могут использоваться при разработке универсальных диагностических систем неразруващего конт-троля сложных состояний изоляции - т.е. при наличии множественных форм повреждений изоляционного объема в качестве составной части комплексных исследований;

- разработана новая конструкция датчика ЧР. устройство которого задияепо авторским свидетельством об изобретении;

- получены характерные для действующих типов изоляционных покрытий тяговых двигателей локомотивов уравнения регрессии основных параметров ЧР от уровней потенциального нагружения;

- разработан способ неразруващего контроля качества изготовления изоляционных конструкций тяговых двигателей локомотивов. новизна которого подтверждена авторским свидетельством об изобретении.

Реализация результатов работы. Разработанные модификации диагностических устройств для нераэрцвавщего контроля состояния изоляции якорных проводников при групповом способе высоковольтных испытаний и кругшосборочных изоляционных конструкций при индивидуальных испытаниях были внедрены :

• на Екатеринбургском здектровозоремонтноу заводе (участок испытания якорных проводников, участок испытания изоляции коллекторов, участок испытания якорей, испытательная станция проверки тяговых двигателей) подтвержденный головой .-жономический аффект -105 тыс. руб. н ценах 1!Н1У г.;

на Санкт-Петербургской заводе ни ремонту городского электротранспорта (участок испытании якорных проводников, испытательная станция проверки тяговых двигателей) - подтвержденный якоиомичес-кий эффект - 55 тыс. рун. н цепах. |!Ш!) г.;

- трех депо Свердловской «.д. (испытательные станции двигателей).

Приказом 1|3 ют П. ОЗЛИ за 1МГ/1П0) П1(ТГ> ЦТВР выполнено рабочее проектирование для опытной партии диагностических устройств контроля качества изготонппния милиции якорных проводников тяговых ¡(лекгродьигател^й при групшжпм ( пособи высоковольтных испытаний (разработка .) К ! Л <! 115/00 00НМ). Опытно»; внедрение диагностических уг.тройм I) (и ии1!1!'||'1,1111! 10 И1.1 ни сети электровозоремонт-

них заводов регламентировано приказом Министра Путей .Сообщения -И 48/Ц от 29.12.85.

Апробация работы. Результаты работы докладывались в служебной записке начальника Свердловской ж.д. Министру Путей Сообщения (от 30.03.90 за N ТТ-.134/98) и были одобрены в ответной письме зам. министра (от 14.05.90 за N Н-9599): научно-техническом совещании локомотивной секции Главного управления локомотивного хозяйства, научно-техническом совещании ЦТВР МПС. сетевом совещании главных инженеров локомотиво-ремонтных предприятий (1988); научно технических конференциях МНИТа (1900. 1981. 1994); ВДНХ (1987); УЭМИИТа (1981. 1982,1983. 1986 гг.). 90 ВНИИКТа молодых ученых и специалистов (1981. 1П83, 1985 гг.). ХабИИЯТа с 1983 г.). ОмИИТа (1989 г.).

Выставочный образец диагностического устройства демонстрировался на международной выставке "1елезнодорожный транспорт - 90".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства об изобретении.

Объе^работы. Диссертационная работа состоит из введения. 3 глав, заключения, списка использованных источников, приложения. Содержит )7^страниц машинописного тенета, 45* иллюстраций.

{9 таблиц. ДО наименований использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРВПНИЕ РАБОТ»

Во введении обосновывается актуальность проблемы повымения эксплуатационной надежности высоковольтной изоляции тяговых двигателей локомотивов. Формулируются основные задачи исследования, методы и этапы решения проблемы неразружающего диагностирования изоляционных конструкций.

В первой главе на основе статистического анализа эксплуатационной надежности функционирования изоляционных конструкций тяговых двигателей электровозов за 20-летний период выявлены характерные тенденции в изменении надежностных показателей изоляции и анализируются обуславливающие их причины.

Отказы изоляции в общем потоке повреждений тяговых двигателей продолжают оставаться наибольжими, как в относительных (около

45%). так и абсолютных показателях надежности (до 8 отк./млн.ки). Характерно, что переход с середины 70-х годов с термопластичных видов изоляции на термореактивные покрытия (ВЭС-2) не выявил положительных тенденций в средних показателях надежности изоляционных систем тяговых двигателей.

