автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Исследование волновых процессов и разработка методов индикации и обнаружения мест дефектов в обмотках электрических машин постоянного тока при импульсных испытаниях изоляции

^Ь ^ ¿5 0&

МИНИСТЕРСТВО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СССР

Всесоюзный научно-исследовательский,проектно-конструк-торский и технологический институт электровозостроения

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

Новочервасскйй ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт имени С.Орджоникидзе

Е.П; 'БЕССУДНОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИНДИКАЦИЙ И ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТ ДЕФЕКТОВ В ОБМОТКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ИЗОЛЯЦИИ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Руководитель: профессор, доктор технических наук А.Д. ДРОЗДОВ

Новочеркасск 1972

СОДЕРЖАНИЕ

Ведение................................................... 6

Состояние вопроса и цель работы........................... %

Глава перва я.ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПЕТЛЕВЫХ ОБМОТКАХ ЯКОРЕЙ С УРАВНИТЕЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ИМПУЛЬСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ИЗОЛЯЦИИ МЕТОДОМ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ.....................................

1. Выбор объекта,аппаратуры и условий исследований......... 12

2. Типичные участки обмоток якорей с уравнительными соедине-нияыи.Анализ обмоточной схемы якоря...................... 21

3. Методика осциллографирования волновых напряжений в обмотках якорей.................................................26

Волновые напряжения в обмотках якорей относительно корпуса. Электрическая длина,волновая скорость и волновое сопротивление обмотки......................................... 28

5. Межсекционные напряжения................................ 42

6. Междувитковые напряжения.','.............*...................45

7. Влияние параллельных ветвей и уравнительных соединений на волновые процессы в обмотках якорей...................... 56

8. Изменения волновых напряжений,вызываемые дефектом изоляции обмотки испытываемого якоря.Анализ существующих методов индикации пробоя корпусной изоляции и виткового замыкания в обмотках якорей.......................................... 65

а) Пробой корпусной изоляции...................

б) Витковое замыкание в обмотке якоря.......... 68

Э.Ц^ординация величин испытательных напряжений в обмотках якорей при методе бегущей волны.Обоснование выбора величин

импульсных испытательных напряжений для обмоток якорей.,.. 77

В Ы В О Д Ы по Гл.1.......................................... 86

Глава втора я.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБМОТКАХ ЯКОРЕЙ С УРАВНИТЕЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.... 89 Ю.Методика определения волновых параметров обмоток якорей с уравнительными соединениями электрических машин постоянного тока...............................*........................90

а) Общая схема замещения обмотки якоря.................90

б) Цепная схема замещения.........................

11. Расчет волновых напряжений в обмотках якорей на АВМ...... ^22

а) Моделирование по общей схеме замещения.........

б) Моделирование по цепной схеме замещения........ ^34

В Ы В О Д Ы по' Гл. II......................................... -(45

Глава треть я.ИССЛЕДОВАНИЕ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПЕТЛЕВЫХ ОБМОТОК ЯКОРЕЙ С УРАВНИТЕЛЬНЫМИ СОЕДИ -НЕНИЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ

ИМПУЛЬСНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ИЗОЛЯЦИЙ МЕТОДОМ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ.................................................. М

12.Импульеное магнитное поле бездефектной обмотки якоря....... /50

13.Импульсное магнитное поле обмотки якоря при витковом замыкании........................................................ /55

14.Новый метод измерения уровней импульсных магнитных полей... 164

В Ы В О Д Ы по Гл.III..........................................-/79

Главачетверта я.НОВЫЕ МЕТОДЫ ИНДИКАЦИИ И ОБНАРУЖЕНИЯ

МЕСТ- ДЕФЕКТОВ ВИТКОВОЙ И КОРПУСНОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ОБМОТКАХ ЯКОРЕЙ С УРАВНИТЕЛЬНЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МА т ШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.................................. 1%2

