автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Методы и средства комплексных испытаний электрооборудования по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте

На правах рукописи

МЕЛКАУИ ХАССАН

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОМПЛЕКСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ В СУДОСТРОЕНИИ И СУДОРЕМОНТЕ

Специальность: 05.08. 04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДПР 2012

Санкт-Петербург - 2012

005019879

005019879

Работа выполнена в ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Приходы« Валентин Макарович

Официальные оппоненты:

Чистов Валентин Борисович, доктор технических наук, профессор, заЕ кафедрой сопротивления материалов и строительной механики ФБОУ ВПО «Саню Петербургский государственный университет водных коммуникаций»;

Саввин Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, доцент, доцен кафедры электротехники и электрооборудования судов ФГБОУ ВПО «Саню Петербургский государственный морской технический университет».

Ведущая организация: ОАО «Инженерный центр Судостроения»

Защита состоится «20» апреля 2012 г.

в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Сан Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адрес 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, дом 5/7, ауд. 235;

тел. 8-(812)-490-93-08; e-mail: acouncil@spbuwc.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Сан Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан «14» марта 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор технических наук,

профессор

Ерофеев Валентин Леонидови

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В отрасли водного транспорта качественные технологические процессы по обеспечению режимов прогрева, подсушки, сушки, восстановления, испытаний изоляции электрооборудования судов существенно влияют на продолжительность нахождения судов в ремонте и послеремонтную надежность отремонтированного судового электрооборудования. Для повышения эффективности и интенсификации судоремонтного производства необходимо производить оценку технического состояния электрооборудования судов на подготовительном этапе ремонта с достаточной полнотой и объективностью.

В настоящее время интенсификация судостроительного и судоремонтного производства настоятельно требует модернизации ранее разработанных и длительно эксплуатируемых устройств для сушки, восстановления и испытаний изоляции электрооборудования судов. Опыт судоремонта показывает, что на послеремонтные испытания электрооборудования судов затрачивается большое количество времени. Это требует совершенствования методики, рационализации и оптимизации программ послеремонтных испытаний электрооборудования судов.

В рыночной экономике огромное значение имеет рациональная организация и качественное выполнение технологических процессов прогрева, подсушки, сушки, восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судового электрооборудования в эксплуатационных условиях в период навигации, в рейсе (море) и перед постановкой судна в ремонт. Оптимальная организация технологического процесса сушки, испытаний, диагностики требуется для судового электрооборудования, выгружаемого с судов и ремонтируемого в электроцехах судоремонтных предприятий, береговых производственных участков (БПУ), ремонтно-эксплуатационных баз (РЭБ) флота. На водном транспорте необходим анализ и синтез энергоресурсосберегающего управления технологическими процессами нагрева и испытаниями судового электрооборудования. Анализ традиционных методов сушки, испытаний, способов и средств оценки технического состояния электрооборудования судов показывает, что они недостаточно эффектны и малопроизводительны, а также приводят к неоправданным затратам.

В соответствии с Федеральным Законом № 261 - ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...» от 23 ноября 2009 г. требуется разработка эффективных методов и средств комплексных испытаний электрооборудования судов по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте для сокращения простоев судов.

Таким образом, разработка эффективных методов, средств сушки, восстановления изоляционных систем, диагностики и интенсификации комплексных испытаний электрооборудования судов по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте является для флота актуальной научно-технической задачей, требующей специальных исследований.

Объект исследования - судно, судовое электрооборудование которого обязательно проходит послеремонтные комплексные испытания в процессе судоремонта.

Предмет исследования - методы сушки изоляции увлажненных обмоток судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях, а также при судоремонте, вопросы повышения эффективности и интенсификации комплексных испытаний электрооборудования судов в отрасли водного транспорта.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы является уменьшение простоев судов, снижение энергозатрат, обеспечение ресурсосбережения, повышение эффективности, интенсификация и оптимизация комплексных испытаний судового электрооборудования по

энергосберегающей технологии после зимнего отстоя речных судов, при судоремонте, а также в эксплуатационных условиях на водном транспорте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Обосновать и разработать экономически эффективный способ осуществления новой энергосберегающей технологии управляемой токовой сушки судовых синхронных генераторов, определив параметры новой инновационной технологии суппси и восстановления сопротивления изоляции их переменным током в цепях обмоток возбуждения в эксплуатационных условиях.