Проведенный анализ уровней интенсивности пробоев изоляции двигателей с различным эксплуатационный пробегом (для условий Свердловской ж.д.) показывает, что основная доля пробоев (до 652) приходится на период приработочных отказов. Объяснить эту негативную тенденцию можно тем. что термореактивные покрытия более чувствительны к механическим формам повреждений, которые в виде производственных дефектов характерны именно для условий изготовления изоляционных конструкций тяговнх двигателей. Низкая же эффективность существующих методов выходного контроля качества изготовления изоляционных покрытий не позволяет выявлять скрытые дефекты даже развитого характера. Поэтому, разработка и внедрение диагностических систем неразрувающего контроля состояний изоляции тяговых двигателей в системе ремонтных предприятий отрасли является одним из наиболее эффективных направлений повышения общего уровня надежности функционирования высоковольтных конструкций локомотивов.

Следует признать, что. несмотря на наличие большого числа научных исследований в области технической диагностики высоковольтной изоляции, их предполагаемая эффективность на стадии разработки не подтверждается практикой использования в реальных эксплуатационных условиях. И работе дается обзор известных методов диагностирования высоковольтной изоляции электрических машин большой мощности с точки зрения анализа правильности их методологического подхода к исследуемой проблеме.

Наибольшая трудность решения практических задач диагностирования состоит н количественной оценке одновременно протекающих в единои изоляционном обыгие. но ра>личных по механизмам реализации, процессов разрушения изоляционного барьера. Если проанализировать методологическую идеи большинства диагностических версий, то она сводится к иоказаюльеюу наличия устойчивых вероятностных связей

в системе : "параметр изоляции - уровень пробивного напряжения", т.е. предполагает существование физической обусловленности уровня рабочих возможностей изоляции от одного из показателей физических свойств изоляционного объема. Но с точки зрения физики пробивных явлений, такая модель заранее неправомерна, поскольку предполагает возможность отражения единственным параметром изоляции с равной степенью достоверности сразу нескольких не совпадающих по природе механизмов разрушения.

В работе предложено изменить постановку задачи при разработке диагностических систем изоляции универсального тина. Кратко основные положения предлагаемого подхода сводятся к следующему:

- построение диагностической модели должно производиться исходя из того положения, что. по существу дела, распознаванию подлежит не уровень пробивной прочности изделия - как ато формально трактуется в принятой вероятностной постановке задачи. Выявлению и измерению подлежат физические процессы разрушающего для изоляционного барьера характера. Это означает, что только знание уровня развития всех основных механизмов формирования пробивного состояния позволяет с определенной вероятностью судить об общем измерителе их совокупного разьития - уровне пробивной прочности;

поскольку механизмы развития прибоя реализуются посредством совокупности дефектов изоляционной структуры, то определению подлежат те формы дефекгообразований. которые представляют диагностируемый механизм пробоя. Перечень дефектообразований может варьироваться в зависимости, как от условий нагруяения, так и от природы использованных в конструкции изоляционных материалов:

- неизбежным этапом в обосновании диагностической модели должно быть изучение зависимостей между степенью развития выделенных видов дефект»образований и уровней электрической прочности конструкции. Поскольку снижение'уровня пробивной прочности не является простой суперпозицией влияния заложенных в конструкции повреждений, то статистические исследования должны устанавливать для конкретного состава изоляции зависимости множественной корреляции пробивного уровня прочности 6т количественного присутствии, как

каждого нэ выделенных видов повреждений. так и их сочетаний;

- основная слоиность построения диагностических систем изоляции связана с тем. что на практике исклпчается использование прямых метод количественной оценки степени повреаденности изоляционной структуры. Речь идет о возможности косвенных измерений дефек-тообразований по изменению физических свойств материала, не требующих разборки изделия. Поэтому количественному определению через косвенные измерители подлежит каждый из выделенных в данной диагностической модели видов дефектообразований. В отношении диагностических признаков в этой случае выдвигается требование максимальной избирательности к диагностируемому процессу старения;

- поскольку абсолютным показателем степени работоспособности изоляции признается только уровень пробивной прочности, то и количественная оценка совокупного развития диагностируемых процессов старения должна выражаться через снижение этой характеристики. Поэтому. разработка алгоритма распознавания состояния изоляционной системы сводится к отысканию формы математического выражения, устанавливающего зависимость уровня пробивного напряжения от полученных измерениями количественных значений выявленных признаков.

