автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методики и средства диагностики и контроля отдельных показателей качества тяговых трансформаторов и электрических машин подвижного состава

На правах рукописи

ГОГОЛЕВ Григорий Александрович

? Г 5 ОД

- 7 ФЕВ 2000

МЕТОДИКИ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ И КОНТРОЛЯ ОТДЕЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ТЯГОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.09.03— Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

X

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2000

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор ¡ГАМАЮНОВ Александр Влад,кмироьич|;

доктор технических наук, доцент КИМ Константин Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ХУДЯКОВ Владимир Федорович;

кандидат технических наук, доцент ШАТНЕВ Олег Игоревич

Ведущее предприятие — Акционерное общество «Электросила».

Защита состоится 23 февраля 2000 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета К 114.03.07 при Петербургском государственном университете путей сообщения (190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, а уд. 5-407).

Автореферат разослан «.2.1.» января 2000 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета Университета.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент В. С. СМИРНОВ

Актуальность проблемы.

На объектах метрополитена и электрифицированного наземного железнодорожного и городского транспорта используется дорогостоящее оборудование, в котором в процессе длительной эксплуатации, аварийных режимов работы, в результате старения, а также скрытых дефектов производства и некачественного ремонта проявляются различные дефекты, влияющие на работоспособность самого оборудования, а также оказывающие мощные вредные воздействия на работу смежных устройств.

В связи с тем, что электрическое оборудование исключительно многообразно, в работе рассматриваются отдельные аспекты этой проблемы.

В зависимости от того, на каком этапе "жизненного цикла" проводится диагностирование, к средствам диагностики и кон- V троля качества предъявляются различные требования.

Дистанциями ремонта служб электроснабжения проводится "диагностирование и контроль отдельных показателей качества V оборудования в процессе эксплуатации и после ремонта. Дефекты оборудования с высокой степенью достоверности могут быть выявлены на стационарных стендах, что требует его отключения, замены и транспортировки в центры диагностики. Так, для замены и транспортировки трансформатора с тяговой подстанции метрополитена требуется электровоз с двойной тягой, оборудованный краном и лебедкой, а также работа обслуживающего персонала в течение двух ночных смен. Отмеченное приводит к необходимости диагностирования оборудования в процессе эксплуатации с помощью специальных малогабаритных переносных^ средств. Для снижения трудозатрат, времени выполнения программы испытаний электрических машин подвижного состава после ремонта на стационарных стендах, необходимо автоматизи-

ровать процесс диагностирования и контроля отдельных показателей качества.

Работа проводилась по заданию службы электроснабжения Петербургского метрополитена и ОАО "Октябрьский электровагоноремонтный завод" в соответствии с договорами N«556, №303, №555.

Цель диссертационной работы заключается в'разработке методик и средств диагностики и контроля отдельных показателей качества тяговых трансформаторов и электрических машин подвижного состава, а именно: в проектировании, создании и использовании малогабаритных переносных средств диагностирования наличия дефектов в изоляции трехфазных сухих трансформаторов тяговых подстанций метрополитена; в решении задач, связанных с автоматизацией процесса испытаний электрических машин при ремонте подвижного состава.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование процессов в объектах диагностирования и в оборудовании при испытаниях тяговых трансформаторов и электрических машин подвижного состава.

2. Разработка научно-обоснованной методики диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов.

3. Разработка, проектирование и использование малогабаритного переносного устройства для диагностирования дефектов в изоляции обмоток тяговых трансформаторов.

4. Расчет точности измерений и выработка рекомендаций к автоматическому регулированию при автоматизации отдель-

ных пунктов программы контроля качества электрических машин подвижного состава после ремонта.

Методика исследований. Для решения указанных задач используются методы Гира, дискретных резистивных схем, теории электрических цепей, имитационного моделирования, математические модели электромеханических преобразователей, теория точности. Для численных расчетов использовался пакет Ма^аЬ. Правомерность теоретических моделей оценивалась сопоставимостью результатов расчета с экспериментальными данными.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели процессов в электрических машинах и в оборудовании при испытаниях, базирующиеся на представлении машин как управляемых электромеханических преобразователей, а также модели процессов при импульсных испытаниях изоляции тяговых трансформаторов с использованием методов Гира.

2. Предложен и обоснован способ создания режима импульсных испытаний трансформатора путем подключения генератора- импульсного напряжения к обмотке низшего напряжения, с диагностированием изоляции обмотки высшего напряжения, стержня, соседнего к стержню, на обмотку низшего напряжения которого подается импульс.

3. Разработана методика диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов, основанная на отслеживании изменений в поведении введенной характеристики (системной функции), обладающей повышенной чувствительностью к наличию дефектов в изоляции. Проведенные экспериментальные.. исследования подтвердили эффективность предложенной методики.

4. Как результат проведенных исследований разработано устройство диагностирования изоляции тяговых трансформаторов метрополитена мощностью от 630 кВА до 2500 кВА, а также сформулированы требования к точности измерений и регулированию при автоматизации программы контроля отдельных показателей качества электрических машин подвижного состава после ремонта.