15.Индикация и обнаружение места дефекта витковой изоляции•••••

16,Обнаружение места пробоя изоляции на корпус обмоток якорей,. 196

В Ы В О Д Ы по ГлЛУ............................................205

Глава пята Я.В0ЛН0ВЫЕ ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТ ДЕФЕКТОВ ВИТКОВОЙ И КОРПУСНОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ВОЛНОВЫХ ОБМОТКАХ ЯКОРЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.............................................205

17.Волновые напряжения в обмотках якорей....................... 205

18.Импульсное магнитное поле волновых обмоток якорей и обнаруже- , ние мест дефектов их витковоЙ и корпусной изоляции.......... 216

В Ы В 0 Д Ы по Гл.У............................................ 226

Глава шеста я.НОВЫЕ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИНДИКАЦИИ И ОБНАРУЖЕНИЯ МЕСТ ДЕФЕКТОВ ВИТКОВОЙ И КОРПУСНОЙ ИЗОЛЯЦИИ В ЭЛЕМЕНТАХ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

ПОСТОЯННОГО ТОКА.................................. 228

19.Определение места виткового замыкания в разрезных секциях обмоток электрических машин постоянного тока.»...............; ¿28

20.Индикация виткового замыкания и обнаружение места дефекта вит-ковой изоляции в полюсных катушках с малым числом витков.... 239

а) Индикация виткового замыкания в полюсных катушках электрических машин постоянного тока....... 239

б) Новый способ определения места виткового замыкания

в однослойных полюсных катушках................ 2.50

21.Методы обнаружения мест дефектов витковой и корпусной изоляции обмоток роторов вентильных тяговых двигателей электровозов...254

а)Испытания индуктированным импульсным напряжением. .256

б)Испытания методом бегущей волны...................259

В Ы Б О Д Ы по Гл.У1............................................ 27О

ЗА КЛЮЧ К Н И Е............................................. 273

литератур а............................................. £78

п р и л о I е н и я............................................. 290

I» Основные технические данные тяговых двигателей электровозов. 290

2. Основные конструктивные данные обмоток якорей тяговых двигателей электровозов......................................... 291

3. Основные технические данные вспомогательных электрических машин постоянного тока электровозов......................... 292

Основные конструктивные данные обмоток якорей вспомогательных машин постоянного тока электровозов........................ 293

5. Технические данные катушек полюсов тяговых двигателей электровозов................................................... 294

6. Внешний и внутренний вид устройства для испытания и обнаружения мест дефектов витковой и корпусной изоляции обмоток якорей........................................................ 295

7. Ориентация и установка высоковольтного электрода и индукционного датчика относительно испытываемого якоря............... 296

8. Внешний вид устройства для определения места виткового замыкания в разрезных секциях обмоток якорей.......................297

9. Устройство и индикатор с индукционным датчиком для испытания и обнаружения места дефекта витковой изоляции полюсных катушек тяговых двигателей электровозов..»...............................298

10 - 23. Акты внедрения изобретений............................... 299312

24. Величины заводских испытательных напряжений для обмоток тяговых двигателей электровозов...................................... 3^3

ь

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие электрификации страны, предусмотренное программой КПСС и решениями ХХ1У съезда партии» требуют значительного увеличения производства электрических машин всех типов* Успешное выполнение решений Партии и Правительства по опережающему раз витию производства электроэнергии в стране позволило широко развер нуть электрификацию железнодорожного транспорта, где применяется наибольшее количество электрических машин постоянного тока: как тя говых двигателей , так и вспомагательных машин. В соответствующих директивах КПСС особое внимание уделяется повышению качества про -мышленной продукции, в том числе и электрических машин постоянного тока.

Известно [Л.1,2] ,что в процессе эксплуатации значительная часть всех видов электрических машин преждевременно выходит из строя из-за повреждений корпусной и витковой изоляции.

Опыт эксплуатации подвижного состава на железных дорогах Советского Союза показывает, что из общего числа повреждений электропод вижного состава около половины случаев приходится на электричес -кие машины. Основная же часть повреждений электрических машин электроподвижного состава приходится на пробой корпусной и витковой изоляции. С ростом протяженности электрофйцированных дорог чис ло аварий по причине повреждения изоляции возрастает.