В строгом определении, данная форма должна представлять собой снс тему уравнений множественной корреляции, выражающих два уровня Функциональных зависимостей : пробивного напряжения от значений каждого из диагностических признаков, и весовых коэффициентов при оценивающих параметрах между собой;

для существенного повышении точности измерений, входными переменными диагностических моделей должны выступать относительные изменения диагностических признаков, выявляемые индивидуально по каждому объекту диагностировании. Наиболее эффективными представляются признаки, получаемые в ходе высоковольтных испытаний изоляции, поскольку н них содержится информация о траектории изменения координат состояния системы в условиях нагружения.

Эффективное решение обозначенной проблемы в полном объеме представляется возможным через последовательное расширение функциональных возможностей некоторой базовой системы, в качестве кото-

рой моют выступать система диагностирования изоляции двигателей в исходном состоянии. Это особенно актуально для локомотивострои-тельного и ремонтного производства. Поэтому в работе ставится задача именно в такой постановке и решается через совершенствование технологии проведения высоковольтных испытаний тяговых машин путем дополнения их программы диагностическими измерениями.

Основным видом дефектообразований для исходного состояния многослойных слюдосодерващих изоляций является их микро- и макропористость. 6 предварительных исследованиях к данной работе, где изучался вопрос об особенностях распределения электрических потенциалов по слоям изоляционной системы якорных проводников тяговых двигателей, было показано, что любые воздушные включения значительно искажают конфигурации внутреннего распределения полей, создавая условия для их ионизации. С другой стороны, хорою известно, что ЧР обладают чрезвычайно высокой эрозионной способностью, обуславливая т.н. ионизационную форму пробоя. Кроме того, можно ови-дать, что соответственно природе своего возникновения, ЧР должны нести разнообразную количественную информацию о параметрах самих дефектов локального характера - наиболее сложных в распознавании.

Исходя из предполагаемой диагностической ценности внутренних ионизационных процессов в распознавании характерных для исходного состояния слоистой изоляции дефектов (макрорасслоения, механические повреждения и т.д.). а такве учитывая малую изученность процессов ионизации в изоляционных конструкциях тяговых машин, в работе формулируются следующие цели :

- исследование закономерностей развития процессов внутренней ионизации в изоляционных конструкциях тяговых двигателей на всех уровнях напряжений, включая нробиьные;

- проведение сравнительного анализа диагностических ценностей исследованных параметров частичных разрядов в распознавании пробивных состояний изоляции и выбор наиболее информативных;

- практическая реализация результатов исследований в виде разработки диагностирующих устройств И их промышленного использования в пооперационном контроле качества изготовления изоляционных

покрытий тяговых двигателей.

Во втором разделе обосновывается методика постановки экспериментов. описывается и анализируются результаты измерений параметров ЧР в изоляции якорных проводников тяговых двигателей, исследуется явление незавершенных пробоев изоляции, проводится сравнительный анализ информационной ценности исследуемых параметров ЧР в распознавании пробивных состояний.

Экспериментальное исследование характеристик ЧР производилось на реальных образцах якорных катушек с пропитанной и непропитанной • изоляциями. Выборка включала в себя по одному якорному комплекту :

- якорных проводников тепловозных двигателей ЭД-108 (СмЗРЗ);

- якорных проводников тепловозных двигателей ЭДТ-200Б (ЧЭРЗ);

- якорных проводников электровозных двигателей ТЛ-2К (ЧЗРЗ):

- якорных проводников электровозных двигателей ДПЭ-400 (ЕЭРЗ).

В процессе экспериментов регистрировались параметры ЧР:

- напряжение возникновения и погасания ЧР С 111. 11е );

ПК1Х

- максимальный кажушийся заряд ЧР ( Очр );

с?

- средний ток ЧР ( 1чр ):

- частота следования импульсов ЧР ( Гчр ).

В качестве дополнительных характеристик исследовался амплитудный спектр регистрируемых сигналов, и квадратичный параметр ЧР.

Для каждого варианта исследований проводилось не менее 10 опытов, что обеспечивало статистическую достоверность не нише 0,9. Вывод уравнений регрессии исследуемых параметров ЧР от относительного уровня испытательного напрзшения (в долях к 11пр) производился методом Чебывева с использованием вычислительной техники.