Практическая ценность работы состоит в возможности осуществления диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов: частичного пробоя на корпус и межвит-ковых замыканий, определения ухудшения поперечной изоляции. Результаты работы были использованы при создании устройства диагностирования изоляции трансформаторов (УДИТ), разработанного на кафедре "Теоретические основы электротехники" ПГУПСа по заданию Петербургского метрополитена. Данное устройство внедрено и находится в эксплуатации в службе электроснабжения метрополитена. Результаты работы были использованы при создании средств автоматизации измерений сопротивлений секций обмоток роторов электрических машин и программы электрических и механических испытаний генераторов подвижного состава. Данное оборудование было передано заказчику: ОАО "Октябрьский электровагоноремонтный завод".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: - .<

- 56, 57 и 58 научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых в 1996, 1997, 1998 гг. ,■ в

ПГУПС,

- научных семинарах кафедры "Теоретические основы электротехники" ПГУПС,

- 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 1996 г.),

- 6 международной научно-технической конференции " Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" (Санкт-Петербург, 1998 г.),

- Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы внедрения технической диагностики узлов и деталей подвижного состава" (Санкт-Петербург 1999 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 112 страницах машинописного текста, иллюстрируется 28 рисунками и 11 таблицами и состоит из введения, четырех глав,, заключения и списка литературы из Ю2 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи диссертационной работы. Указаны научная новизна и практическая ценность работы, дана краткая аннотация работы.

В первой главе выполнен анализ существующих методов и средств диагностики и контроля отдельных показателей качества трансформаторов и вращающихся электрических машин.

Данная проблематика рассматривается в работах Биргера И.А., Генке Р.Г., Мозгалевского A.B., Гаскарова Д.В., Исаева И.П., Глущенко М.Д., Кулаковского В.В., Сви П.М., Иеруса-лимова М.Е., Купчинского Г.С., Бережанского В.Б., Козырева

H.A., Скворцова A.A., Дурандина Г.В., Пушкарева И.Ф., Соболева В.М., Новикова М.Н., Плакса A.B. и других авторов.

В результате анализа установлено, что существующие методы и средства диагностики и контроля отдельных показателей качества энергоемкий громоздки (если диагностика и контроль проводятся в эксплуатационном режиме), или весьма трудоемки (если указанные операции проводятся в центрах диагностики). Сказанное предопределяет необходимость в создании малогабаритного, переносного оборудования и в автоматизации процесса наиболее трудоемких частей программы испытаний электрических машин после ремонта подвижного состава.

Во второй главе была исследована возможность создания режима импульсных испытаний тяговых трансформаторов путем обратного включения, при котором генератор одиночных импульсов подключается к обмотке низшего напряжения. '

Такая схема включения позволяет удовлетворить противоречивым требованиям, связанным с обеспечением малых габаритов и массы устройства с одной стороны и ограничением на величину мощности генератора — с другой. Выли сформулированы требования к параметрам сигнала и: решена задача анализа и синтеза.

Длина импульса выбрана равной 5 мс. Из рассмотрения нелинейной модели с учетом насыщения рис.1

(Сг - емкость конденсатора генератора, Собм _ емкость обмотки) опре-;Собм делены вид импульса тока генератора в обмотке низшего напряжения и импульса напряжения в обмотке высшего напряжения.

Cr=L

Рис.1

Для целей диагностики рассматривались высокочастотные коле-

бания, связанные с наличием индуктивности рассеяния и емкостей обмоток и конструкций. Наличие различных дефектов в изоляции приводит к перераспределению магнитных потоков, к изменению формы кривой тока на "землю".

В результате анализа предложена характеристика колебательного процесса (системная функция):

я^тГ52-. (1)

/да

о

где в качестве переменной выступает амплитуда подаваемого на обмотку НН фазы р импульсного напряжения,

итр — амплитуда напряжения в обмотке низшего напряжения фазы р,

д — фаза, с обмотки высшего напряжения которой замеряется ток на "землю" гд,

Тк — продолжительность высокочастотных колебаний. Введеная характеристика (1) обладает повышенной чувствительностью к наличию дефектов в изоляции обмоток трансформатора таких, как: частичный пробой на корпус и межвитковые замыкания, а также к увеличению потерь в изоляции.

С помощью системной функции была сформулирована методика для ¡обнаружения дефектов в изоляции, основанная на сравнительном анализе значений 71$, 1

Испытания проводятся на различных ступенях, соответствующих различным значениям подаваемого напряжения. При наличии пробоя на корпус системная функция имеет скачкообразное поведение с падением к нулю, при наличии межвитковых замыканий — значение системной функции увеличивается.

В третьей главе рассмотрены вопросы создания и использования для экспериментальных исследований оборудования для из-

мерения значений системной функции.

В результате было разработано и изготовлено устройство для диагностирования изоляции трансформаторов (УДИТ).

Блок-схема данного устройства показана на рис.2. Оно состоит из генератора импульсов напряжения (1), измерительного блока (2) и блока управления последовательностью операций (3).

Генератор импульсов напряжения

Схема УЛИТ.

з

Управление последов, операций

Пуск

-й--М

тгиг"

Др

АЦП

АЦП

Индикатор напряженки |

Индикатор Кр

ит Ь

'ср

Рис.2.

УДИТ позволяет обнаружить следующие дефекты: межвитковые замыкания, начиная с одного витка, частичный пробой на корпус, увеличение потерь в поперечной изоляции.

С помощью УДИТ проведен ряд экспериментальных исследований на трансформаторах мощностью от 630 до 2500 кВА, используемых в Петербургском метрополитене. Экспериментальные исследования подтвердили эффективность разработанной методики.

Для примера, в табл.1 приведены данные по трансформатору ТСЗП-2500. Из таблицы видно, что при межвитковом пробое, значение системной функции увеличивается более, чем в 1.5 раза по сравнению с нормальным состоянием.

. Таблица 1

Значения системной функции для ТСЗП-2500.