2.Разработать математические модели для теплового расчета судового синхронного генератора, оценки количественных показателей и характеристик надёжности асинхронных двигателей при воздействии каждого из факторов, определения трудоемкости ремонт электродвигателей судов.

3.Для судостроения и судоремонта предложить информационное обеспечение и методик комплексных испытаний электрооборудования судов по энергосберегающей технологии.

4.Разработать технологическую систему обработки изоляции электрооборудования судов, обеспечивающую ресурсосбережение, снижение энергозатрат, повышение эффективности, интенсификацию и оптимизацию технологических режимов процесса прогрева, подсушки, сушки, восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых электрических маши после зимнего отстоя речных судов, при комплексных испытаниях в судоремонте, а также в эксплуатационных условиях на водном транспорте.

5.Разработать мобильные устройства для сушки, профилактических высоковольтнь комплексных испытаний, диагностики изоляционных систем судового электрооборудования в эксплуатационных условиях на судах; синтезировать новые инновационные имитационные 1 преобразовательные устройства и дать практические рекомендации по их использованию судостроении и судоремонте.

Методы исследований. Исследования проводились с применением современног математического аппарата (вероятностно-статистических методов, интегро-дифференциального матричного исчисления), методов теории электрических цепей. Методологической осново" диссертационной работы является системный подход. При решении задач исследования использованы методы теории сушки, теории теплопроводности, теории автоматического регулирования, теории технической диагностики и теории обработки результатов эксперимента.

Достоверность выводов и результатов базируется на использовании фундаментальных законов и положений теорий: электрических машин, сушки, теплопроводности, автоматического управления, технической диагностики, а также удовлетворительным совпадениям результатов расчётов с данными, полученными при лабораторных и натурных испытаниях. Достоверность результатов экспериментов обеспечена использованием современных средств измерения и регистрации, а также необходимым уровнем воспроизводимости, повторяемости результатов измерения. Достоверность теоретических положений подтверждена практическим использованием методики расчёта параметров новой технологии сушки судовых синхронных генераторов переменным током в цепи обмоток возбуждения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что на основе проведённых исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления ремонтом электрического, электронного оборудования и средств автоматизации судов. В частности:

- для судостроения и судоремонта разработан инновационный способ сушки и восстановления изоляционных систем судовых синхронных генераторов переменным током в

цепи обмоток возбуждения, регулируемым энергосберегающим портативным универсальным тиристорным преобразователем с перестраиваемой структурой силового вентильного модуля;

- разработана и обоснована методика по сушке и восстановлению сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов;

- разработана математическая модель для расчётов нагрева обмоток судовых синхронных генераторов при токовой сушке;

- получено факторное уравнение, которое позволяет выполнить расчёты количественных показателей и характеристик надёжности асинхронных электродвигателей при воздействии каждого из факторов;

определена трудоёмкость ремонта двигателей судовых автоматизированных электроприводов на основе метода (формулы) множественной корреляции;

- создана технологическая система обработки изоляции электрооборудования судов, обеспечивающая эффективное выполнение всех технологических процессов в судоремонте;

- обоснован выбор диагностических параметров судовых электрических машин и разработана схема развития дефекта.

Практическая значимость работы и реализация.

Практическое значение диссертационной работы состоит в следующем:

1.Для судостроения и судоремонта создано математическое обеспечение, позволяющее производить серию тепловых расчётов судовых синхронных генераторов при сушке током, управляемым энергосберегающим универсальным тиристорным портативным преобразователем с перестраиваемой структурой силового вентильного блока.

2.Предложена методика теплового расчёта судовых синхронных генераторов при сушке электрическим током, регулируемым с помощью разработанных полупроводниковых преобразователей переносного типа.

3.Разработана методика по сушке и восстановлению сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях на судах, а также при судоремонте.

4.Разработаны энергосберегающие мобильные установки с тиристорным управлением для обеспечения энергосберегающей технологии комплексных испытаний, оптимизации технологического процесса обнаружения дефектной изоляции, интенсификации определения скрытых мест повреждения и повышения эффективности диагностирования изоляционных систем электрооборудования судов в отрасли водного транспорта.