Результаты измерений напрявений зажигания и погасания ЧР в изоляционных конструкциях различных типов показали, что процессы внутренней ионизации следует относить к действующим факторам эксплуатационного нагружения для изоляции тяговых двигателей в системе электровозов постоянного тока. Математические овидания и средне-квадратическне отклонения -напряжений зажигания ЧР в отдельных якорных проводниках двигателя ТЛ-2К составили 3.01Т и 0.29 кВ зфф., а в собранных якорях /1113-400 3.01 и 0,53 кВ зфф. соответствен-

но. При этом, напряжения погасания ЧР смещены в зону меньших значений и составляв? (0.85...0.9) ит уровня напряжений начальной ионизации. Было также выявлено, что по мере механического старения изоляции (растрескивания), начальные напряжения ЧР снижаются и для непропитанных проводников аналогичные параметры распределения составляет уже 2.18 и 0,13 кВ эфф. Таким образом, для двигателей электровозов постоянного тока диапазоны возможных напряжений поддержания ионизации с вероятностью 0.95 располагается в диапазоне (3.0...4,5) кВ для новых образцов, с постепенным их снижением в пределе до (2.1...3.3) кВ по мере старения изоляции.

Исследования амплитудных характеристик ЧР - максимальных кажущихся зарядов, позволили установить общую закономерность нелинейного нарастания интенсивности ЧР в относительных координатах пробивного напряжения, что обуславливает на зависимостях наличие характерной точки перегиба.

Для образцов, уровень пробивных напряжений которых не превышал 15 кВ эфф.. точка перегиба амплитудных характеристик ЧР располагается в области 0.8 (1пр (рис.1), т.е. непосредственно прилегает к пробивному уровне напряжений. Абсолютная разность напряжений между точками перегиба и пробоя для данной группы образцов варьируется в пределах (2...4) кВ. Это позволяет предположить, что причиной интенсивного роста максимальных амплитуд ЧР являются процессы формирования пробивного канала.

В другой группе проводников, пробивной уровень изоляции кото-рнх располагался в интервале (21...27) кВ эфф., характерная точка перегиба проявлялась значительно раньше - в районе 0,6 1)пр, и характеризовалась абсолютной разностью с пиобивнам напряжением в (8... 10) кВ. Визуальные наблюдения за развитием разрядных процессов позволили установить, что причиной появления повышенных амплитуд ЧР в этом случае является образование искровых поверхностных разрядов, которые в определенной степени затрудняют распознавание пробивных импульсов. Таким образом, амплитудный признак ЧР позволяет фиксировать начало процесса укрупненного искрооОразования развитие которого может иметь, как "глубинную" направленность, в

Зависимости максимальных канущихся Зависимости частоты следования

зарядов ЧР

импульсов ЧР

01— 0,ъ О,к

0,5 0,0 Рис. 1.

о,Ь иЧУ- 4

1/лр

05" V, б с-',7 0,6 1

Рис. 2.

Ьпр

случае формирования пробивного канала, так и быть обслоплено высокой концентрацией иапряяенности поля на заостренных краях электродов. образуя явление скользящего искрового разряда.

Однако, значительные амплитуды поверхностных разрядов одновременно свидетельствуют и о высоких энергетических показателях, т.е. сильных эрозионных свойствах, что было подтверждено в даль-' нейших экспериментах. Поэтому мояно утверждать, что появление разрядов ЧР с амплитудами выже 10 нКл представляет реальную опасность для изоляционных покрытий тяговых двигателей, поскольку связано с ускоренным развитием ионизационного механизма старения изоляции.

При исследовании характеристик среднего тока ЧР, который учитывает как амплитуды импульсов, так и частоту их следования, были получены аналогичные зависимости, что и для максимальных амплитуд ЧР. Полученные для начала процесса искрообразования уровни среднего тока ЧР составили ( 50... 75 ) мкй.

Измерение частоты импульсов производилось по 11 амплитудным, уровням в интервале от 1 до 400 нКл. На рис.2 представлены характерные зависимости частоты следования импульсов для первой ступени выделения амплитудного дискриминатора.. Характерным для полученных зависимостей является наличие максимумов в области напряжений (0,8..,0.9)ипр, что соответствует координатам характерных.точек

излома зависимостей максимальных амплитуд и среднего тока ЧР. Это дает основание предполагать, что образование укрупненных искровых реализаций происходит на основе объединения определенной части мелких ЧР вдоль траектории искрового разряда. Кроме того, токи переноса в таких разрядах разрявают объеные заряды тех областей изоляции, которые непосредственно прилегают к пробивному каналу, выравнивая картину потенциальных распределений.