ступень п ■яГ ; : пва

б. д. пр. А б.д. пр.С б.д. пр.В

1 12.1 25.1 9.2 25.1 9.2 25.1

2 10.2 24.3 8.1 17.2 7.3 19.1

3 9.1 21.2 7.1 15.1 6.3 16.3

4 7.0 17.3 6.2 13.1 5.1 14.3

5 7.0 15.3 5.2 11.1 4.1 12.2

6 6.3 .14.3 5.1 10.0 4.0 11.1

б.д. — обмотка без дефектов, пр. — пробой в изоляцйи. В табл.2 приведены данные по другому трансформатору ТСЗП-2500/10, у которого имеется частичный пробой на корпус. Это хорошо видно по значениям 72.р: скачкообразное поведение, резкое падение значений при увеличении подаваемого напряжения.

Наличие обнаруженных дефектов потверждалось стандартной программой испытаний на стационарном стенде.

Таблица 2 ТСЗП-2500/10. Пробой на корпус со стороны катушки стержня С.

ступень псь тг?

б. д. пр. А б. д. пр.С б. д. пр.В

1 12.0 25.1 9.2 . 7.1 9.2 25.1

2 9.1 24.3 8.3 6.3 7.4 19.2

3 8.1 16.3 7.1 0.1 6.3 16.2

4 7.1 15.1 6.3 3.4 5.3 14.4

5 7.0 13.1 5.2 0 4.3 13.0

6 6.3 12.1 5.0 0 4.0 11.1

С помощью УДИТ можно обнаружить ухудшение изоляции в поперечном направлении, а именно увеличение потерь, что проявляется в уменьшении значений системной функции.

На рис.3 представлены графики значений системной функции,

и, в

Рис.3. 10

соответсвующие различному состоянию изоляции: кривая 1 — межвитковое замыкание, кривая 2 — нормальное состояние, кривая 3 — увеличение потерь в поперечной изоляции, кривая 4 — пробой на корпус.

В четвертой главе рассматриваются вопросы автоматизации программы испытаний электрических машин подвижного состава после ремонта.

На ремонтном заводе (ОАО " Октябрьский электровагоноремонтный завод") для механических и электрических испытаний подвагонных генераторов цельнометаллических вагонов используется стенд, в котором разгонный двигатель и испытуемый генератор работают в связке, при этом, в механических испытаниях трансформатор питает силовую цепь разгонного двигателя, в электрических — выступает в роли вольтодобавки.

Была проведена автоматизация управления программой испытаний. Блок-схема пульта управления стендом представлена на рис.4.

Блок-схема управления.

Рис.4.

1 - блок кнопочного управления стендом; 2 - дешифратор состояния кнопок и силовой схемы; 3 - индикатор вида испытаний; 4 - реле времени испытания; 5 - генератор импульсов 1сек; б - индикатор времени испытаний; 7 - блок управления контакторами силовой цепи стенда; 8 - блок управления силовыми тиристорами; 9 - генератор импульсов включения тиристоров; 10 - силовой управляемый мост; 11 - управляющий тахометр; 12 - измеритель-тахометр; 13 - датчик числа оборотов; 14 - цифровое информационное табло; 15 - блок "Пуск"; 16 - блок "Стоп". Использование в схеме полу-управляемых диодо-тиристорных мостов как в цепи разгонного двигателя, так и в цепи испытуемых генераторов, дает возможность осуществлять испытания в режиме взаимной нагрузки.

Для выработки требований к дискретности управления до времени и по напряжению была построена математическая модель системы в целом. Рассматривались генераторы постоянного тока. Система уравнений, описывающая работу стенда и управления, выглядит следующим образом:

' (Ьа + = ие.д.(т,Ы) - п(«)»в - к^л +

^г = щл + Гч%а - гщф/й

_ «М _ г(гЬ _ш(г)ф(г) (2)

Ат ~ П1<1 2 г* ^ ¡Л

((*!** - МГ>ФЙ)*'. + (*2 + ~ "»„)

где

/ \ , (г) , ^ Г1{Ы) = Та + Г?1 + ---¿—Ы + Ц,

+ хул +

(г)

= Хаа к(г] = Хы и/1 = Г**

Х<т!й + Хай 1 + х<т1с1 + хаА

г(г) . ' г(г)т(г)г.(г)

, _ ХаЛХа^кс (г) _ ^¿^¿Кс 2 — р 1 к2--М-'

иа, 1-а — напряжение и ток якоря и ¡л ,1/<1 — налряжение и ток параллельной

обмотки возбуждения; г0 — сопротивление цепи якоря с учетом всех

последовательно включенных обмоток; Ьа — индуктивность якоря;

^аЛ — потокосцепление, вызванное основным потоком полюсов; яа<г — индуктивность основного потока; кс — коэффициент, учитывающий

последовательную обмотку возбуждения; Ф/<* — потокосцепление параллельной обмотки возбуждения; — индуктивность рассеяния параллельной обмотки;

¡1} — инерционная постоянная вращающихся масс; а; — угловая электрическая скорость вращения якоря ;

т — момент, связанный с потерями.

Все величины записаны в относительных единицах, г = где шв — базисная скорость.

Параметры без индекса относятся к двигателю, с индексом (г) — к генератору.

В совместной системе дифференциальных уравнений все величины приведены к двигателю. иВА(т, а>), и/^(т), и$(г) определяют режим испытаний.

Моделирование работы стенда с использование (2) дает следующие ограничения для дискретности управления по времени и по напряжению на вольтодобавке: Д£ $ 1 с, Аи $ 5 В.

В программу испытаний электрических машин постоянного тока после ремонта входит измерение сопротивлений секций ротора для обнаружения межвитковых и межламельных замыканий, проверки качества пайки. Отличительная особенность данной процедуры — большие временные затраты и утомляемость контролера.