По данным ВЭлНИИ по эксплуатационной надежности оборудования электровозов ВЛ-60К, ВЛ-80К, ВЛ-Ю, эксплуатируемых на ВосточноСибирской, Юго-Восточной, Северо-Кавказской, Приволжской и Куйбышевской железных дорогах, за период с 1965 года по 1971 год максимальный процент повреждений тяговых двигателей по причине витково-го замыкания и пробоя изоляции на корпус обмоток якорей составил

17 % от общего числа повреждений двигателя, а для вспомогатель -ных машин - 50,8 %.Довольно высокий процент повреждения изоляции обмоток якорей в эксплуатации объясняется недоброкачественным их изготовлением, далеко несовершенными методами испытаний изоляции, особенно, обмоток якорей вспомогательных машин(прибор СМ-1Б, и метод милливольтметра) и тяжелыми условиями эксплуатации.

Статистические данные [Л.1] и данные ВЭлНИИ показывают, что значительная часть повреждений электрических машин происходит вследствие недоброкачественного изготовления их на заводах изготовителях и ремонтных заводах.

Имея в виду, что стоимость изоляции составляет около половины стоимости всех материалов электрической машины и в эксплуатации за время службы машины изоляция частично или полностью заменяется, становится понятным большое народнохозяйственное значение, которое имеет вопрос о качестве и надежности изготавливаемых нашей промышленностью электрических машин постоянного тока.

В связи с этим для повышения качества и надежности изготавли-, ваемых и ремонти^мых электрических машин постоянного тока необходимо в процессе производства обеспечить хорошее качество корпусной и витковой изоляции.Это достигается соблюдением правильно разработанной технологии изготовления изоляции и обмоток и совершенными методами контроля состояния и оценки работоспособности корпусной и витковой изоляции.Наиболее совершенные методы испытаний изоля -ции обмоток электрических машин должны позволять не только обна -ружить наличие повреждений,но и определить место дефекта.Последнее особенно необходимо на заводах,изготавливающих и ремонтирующих электрические машины постоянного тока в большом количествен именно, на электровозостроительных и ремонтных заводах,где процент брака по причине виткового замыкания и пробоя изоляции на корпус об-

моток якорей еще довольно значительный.

Возможность определения места (точки) дефекта изоляции обмотки электрической машины позволяет повысить производительность труда при их изготовлении или ремонте,экономить дорогостоящий изоляционный материал,анализировать причины брака и,основываясь на этом,совершенствовать технологию производства обмоток,а самое главное,благодаря повышенной чувствительности к дефектам,ужесточить контроль состояния изоляции и тем самым повысить надежность работы электрических машин в эксплуатации.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Электрические машины постоянного тока не находят себе столь широкого применения,за исключением электрифицированных железных дорог, на судах,прокатных станах и др.,как машины переменного тока.Поэтому вопросам испытания и обнаружения мест дефектов изоляции обмоток электрических машин постоянного тока уделялось как у нас в стране, так и за рубежом значительно меньше внимания.Нашедшие наибольшее применение методы и аппаратура для испытания изоляции обмоток элект рическюс машин,главным образом переменного тока,описаны в [л.2,з] . В настоящее время наиболее прогрессивными методами испытания и обнаружения дефектов изоляции обмоток электрических машин являются импульсные методы:испытания бегущей волной и испытания индуктированным импульсным напряжением.

Применительно к обмоткам якорей коллекторных электрических машин постоянного тока испытания индуктированным импульсным напряжением малоэффективны в силу наличия в них естественных короткозашшутых контуров,что затрудняет точное обнаружение паза с дефектной витко-вой изоляцией и не позволяет создать достаточных по величине ..

испытательных напряжений.Другим недостатком этого метода испытания является низкая производительность,вызванная необходимостью фиксировать индуктор и индикаторный электромагнит над каждым исследуемым пазом на время,необходимое для наблюдения за показаниями индикатора.Поэтому в настоящее время для испытания изоляции обмоток якорей электрических машин постоянного тока применяется метод бегу щей волны [л.4,5] и его разновидности: метод сличения волн [Л.31] и разряд генератора импульсных напряжений ГШ на части испытываемой обмотки, подсоединенные к паре соседних коллекторных пластин якоря. [Л.б] .