Весьма перспективным представляется тот факт, что на определенных этапах развития разрядных процессов, при совпадающих абсолютных уровнях напрязения, частота следования импульсов ЧР в не-пропитанных и пропитанных образцах отличается до 1002 . Это указывает на высокую информативность ЧР в оценке общей пористости изоляции и может использоваться в диагностических системах при оценке степени механического старения двигательной изоляции, контроле качества пропиточных операций и т.п.

Проведенный в работе сравнительный анализ относительной доли вклада амплитудного фактора ЧР и количества импульсов ЧР в повышении на каждый децибелл совокупной мощности ионизационного процесса позволил установить 4 характерных этапа в развитии внутренних разрядных процессов изоляции. Представляется, что для целей раннего диагностирования пробивных состояний изоляции наиболее перспективным является диапазон (0,7...0.3) 1)пр, где образование разрядов с повышенными'энергетическими характеристиками запускает ионизационный механизм формирования пробивных сечений. Стадии, соответствую щие напряжениям выме 0.9 11пр перспективны с точки зрения выявлений глубоких повреждений структуры изоляции в качестве сформированного в своей основе пробивного сечения.

Поскольку в полученных характеристиках просматривается определенная функциональная зависимость значений параметров ЧР от абсолютных ировней напряжения, в работе проводились эксперименты с изоляционными образцами, имеющими заведомо пониженные пробивные уровни, с тем. чтобы явным образом доказать эффективность признаков пробивных состояний изоляции, которые были выявлены на здоровых образцах. Для этого в стуктуру изоляции якорных проводников

искусственно вносились дефекты, характерные для производства изоляционных покрытий - разрезы слоев изоляции, проколы, смятия.

Анализ полученных результатов подтверждает, что сделанные ранее выводы о формировании пробивных состояний изоляционных конст рукций якорных проводников при реализации ЧР повышенных амплитуд справедливы для любых уровней пробивных напряжений и корреляционно .не связаны с абсолютными значениями испытательного напряжения. За 1...1.5 кВ до пробоя максимальные импульсы ЧР в дефектных образцах превыжали аналогичный показатель целых проводников в 3...5 раз.

Детально процесс перерождения первичных искровых образований в пробивную дугу исследовался во временной развертке, т.е. в уело виях, когда исключалось влияние на параметры ЧР других факторов, кроме изменений собственного внутреннего состояния изоляции. Для этого образцы непропитанных якорных катувек тяговых двигателей ЭД-108 ставились на длительное ионизационное^старение на трех уровнях испытательного напряжения 8, 9 и 10 кВ эфф, при среднем пробивном напряжении для данного типа секций - 11,7 кВ эфф. На рис.3 приведены характерные временные зависимости среднего тока ЧР на различных уровнях испытательного напряжения. •

Характерные траектории изменения среднего тока ЧР во времени

Рис. 3.

Из приведенных зависимостей видно, что некоторое время процесс отличается высокой стабильностью. Однако затем, практически

все параметры ЧР проявляет устойчивую тенденцию к росту до момента окончательной реализации сквозного пробоя изоляции.

Результаты описанных экспериментов подтвервдают вывод о том. что возникающие в первичных неоднородпостях искровые разряды повы ■ енпой мощности являются не только признаком обнаружения в изоляционной структуре крупного дефекта, но и представляют собственно механизм его прогрессирования. и поэтому должны нести наибольшую информацию в диагностировании самого пробивного процесса.

Окончательный выбор наиболее эффективного признака распозна-вавия состояний изоляционных конструкций тяговых двигателей локо мотивов производился на основе расчета диагностических весов исследованных параметров ЧР в установлении пробивного диагноза. В качестве "обучающих" выборок использовались корреляционные зависимости параметров ЧР от уровня приложенного напряжения для образцов с полноценной изоляцией. Непосредственный же расчет диагностических весов рассматриваемых параметров ЧР производился на основе результатов экспериментов по инициировании пробивного состояния на пониженных напряжениях. В качестве примера в табл.1 представлены результаты расчетов общих диагностических ценностей обследования параметров ЧР в распознавании состояний изоляции якорных проводников двигателя ТЛ-2К при'различных уровнях глубины распознавания.