Для автоматизации процесса измерений сопротивлений и анализа полученных данных предложен и изготовлен стенд. Схема испытательного стенда представлена на рис.5

За один оборот якоря проводится N измерений напряжения и тока (И — число ламелей).

Одним из важных вопросов является вопрос о точности измерений.

В работе решена задача расчета точности, а именно: определено с какой точностью необходимо измерять напряжение и и ток г, чтобы с заданной точностью определить сопротивления секций — вектор г.

Ответ на поставленный вопрос дается соотношением (3):

И V 1«! Ы/

где к = 1.2 -г 1.5,

и — вектор значений напряжения, г —- вектор значений тока.

Схема стенда для измерения сопротивлений секций.

Рис.5.

Достоверность процедуры распознавания дефектов была установлена с помощью имитационного моделирования процесса диагностики.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Разработаны математические модели процессов в оборудовании при испытаниях, базирующиеся на представлении машин как управляемых электромеханических преобразователей, а также модели процессов при испытании изоляции трансформаторов, основанные на методах Гира.

2. Разработана методика для определения дефектов в изоляции тяговых трансформаторов, в" основу которой положены импульсные испытания. Методика основана на отслеживании поведения введенной системной функции и не требует визуальных наблюдений за изменением формы кривых.

3. С помощью разработанной методики создано и внедрено в службе электроснабжения Петербургского метрополитена малогабаритное переносное устройство диагностирования изоляции трансформаторов в условиях эксплуатации. Проведены экспериментальные исследования наличия дефектов в изоляции обмоток тяговых трансформаторов, показавшие высокую эффективность методики и разработанного оборудования.

4. Созданы и переданы заказчику ОАО "Октябрьский электровагоноремонтный завод" средства автоматизации для программы механических и электрических испытаний подвагонных генераторов, стенд для измерений сопротивлений секций и отслеживания дефектов в изоляции роторов электрических машин постоянного тока.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гоголев Г.А. Комбинированные методы анализа и синтеза точности систем электрического транспорта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1996, С.126.

2. Гоголев Г.А. Установка контроля качества якорей электрических машин подвижного состава. Тезисы докладов 57 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1997, С. 167.

3. Гоголев Г.А. Исследование электромагнитных процессов в силовых цепях испытательного оборудования. Тезисы докладов 58 научно-технической конференции с участием молодых специа-

листов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1998, С. 178.

4. Гамаюнов A.B., Гоголев Г.А., Курмашев С.М. Контроль качества обмоток якорей тяговых электрических машин постоянного тока. Тезисы докладов 6 международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств", Санкт-Петербург, 1998 г., С.68-69.

5. Гамаюнов A.B., Гоголев Г.А. Комбинированные методы анализа и синтеза точности систем в задачах управления качеством электрического транспорта. Тезисы докладов 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 1996 г.),

6. Гоголев Г.А. Методы и средства контроля качества изоляции тяговых трансформаторов. Программа и тезисы докладов Всероссийской научйо-практической конференции "Проблемы внедрения технической диагностики узлов и деталей подвижного состава", Санкт-Петербург 1999 г., С.13.

С.122.

Подписано к печати 13.01.2000 г. Ус.л.л. 1,09 п.л. Печать офсетная. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 Заказ й ¿у-/ Тирах 1%% экз.

Тип. ПГУПС I9003I , С-Петербург, Московский пр.,9

Введение.

1. Анализ существующих методов контроля качества электрических машин и трансформаторов.

1.1. Контроль качества электрических машин.

1.2. Методики и средства диагностики состояния трансформаторов в условиях эксплуатации.

1.3. Контроль отдельных показателей качества электрических машин подвижного состава.

2. Разработка методики диагностирования состояния изоляции обмоток тяговых трансформаторов.

2.1. Создание режима импульсных испытаний.

2.2. Использование методов Гира при моделировании процессов в электрическом оборудовании.

2.3. Математические модели электромагнитных процессов в трансформаторе при диагностировании состояния изоляции.

2.4. Методика диагностирования.

3. Разработка устройства для диагностирования изоляции тяговых трансформаторов. Экспериментальная часть.

3.1. Устройство диагностирования состояния изоляции трансформаторов.

3.2. Экспериментальные исследования.

4. Автоматизация контроля отдельных показателей качества электрических машин после ремонта подвижного состава. 70 4.1. Разработка стенда для электрических и механических испытаний электрических машин.

4/2. Математическая модель стенда для электрических и механических испытаний электрических машин.

4.3. Работа на стенде.

4.4. Разработка методики диагностирования состояния обмоток роторов электрических машин.

4.5. Расчет точности измерений.

4.6. Максимальное и минимальное значение напряжения с учетом сопротивления контакта щеток с коллектором.

4.7. Имитационное моделирование.

4.8. Стенд для диагностики состояния изоляции роторов электрических машин.

На объектах метрополитена и электрифицированного наземного железнодорожного и городского транспорта используется дорогостоящее оборудование, в котором в процессе длительной эксплуатации, аварийных режимов работы, в результате старения, а также скрытых дефектов производства и некачественного ремонта проявляются различные дефекты, влияющие на работоспособность самого оборудования, а также оказывающие мощные вредные воздействия на работу смежных устройств. Все это заставляет включать в комплекс работ по ремонту и техническому обслуживанию контроль качества электрического оборудования.

В связи с тем, что электрическое оборудование исключительно многообразно, в работе рассматриваются отдельные аспекты этой проблемы.

В зависимости от того, на каком этапе "жизненного цикла" проводится диагностирование, к средствам диагностики и контроля качества предъявляются различные требования.