При испытаниях бегущей волной наибольшее распространение получи ли два метода индикации виткового замыкания: мостовой метод и метод переменного направления движения волны,Однако этими методами можно обнаружить лишь наличие виткового замыкания в испытываемой обмотке.Точно определить паз,в котором расположен короткозамкнутый виток не представляется возможным.

Разновидность мостовой схемы испытания применительно к обмоткам якорей коллекторных электрических машин постоянного тока,описанная в [ЛЛ,5] и используемая до настоящего времени на многих заводах, изготавливающих и ремонтирующих электрические машины постоянного тока(импульсная установка типа ИУ-57,разработка ДНИ МПС),имеет удо влетворительную индикацию наличия виткового замыкания и для некоторых видов обмоток (в основном для волновой обмотки)позволяет най ти секцию с витковым замыканием при малом переходном сопротивлении в месте дефекта изоляции.Для петлевых обмоток якорей с уравнительными соединениями эта испытательная схема малоэффективна,так как электрические состояния,действительно дефектной секции и секций, непосредственно соединенных с последней уравнителями,практичес ки одинаковые,особенно при больших переходных сопротивлениях в "

месте дефекта.Поэтому точно обнаружить секцию с дефектной витковой изоляцией зачастую не удается.

Серия приборов типа ИВЗ,разработанная на заводе "Электросила" и описанная в [л.б] ,работает на принципе разряда ГИНа на часть обмотки якоря и сравнения индуктивностей этих участков.Испытания производят путём поочередного касания щупами всех смежных пластин по коллектору, сравнивая показания индикатора.Понятно, что при массовом производстве коллекторных электрических машин постоянного тока такой метод контроля состояния витковой изоляции практически неприемлем из-за низкой производительности и большой утомляемости соответствующих работников.Существенным недостатком этих приборов является сравнительно низкая чувствительность к витковыьа-замыканиям через большие переходные сопротивления в месте дефекта.Особенно важна эта чувствительность при обнаружении места виткового замыкания в обмотках якорей с уравнительными соединениями,применительно к которым приборы типа ИВЗ имеют максимальную чувствительность порядка 0,1 Ома [л.б].

Что касается вопроса обнаружения места (точки) пробоя корпусной изоляции в обмотках якорей коллекторных электрических машин постоянного тока,то он до последнего времени не был решен совершенно.Выжигание места дефекта корпусной изоляции путём пропускания большого тока не следует считать методом обнаружении места пробоя,так как при этом выгорает не только изоляция,но и медь обмотки и даже железо пазовой части якоря,Понятно,что это крайняя мера,принимаемая из-за отсутствия эффектного метода обнаружения места пробоя корпусной изоляции,Вместе с тем на заводах,изготавливающих и ремонтирующих электрические машины постоянного тока,эффективный метод обнаружения места пробоя крайне необходим.Особенно обостряется нужда в таком методе в связи с внедрением в производство электрических машин но-

нового вида изоляции типа "Монолит-2п [л.7] «При пропускании большого тока через- место пробоя компоненты этого вида изоляции не горяча частичное разложение эпоксидной смолы никак не проявляется на поверхности испытываемой обмотки в силу монолитности изоляции. Ведущиеся в настоящее время работы ВЭИ по обеспечению ремонтноспо-собности обмоток якорей с изоляцией типа "Монолит-2" (разработка растворителей) подтверждает необходимость в эффективном методе обнаружения мест дефектов изоляции и этого типа: для обмоток якорей с микалентной изоляцией такой метод необходим уже давно.

Обмотка якоря является основной,наиболее важной и ответственной частью электрической машины постоянного тока.Поэтому ей уделяется наибольшее внимание в настоящей работе.Однако не менее важными являются полюсные (главные и дополнительные) и компенсационные катушки машин постоянного тока.Основную трудность представляют испытания витковой изоляции и обнаружение места виткового замыкания в этих катушках.Известные методы для испытания витковой изоляции катушек,описанные в [л.2-б] ,так