Как следует из анализа результатов, наибольшей диагностической ценностью, и следовательно, наименьшей вероятностью "пропуска дефекта", обладает амплитудная характеристика ЧР - максимальный кашущийся заряд. Таким образом, можно утвершдать. что нестационарные импульсы, превышающие по амплитуде пределы случайных разбросов для данного уровня напряжения в исходной выборке образцов, следует рассматривать как наиболее эффективный признак реализации пробив них состояний изоляционных конструкций тяговых двигателей.

Помимо установленного признака, диагностическая эффективность которого подтверждалась вероятностными методами, наблюдения за осциллограммами ЧР в пробивном состоянии позволили выявить признак, достоверность которого обуславливается непосредственно его физической природой. Дело в том, что природа активных токов утечки че-

Таблица 1

Общие диагностические ценности параметров ЧР ( г(К] ) ) и вероятности "пропуска дефекта" (Рпд) в распознавании пробивных состояний

Наименование параметра ЧР Цпр ?кВ Ипр 1иБ ипр

7(К]) Рпд ) Рпд ) Рпд

Максимальней кажущийся

заряд ЧР 0.2! 1 0.503 0.353 0.304 0.811 0,030

Средний юн ЧР 0.105 о.ьз;: 0.243 0.517 0,453 0,200

Частота следования ЧР:

с ампли1улоп > 10 п11л 0.001 1,000 0,003 0.35Й

с ампли1удой > 35 п".л 0.101 0,731) 0,143 0.667

с ампли!удси > 75 нКл 0.4115 0.250 0.341! 0,333

с амплитудой >105 п11л 0.440 0.232 0.3В5 0,3413

рез изоляцию, как нельзя лучше соответствует основному признаку пробоя изоляции - нарушение стационарной проводимости. Если исхо • ходить из последовательной модели разрушения изоляционных слоев разрядами повышенной мощности, то можно предположить существование такого периода о жизни изоляции, когда прорастающие к противоположному электроду разряды ЧР в пробивном канале будут псе более приобретать характер импульсов активного тока через изоляцию.

Соответственно этому в работе исследовался не общий уровень активных токов утечки, характеризующий изоляционный объем в целом, а Форма кривой токов утечки на наличие разрядных импульсов сквозного характера, которые могут иметь место только в пробивном капа-' ле. Полученные осциллограммы, отфильтрованных от 50-Гц составляющей. токов утечки подтверждают наличие в них разрядных импульсов на завершающих стадиях формирования пробивного канала, которое в дальнейшем изложении определены как незавершенные пробои изоляции.

В_1£ст1._ей_г_лаве представлены результаты конструкционных разработок диагностических устройств, в основу которых заложены пай-

денные принципы диагностирования состояний изоляции; описаны результаты их испытаний и перспективы внедрения.

Соответственно предлагаемым принципам неразрумающего диагностирования состояния изоляции были разработаны два устройства, регистрирующие наличие в импульсных реализациях ЧР нестационарных выбросов с амплитудой, выходящей за пределы случайных разбросов, а также появление в активных токах утечки разрядных импульсов.

Оба блока, смонтированные в едином макетном устройстве проверялись, как в лабораторных, так и производственных условиях. Результаты лабораторных испытаний свидетельствуют о том. что процесс образования ЧР с повыменными амплитудами регистрируется на уровнях (0,65...0,75) Цпр. Это обстоятельство позволяет рассматривать данный признак, как наиболее перспективный для целей ранней диагностики начала процесса формирования пробивных сечений.

Уровень срабатывания канала незавершенных пробоев составляет (0.82-0,94) Опр. и поэтому, может рассматриваться как признак предельных состояний диагностируемых конструкций.

Корреляционные коэффициенты и корреляционные отношения взаимосвязей срабатывания каждого из каналов с реальным пробивным состоянием составили соответственно ; по каналу ЧР - 0,87 и 0.89; и по каналу регистрации незавершенных пробоев - 0,90 и 0,974.

Производственные испытания макетного устройства производились на испытательных станциях Екатеринбургского электровозоремонтного завода. В отличие от принятой методики выбраковки якорных проводников при проведении высоковольтных испытаний по пробою их изоляции в течение 1-минутной выдержки напряжения, отбирались также те образцы, которые допустили срабатывание канала незаверженных пробоев изоляции. Результаты испытаний представлены в табл.2.