Дистанциями ремонта служб электроснабжения проводится диагностирование и контроль отдельных показателей качества оборудования в условиях эксплуатации и после ремонта. Дефекты оборудования с высокой степенью достоверности могут быть выявлены на стационарных стендах, что требует его отключения, замены и транспортировки в центры диагностики. Так для замены и транспортировки трансформатора с тяговой подстанции метрополитена требуется электровоз с двойной тягой, оборудованный краном и лебедкой, а также работа обслуживающего персонала в течение двух ночных смен. Отмеченное приводит к необходимости диагностирования оборудования в процессе эксплуатации с помощью специальных малогабаритных переносных средств. Для снижения трудозатрат, времени выполнения программы испытаний электрических машин подвижного состава после ремонта на стационарных стендах необходимо автоматизировать процесс диагностирования и контроля отдельных показателей качества.

Работа проводилась по заданию службы электроснабжения Петербургского метрополитена и ОАО "Октябрьский электровагоноремонтный завод" в соответствии с договорами №556, №303, №555 в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методик и средств диагностики и контроля отдельных показателей качества тяговых трансформаторов и электрических машин подвижного состава, а именно: в проектировании, создании и использовании малогабаритных переносных средств диагностирования наличия дефектов в изоляции трехфазных сухих трансформаторов тяговых подстанций метрополитена; в решении задач, связанных с автоматизацией процесса испытаний электрических машин при ремонте подвижного состава.

Задачи исследований. Для реализации поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Исследование процессов в объектах диагностирования и в оборудовании при испытаниях тяговых трансформаторов и электрических машин подвижного состава.

2. Разработка научно-обоснованной методики диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов.

3. Разработка, проектирование и использование малогабаритного переносного устройства для диагностирования дефектов в изоляции обмоток тяговых трансформаторов.

4. Расчет точности измерений и выработка рекомендаций к автоматическому регулированию при автоматизации отдельных пунктов программы контроля качества электрических машин подвижного состава после ремонта.

Методика исследований. Для решения указанных задач используются методы Гира, дискретных резистивных схем, теории электрических цепей, имитационного моделирования, математические модели электромеханических преобразователей, теория точности. Для численных расчетов использовался пакет МаЬЬаЬ. Правомерность теоретических моделей оценивалась сопоставимостью результатов расчета с экспериментальными данными.

Научная новизна.

1. Разработаны математические модели процессов в электрических машинах и в оборудовании при испытаниях, базирующиеся на представлении машин как управляемых электромеханических преобразователей, а также модели процессов при импульсных испытаниях изоляции тяговых трансформаторов с использованием методов Гира.

2. Предложен и обоснован способ создания режима импульсных испытаний трансформатора путем подключения генератора импульсного напряжения к обмотке низшего напряжения, с диагностированием изоляции обмотки высшего напряжения стержня, соседнего к стержню, на обмотку низшего напряжения которого подается импульс;.

3. Разработана методика диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов, основанная на отслеживании изменений в поведении введенной характеристики (системной функции), обладающей повышенной чувствительностью к наличию дефектов в изоляции. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность предложенной методики.

4. Как результат проведенных исследований разработано устройство диагностирования изоляции тяговых трансформаторов метрополитена мощностью от 630 кВА до 2500 кВА, а также сформулированы требования к точности измерений и регулированию при автоматизации программы контроля отдельных показателей качества электрических машин подвижного состава после ремонта.

Практическая ценность работы состоит в возможности осуществления диагностирования наличия дефектов в изоляции тяговых трансформаторов: частичного пробоя на корпус и межвит-ковых замыканий, определения ухудшения поперечной изоляции. Результаты работы были использованы при создании устройства диагностирования изоляции трансформаторов (УЛИТ), разработанного на кафедре "Теоретические основы электротехники" ПГУПСа по заданию Петербургского метрополитена. Данное устройство внедрено и находится в эксплуатации в службе электроснабжения метрополитена. Результаты работы были использованы при создании средств автоматизации измерений сопротивлений секций обмоток роторов электрических машин и программы электрических и механических испытаний генераторов подвижного состава. Данное оборудование было передано заказчику: ОАО "Октябрьский электровагоноремонтный завод".

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- 56, 57 и 58 научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых в 1996, 1997, 1998 гг. в ПГУПС,

- научных семинарах кафедры "Теоретические основы электротехники" ПГУПС,

- 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. 7

Москва, 1996 г.),

- б международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств" (Санкт-Петербург, 1998 г.),

- Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы внедрения технической диагностики узлов и деталей подвижного состава" (Санкт-Петербург 1999 г.).

Основные результаты работы:

1. Разработаны математические модели процессов в оборудовании при испытаниях, базирующиеся на представлении машин как управляемых электромеханических преобразователей, а также модели процессов при испытании изоляции трансформаторов, основанные на методах Гира.

2. Разработана методика для определения дефектов в изоляции тяговых трансформаторов, в основу которой положены импульсные испытания. Методика основана на отслеживании поведения введенной системной функции и не требует визуальных наблюдений за изменением формы кривых.

3. С помощью разработанной методики создано и внедрено в службе электроснабжения Петербургского метрополитена малогабаритное переносное устройство диагностирования изоляции трансформаторов в условиях эксплуатации. Проведены экспериментальные исследования наличия дефектов в изоляции обмоток тяговых трансформаторов, показавшие высокую эффективность методики и разработанного оборудования.

4. Созданы и переданы заказчику ОАО " Октябрьский электровагоноремонтный завод" средства автоматизации для программы механических и электрических испытаний подвагонных генераторов, стенд для измерений сопротивлений секций и отслеживания дефектов в изоляции роторов электрических машин постоянного тока.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гоголев Г.А. Комбинированные методы анализа и синтеза точности систем электрического транспорта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1996, С.126.