Выбракованные секции электровозных двигателей нагружались длительным воздействием напряжения испытательного уровня (16 кВ эфф.). Как оказалось, примерно половина из выборки секций имели остаточное время жизни изоляции менее 10 мин. Характерно, что из них около 302 секций были пробиты в пределах 1 мин. сверх уставов ленного технологией срока испытания, а 05И ь течение 3 мин.

Таблица 2

Результаты производственных испытаний диагностического устройства

Тип испытуемого Кол-во испытанных Отбраковано Случаев незавер-

изделия изделий, II. ПО Пробою.И1. женных пробоев

Секции ДПЗ-400 Ь074 24 00

Секции ЗДТ-2С0Б 2405 11 10

Секции ЙЕН-350 1 1 0 0

Секции ТЛ-2К 102 1 3

Якоря ТЗД Т/1-2К

ДПЗ-400,ЗДТ-200 90 1 3

Для оставнейся гриппы проводников уровни пробивных напря«ений определялись по стандартной методике - плавным повышением напряжения. Математическое ожидание их пробивного уровня составило -19.3 кВ эфф. (среднеквадратическое отклонение - 1,7 кВ зфф.). против 23 кВ эфф. для проводников со здоровой изоляцией.

Примечательно, что по сучествущим нормам проведения контрольных испытаний данные образцы якорных катужек были бы признаны исправными, поскольку не допустили в течение одноминутной экспозиции напряжения установленного уровня, сквозного пробоя.

На основании положительных результатов испытаний, было разработано экспериментальное диагностическое устройство для контроля за состоянием изоляции якорных проводников при высоковольтных испытаниях. Основная сложность его реализации для промыиленного использования состояла в решении проблемы поиска дефектного образца при регистрации признаков незавершенных пробоев в испытуемой группе якорных проводников.

В основе поискового алгоритма было предложено использовать признак полярности токовых импульсов в каждом из испытуемых объектов и в образце, представляющем "эталонный" образец изоляции (высоковольтный конденсатор). Данный алгоритм поиска дефектных образцов, совместно с ранее описанным признаком распознавания кри-

тических состояний изоляции, составили новий способ проведения высоковольтных групповых испытаний изоляции, новизна которого зачищена авторским свидетельством об изобретении.

Поскольку найденные диагностические принципы носят универсальный характер, разработанное на их основе устройство было доработано для целей диагностирования и междувиткьвой изоляции.

В окончательном виде устройство было внедрено на испытательных станциях секционных цехов Екатеринбургского электровозоремонт-11 о го завода (подтвержденный годовой экономический эффект 105 тыс. руб. в ценах 1983 г.) и Санкт-Петербургском заводе по ремонту городского электротранспорта (подтвержденный годовой экономический эффект 55 тыс.руб. в ценах 1989 г.).

Положительный опыт эксплуатации устройства позволил расвирить эксперимент на систему заводов ЦТВР. С этой целью ПКТБ ЦТВР (по локомотивам) выполнено рабочее проектирование опытной партии диагностических устройств (приказ ЦЗ от 13.03.Й4 за Н 117010) для контроля качества изготовления изоляции якорных проводников тяговых двигателей. Выставочный образец устройства экспонировался в программе международной выставки 'Челезнодорожный транспорт - 90". Опытное внедрение устройств но сети эдектровозоремонтных заводов регламентировано приказом Министра Путей Сообщения N 48/Ц 1985 г.

Для контроля за состоянием изоляции крупных' сборочных единиц (коллекторы, якорные и двигательные конструкции в сборе) была раз работана отдельная модификация диагностического устройства для использования в индивидуальных испытаниях образцов больной емкости. Серия таких устройств была внедрена на иегштателышх станциях тех же заводов и трех локомотивных депо Свердловской ж.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен новый методологический подход к разработке универсальных диагностических систем распознавания технических состояний высоковольтной изоляции локомотивов.

2. Доказана практическая возможность длительного протекания процессов внутренней ионизации в изоляционных конструкциях тягови? двигателей электровозов постоянною тока в рлОочем диапазоне liop-

пусных напряжений и их высокая информативность в диагностических обследованиях изоляции локомотивов.