2. Гоголев Г.А. Установка контроля качества якорей электрических машин подвижного состава. Тезисы докладов 57 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1997, С. 167.

3. Гоголев Г.А. Исследование электромагнитных процессов в силовых цепях испытательного оборудования. Тезисы докладов 58 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. - СПб.: ПГУПС, 1998, С. 178.

4. Гамаюнов A.B., Гоголев Г.А., Курмашев С.М. Контроль качества обмоток якорей тяговых электрических машин постоянного тока. Тезисы' докладов б международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств", Санкт-Петербург, 1998 г., С.68-09.

5. Гамаюнов A.B., Гоголев Г.А. Комбинированные методы анализа и синтеза точности систем в задачах управления качеством электрического транспорта. Тезисы докладов 2 международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (г. Москва, 1996 г.), С.122.

6. Гоголев Г.А. Методы и средства контроля качества изоляции тяговых трансформаторов. Программа и тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы внедрения технической диагностики узлов и деталей подвижного состава", Санкт-Петербург 1999 г., С.13.

Заключение.

1. Авилов В.Д.,Беляев В.П., Исмаилов Ш.К., Макарочкин В.В. Новый способ диагностики двигателей.// Электрическая и тепловозная тяга. — 1992. —№2. — С.32-33.

2. Авилов В.Д. Разработка и внедрение диагностической системы испытаний ТЭД на испытательной станции электромашинного цеха. N2 заявки изобр.: 01880043357, Л'9 документа: 920034622 ГАСНТИ: 45.29.29.00, индивид, заявитель: ВН-ТИП Реферат.

3. Алексеев Б.А., Несвижский Е.А. Система контроля и диагностики состояния трансформаторов.// Электр, станции. — 1990. — №3. — С. 48-51.

4. Алексенко Г.В., Ашрятов А.К., Фрид Т.С. Испытания высоковольтных и мощных трансформаторов и автотрансформаторов. — М.: Гос. энергетическое издательство, 1962.

5. Алпатов М.Е. Система уравнений, векторная диаграмма и схема замещения трансформатора для целей диагностики.// Задачи динам, электромех. систем, ОГТУ- Омск, 1995. -С.138-144.

6. Анисимов С.С., Духанин A.M. Приборы для выявлениякорот-козамкнутых витков в катушках трансформаторов и дросселей. — М. 1960.

7. Базовский И. Надежность. Теория и практика. — Перевод с англ. под ред. Б.Р.Левина. М.: Мир, 1965. - 376 с.

8. Бессуднов Е.П. Обнаружение мест дефектов изоляции обмоток электрических машин постоянного тока. — М: Энергия,1977.

9. Бернштейн Л.М. Изоляция электрических машин. —М.: ЦИНТИ, 1962.

10. Биргер И.А. Техническая диагностика. — М., 1978.

11. Бондаренко В.М. и другие. Дискретные модели нелинейных трансформаторов и их программная реализация на ЭВМ. — Киев: ИЭД, 1987.

12. Брехна. Защита обмоток трансформаторов от импульсных напряжений. — М., 1959.

13. Булатов В.П., Фридлендер И.Г., Баталов А.П. и др. Основы теории точности машин и приборов. — СПб.: Политехника, 1993.

14. Ванин Б.В. и другие. Повышение эффективности применения традиционных методов контроля изоляции трансформаторов.// Электрические станции, 1983, N28.

15. Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Батяев Ю.В. О зонных измерениях диэлектрических характеристик изоляции трансформаторов. //Электричество, 1998. — №4. — с.21-27.

16. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. — Л.: Энергия, Ленинградское отделение. 1970.

17. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. — 2-е издание переработанное и дополненное, Л.: Энерго-атомиздат. 1991.

18. Вольдек А.И. Электрические машины. — Энергия: Ленинградское отделение, 1974.

19. Вопросы диагностики состояния и прогнозирования ресурса изоляции тяговых электрических машин. //Международнаяконференция "Состояние и перспективы развития локомоти-востроения", Новочеркасск, 7-9 июня, 1994 : Тезисы доклада, С. 142-143.

20. Геллер Б. Веверка А. Импульсные процессы в электрических машинах. — Москва, "Энергия", 1973.

21. Генке Р.Г. Неисправности электрических машин. —JI., 1975.

22. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчет характеристик элементов цепей РЭА. — М.: Советское радио, 1976.

23. Глущенко М.Д. Обоснование режима ускоренных испытаний тяговых двигателей ЭПС. //МИИТ, Межвузовский сборник — М. 1978.

24. Гоголев Г.А. Исследование электромагнитных процессов в силовых цепях испытательного оборудования. Тезисы докладов 58 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. СПб.: ПГУПС, 1998, с. 178.

25. Гоголев Г.А. Комбинированные методы анализа и синтеза точности систем электрического транспорта. Тезисы докладов 56 научно-технической конференции с участием молодых специалистов и ученых. СПб.: ПГУПС, 1996, С.126.

26. Гоголев Г.А. Установка контроля качества якорей электрических машин подвижного состава. "Неделя науки -97". Программа и тезисы докладов. (57 научно-техн. конференция), ПГУПС, С. 167.

27. Голодное Ю.М. Контроль за состоянием трансформаторов.— М.: Энергоатомиздат, 1988.

28. Гордеев С.Н. Стлнция технической диагностики (СТД). // Город издания: 630004 Новосибирск-4, Комсомольский пр.З, 1991 Дорожный ПНТИ Западно-Сибирской железной дороги, реферат.