3. Выявлены основные закономерности развития процессов внутренней ионизации в изоляции тяговых двигателей во всем диапазоне потенциальных нагружений и характерные признаки реализации ионизационной формы пробоя для исходных состояний изоляции.

4. На основе сравнительного анализа диагностических ценностей обследования основных параметров ЧР в распознавании состояний изоляционных систем тяговых двигателей установлен наиболее информативный признак - максимальный кажущийся- заряд ЧР. позволявший контролировать начальные стадии развития пробивных сечений .

5. Предложен эффективный диагностический признак распознавания критических стадий развития пробивных сечений изоляции в виде разрядных импульсов в активных токах утечки.

6. Предложены схемные ревения диагностических устройств для контроля за состоянием изоляционных конструкций тяговых двигателей при проведении высоковольтных испытаний. В лабораторных и производственных экспериментах доказана правомерность заложенных в них принципов диагностирования и эффективность использования.

7. Разработан принципиально новый способ групповых высоковольтных испытаний изоляции (корпусной и междувитковой) якорных проводников тяговых двигателей и диагностическое устройство для его реализации. Разработаны модификации устройства для условий индивидуальных высоковольтных испытаний крупных сборочных изделий.

8. Осупествлено опытное внедрение диагностических устройств для проверки качества изготовления изоляции тяговых двигателей на Екатеринбургском электровозоремонтном заводе и Санкт-Петербургском заводе по ремонту городского электротранспорта.

Я. Спроектирована и изготовлена опытная партия диагностичесг ких устройств для внедрения по сети заводов, регламентированного приказом Министр Путей Сообщения ( Н48/Ц от 29.12.85).

Основные положения диссертации опубликованы :

1. Сонин B.C.. Сухогузов Я.П.. Дурандии Н.Г. Информативность процессов ионизации в диагностической оценке технического, состоя-

низ изоляции тяговых двигателей подвижного состава // Нежвуз.сб. науч.тр. / УэМИИТ. - 1984. - Вып.71:Совервенствование эксплутации и технического содержания электроподвижного состава. - С.26-35.

2. Дурандин Г.Б.. Сухогузов Й.П.. Дурандин М.Г. Аппаратура и методы идентификации технического состояния изоляции //Аппаратура, методы идентификации и управление на базе ЭВМ для сложных технических объелтов:Тез.докл.науч.-техн.конф. - Свердловск,1985.-С.60.

3. Бердников И.Й.. Дурандин Г.Б.. Дурандин М.Г., Сухогузов А.П. Опыт эксплуатации диагностирувщих устройств контроля качества электрической изоляции якорных проводников тяговых двигателей локомотивов // Совершенствование средств и методов диагностики при техническом обслуживании и ремонте транспортных средств : Тез. докл. науч.-техн. конф. - Москва. 1987. - С.39.

4. Дурандин М.Г. Совершенствование высоковольтных испытаний изоляции якорных проводников тяговых двигателей // Устройства и системы механизации и автоматизации железных дориг : Сб.науч.тр./ ВНИИ1Т. - Н.: Транспорт. 1988. - С.93-98.

5. Сухогузов А.П.. Бердников И.А.. Дурандин М.Г. Диагностические устройства технического контроля качества изоляционных конструкций электрических машин и аппаратов локомотивов // Методы и средства диагностирования технических средств ж.д. транспорта : Тез. докл. всесовз. науч.-техн. конф. - Омск, 1989. - С.54 - 55.

6. Сухогузов А.П.. Бердников И.А., Дурандин М.Г. Разработка аппаратуры контроля электрической изоляции якорных катужек // Разработка и исследование автоматизированных средств контроля и управления для предприятий ж.д. транспорта : Сб.науч.тр./ОмИИТ.-Омск. 1990. - С.47 - 49.

7. A.c. 1190309 СССР. Устройство для измерения частичных разрядов / М.Г.Дурандин. В.С.Сонин. А.П.Сухогузов ; УэМИИТ(СССР).-N 3641252 ; Заявлено 12.09.83. - Опубл. в БИ. - 1985. - N 41.

8. A.c. 1772770 СССР. Способ группового контроля изоляции электрических цепей на возникновение пробоя / М.Г.Дурандин.

Г.Б.Дурандин. И^.А. Бердников, А.П.Сухы узпв ; ЧчМИИ'Г (СССР). -N 4745987 ; Заявлено 19.06.83. - Опубл. в БИ. 1992. N 40.