29. Горский А.Н., Глазков Ю. А. К вопросу исследования импульсных переходных процессов в трансформаторах. — Известия вузов. Электромеханика, 1970, №7.

30. Грязнов Н.М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах. — М.: Радио и связь, 1986.

31. Грузов JI.H. Методы математического исследования электрических машин. — M.-JL: Госэнергоиздат, 1953.

32. Гуревич З.М., Жабко Г.П. Испытание изоляции электрических машин выпрямленным напряжением переменной полярности (комбинированным напряжением). Сборник "Электротехническая промышленность", серия "электротехнические материалы", вып. 16-17, 1971.

33. Деккер А. Физика электротехнических материалов. —M.-JL: Госэнергоиздат, 1962.

34. Демирчян К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. — , Москва, "Высшая школа", 1988.

35. Джордейн Р. Справочник программиста персональных компьютеров пита IBM PC, ХТ, AT. — М.: Финансы и статистика., 1991.

36. Диагностирование обмоток электрических машин по рабочим характеристикам.// Известия АН СССР, Энер. и трансп. — 1991 .— № 6. — с.156-160.

37. Дробышевский A.A., Левицкая Е.И. Индикация повреждений обмоток с использованием метода низковольтных импульсов.// Электротехника. — 1994. — №10. — С. 27-28.

38. Дробышевский A.A. Оценка уровня технологии изготовления обмоток трансформаторов по результатам динал1ических испытаний.// Электротехника, 1997.— №3. — С.52-54.

39. Дурандин М.Г. Информативность процессов ионизации в диагностических обследованиях изоляции тяговых двигателей локомотивов. № документа: 940006596 ГАСНТИ: 73.29.41.19.37, Индивид, заявитель: ВНТИЦ Реферат.

40. Зайцев В.А. Способ испытаний силовых трансформаторов на стойкость при коротком замыкании и устройство для его осуществления. ВНИ проект.-конструкт. и технол. ин-т. трансформаторостр., Бюл. №17.

41. Зимин В.И., и др. Обмотки электрических машин. — Энергия, Ленинград, 1976.

42. Зимин E.H., Кацевич B.JL, Козырев С.К. Электроприводы постоянного тока с вентильными преобразователями. — Москва, Энергоиздат., 1981.

43. Зорохович А.Е., Либман А.З. Электро- и радиооборудование пассажирских ва,гонов. — Москва, "Транспорт", 1977.

44. Иванов В.А., Чемоданов В.П. Математические основы теории автоматического регулирования.- М.: Высшая школа, 1971, 807 с.

45. Исаев И.П., Козлов Л.Г., Глущенко М.Д. Методы моделирования электрических нагрузок при программировании режимов ускоренных стендовых испытаний.//— Электричество, 1987 . — №4. — с.27-33.

46. Исаев И.П., Козлов Л.Г., Матвеевичев А.П. Прогнозирование надежности тяговых электродвигателей подвижного состава по результатам ускоренных испытании.//- Электричество, 1983. — №11. — с.36-40.

47. Ицхоки Я.С. Минимальный объем импульсного трансформатора.// Радиотехника, 1957. — №10. — с. 66-84.

48. Каганов В.Г. Волновые явления в электрических машинах.-— Редакционно-издательский отдел сибирского отделения АН СССР Новосибирск, 1964.

49. Каганович Е.А. Испытания трансформаторов малой и средней мощности на напряжение до 35 кВ включительно. — М.: Энергия, 1969.

50. Каганович Е.А., Райхлин И.М. Испытания трансформаторов мощностью до 6300 кВА и напряжением до 35 кВ. — М.: Энергия, 1980.

51. Карасев В.А. Теория электромагнитных процессов в обмотках. — М.: Госэнергоиздат, 1946.

52. Кейн В.Э. Воспроизводимость процесса. — Курс на качество, 1992, №2, с.87-114.

53. Козырев H.A. Изоляция электрических машин и методы ее испытания.— М.: 19G2.57. Козырев H.A., Ивацик Е.Е.

54. Отчет о научно-исследовательской работе "Исследование электрической прочности термореактивной изоляции высоковольтных электрических машин при разных формах напряжения". ЛПИ им. М.И.Калинина. Ленинград. 1974.

55. Кононов Ю.С. и другие. Обнаружение повреждений трансформаторов при, коротких замыканиях.// Электрические станции, 1980, №7.

56. Копылов А.П. Математическое моделирование электрических машин. — М., "Высшая школа", 1984.

57. Красковская С.Н. и др. Текущий ремонт и техническое обслуживание электровозов постоянного тока. Красковская С.Н., Риделъ Э.Э., Черепашенец Р.Г. — М.: Транспорт, 1989.408 с.

58. Кумэ X. Статистические методы повышения качества. — Пер. с англ. М.: Финансы и статистика. 1990.

59. Кун А.П. Задачи и принципы построения экспертных систем технической диагностики электрооборудования электроподвижного состава. ЦНИИТЭИ МПС, Реферат ВИНИТИ № РЖ 96.5В31ДЕП.

60. Кун А.П. Система ведения бая данных диагностики электрооборудования ЭПС. , Всероссийский заочный ин-т, инж. ж.-д. трансп. М76 1995.

61. Лоханин А.К. и другие. Перенапряжения и частичные разряды в трансформаторах. — М., 1973.

62. Мамиконянц Л.Г. Испытание вит,ковой изоляции электрических машин. — М.-Л., Госэнергоиздат, 1959.

63. Меркин Г.Б. Испытание электрических машин и трансформаторов. Пособие к лабораторным работам. — Л., 1966.

64. Минасбекова В.А., Трубачев С.Г. Разработка систем изоляции сухих трансформаторов за рубежом. — М.: Информэлек-тро, 1988.

65. Мозгалевский A.B., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика.1. М., "Высшая школа", 1975.

66. Неглинский В.В., Бельдей В.В., Лорман Л.М. Совершенствование ремонта оборудования электровозов. // Железнодорожный транспорт. № 1, 1996, С. 32-39.

67. Некряченко Г.П., Михеев Г.М., Филиппов В.К. Диагностика трансформаторов. //Изв. Инж.-технол. акад. Чуваш. Респ.1996-1997. — №3. — С. 287-291.

68. Новиков М.Н. Импульсные напряжения в силовые цепях магистральных локомотивов и электропоездов. Автореф. дис. на соиск. учен, степени д. т. н., ЛИИЖТ, 1983, 32 с.

69. Новиков М.Н. Разработка методики и аппаратуры диагностики состояния изоляции; переоборудование схемы электропередачи тепловоза. Техн. отчет о работе Л.,1975. 70 с. с ил.

70. Патент РФ №2063050 Устройство контроля и защиты силовых трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях в процессе эксплуатации.— Лурье А.И., Шлегель O.A., Хренников А.Ю., 1996, Бюл. №18.

71. Пиотровский JI.M. Электрические машины. — JI.-M.: Гос-энергоиздат., 1949.

72. Плакс A.B., Зеленченко А.П., Бояринов А.П. Диагностика тяговых двигателей электрического подвижного состава. Учебное пособие, СПб.: ПГУПС 1999.

73. Попов В.Н. Совершенствование методов прогнозирования состояния изоляции электрических машин подвижного состава. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, ПГУПС, 1993.

74. Порозов Н.В. Индуктивный метод определения места вит-ковых замыканий в обмотках силовых трансформаторов. — М.: Госэнергоиздат., 1954.

75. Постников И.М. Обобщенная теория и переходные процессы электрических машин. — Москва, "Высшая школа", 1975.

76. Правила ремонта электрических машин электроподвижного состава. — М.: Транспорт, 1992 296 с.

77. Правила технического ремонта и технического обслуживания электровозов ЧС2, ЧС2Т, ЧСЗ, ЧС4 и ЧС4Т. М.: Транспорт, 1982 - 350 с.

78. Русин Ю.С., Гликман И.Я., Горский А.Н. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры. — М.: "Радио и связь", 1991.

79. Рыбаков JI.M. и др. Контроль состояния изоляции трансформатора по ее диэлектрической характеристике.// Пром. энергетика. — 1986. — №10. — С. 42-45.

80. Сазыкин В.Г. База знаний экспертной системы, ранней диагностики силовых трансформаторов.// Пром. энергетика. — 1986. — №10. — С. 42-45.

81. Сви П. Испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959.

82. Смирнов М.В. Контроль и испытание обмоток электрических машин и аппаратов. — М.: Госэнергоиздат.,1959.

83. Совершенствование методики испытаний изоляции тяговых двигателей. Железные дороги мира. — JV^ 10. — 1998. — с. 37.

84. Стефанов К.С. Техника высоких на7ьряжений. —Л.: Энергия, 1967.

85. Тагаса Наото. Контроль изоляции тягового электродвигателя. — RRR., номер выпуска: 48,11. — 1991. — с. 27-32.

86. Тардов Б.Н. Изоляция электрических машин. — М., 1966.

87. Тихомиров М.П. Расчет трансформаторов. — Москва Энер-гоатомиздат, 1986.

88. Трушков A.M. Совершенствование технического уровня ремонта, контроля, испытания электрических машин. К2 заявки изобретения 01870068127, № документа: 90054422, ГАН-СТИ: 73.29.41.01.81, 73.29.41.29.00, Индивидуальный заявитель: ВНТИЦ Реферат.

89. Уайтхед С. Пробой твердых диэлектриков. — М.-Л.: Госэнергоиздат., 1959.

90. Федорченко С.А., Тургеля B.K. Вопросы диагностики состояния и прогнозирования pecijpca изоляции тяговых электрических магиин.// Международная конференция "Состояние и перспективы развития локомотивостроения". Новочеркасск. — 1994. — С.142-143.

91. Хренников А.Ю., Салтыков В.М. Диагностика повреждений силовых трансформаторов в ходе электродинамических испытаний.// Электромеханика. — 1995. — №5-6. — С.122-127.

92. Чинь X.JI. Макромоделирование трансформаторов. Задачи динам, электромех. систем, Омск.ГТУ.- Омск, 1995. С. 1517.9G. Чуа Л.О., Пен-Мин Лин. Машинный анализ электронных схем (Алгоритмы и вычислительные методы). — М.: Энергия, 1980.

93. Шабад М.А. Защита трансформаторов 10 kB. — М.: Энер-гоатомиздат, 1989.

94. Шуйский В.П. Расчет электрических магиин. — Л.: Энергия, 1968 г.

95. Шустов В.А. Автоматизация измерений при изготовлении и эксплуатации силовых трансформаторов. Автореф. диссертации на соискание ученой степени к. т. н., Свердловск, 1986.

96. Jansa F. Прогнозная диагностика изоляции тяговых двигателей. //EleKtrotechnik. — 1989.44. — № 3. — с. 67-71. чеш.

97. Kane V.E. Process capability indices Qual. Technol. 1986, Vol 18, №11, p.41-52, Corrigenda, №12, p.265.

98. Устройство позволяет обнаруживать частичные пробои на корпус и межвитковые пробои изоляции высоковольтных обмоток тяговых трансформаторов.

99. В настоящее время устройство находится в эксплуатации в службе электроснабжения Петербургского метрополитена. Экономический эффект уточняется.