5-Разработана методика для оценки трудоёмкости ремонта судовых электродвигателей постоянного тока с использованием метода множественной корреляции.

Результаты расчётов по методу множественной корреляции могут служить основой для создания необходимой нормативной базы на ремонт оборудования на судоремонтных предприятиях в отрасли водного транспорта.

Практическая ценность работы также состоит в том, что сформулированные выводы и рекомендации могут быть использованы при реализации утверждённых Федеральным агентством морского и речного транспорта программ разработки методов комплексных испытаний электрооборудования судов по энергосберегающей технологии и построения автоматизированных систем управления движением судов в речных бассейнах Единой глубоководной системы внутренних водных путей Российской Федерации.

Разработана энергосберегающая мобильная установка для комплексных испытаний, диагностики изоляции электрооборудования на строящихся и ремонтируемых судах.

Реализация результатов. Полученные результаты внедрены в учебном процессе подготовки специалистов ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» на кафедре «Судовые энергетические установки, технические средства и технологии» по специальностям: 180404.65 - «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», 180403.65 - «Эксплуатация судовых энергетических установок» и 180402.65 - «Судовождение». Разработанная мобильная энергосберегающая установка для комплексных испытаний и диагностики изоляции электрооборудования внедрена в ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания», в филиале «Приморские электрические сети», в «Приморские ЦЭС». Инновационная технология сушки и восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов переменным током в цепи обмоток возбуждения, регулируемым тиристорным преобразователем, использована при судоремонте в ООО «Форпик Стандарт Сервис». Способ управляемой сушки увлажнённых обмоток судового электрооборудования по энергосберегающей технологии внедрён при судоремонте ледоколов «Капитан Сорокин», «Иван Крузенштерн», танкера «Волгонефть-178», плавучего крана «ПК-34», сухогрузного теплохода «Капитан Данилкин» и морского буксира спасателя «Малый Таймыр» («Набат»),

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Метод сушки и восстановления сопротивления изоляции судовых синхронных генераторов переменным током, регулируемым энергосберегающими тиристорными преобразователями в цепях обмоток возбуждения.

2.Методика сушки и восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях на судах.

3.Математическая модель в виде факторного уравнения, позволяющего рассчитать количественные показатели и характеристики надёжности судовых электродвигателей при воздействии каждого из факторов на водном транспорте.

4.Структура и состав технологической системы обработки изоляции электрооборудования судов, обеспечивающей эффективное выполнение всех технологических процессов.

5.Математическая модель зависимости трудоёмкости ремонта судовых электродвигателей постоянного тока напряжением 220 В от основных технических характеристик, разработанная на основе метода множественной корреляции.

6.Структура и состав энергосберегающей мобильной установки для комплексных испытаний и диагностики изоляционных систем электрооборудования судов в судостроении и судоремонте.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Судостроение, судоремонт, судовая энергетика и техническая эксплуатация флота», посвященной 70-леппо Судомеханического факультета (г. Санкт-Петербург, 2008г.); международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (г. Санкт-Петербург 2009 г.); 9-ой международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», (г.Санкт-Петербург, 2010г.); 12-ой Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика (РИ-2010)». (г. Санкт-Петербург, 2010г.); международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития», (г. Санкт-Петербург, 2010г.); научно-методических семинарах кафедры «Судовые энергетические установки, технические средства и технологии»» (г. Санкт-Петербург, 2008-2011гг.); межвузовской научно-практической конференции студентов и

аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (г. Санкт-Петербург, 2010г.); 2-ой межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (г. Санкт-Петербург, 2011 г.); совместном заседании кафедр судостроения и технологии судоремонта ФБОУ ВПО «СПГУВК» (г. Санкт-Петербург, 2011г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 14 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 7 статей в материалах международных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 109 наименований библиографических источников и 3 приложений. Объём диссертации 247 страниц, включая 44 рисунка и 27 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые автором на защиту и дана её общая характеристика.

В первой главе выполнен анализ способов сушки судовых синхронных генераторов (ССГ). Представлены способы сушки увлажнённых обмоток ССГ (самовозбуждающихся и бесщёточных) в эксплуатационных условиях на судах. Проведено сравнение существующих методов сушки и восстановления изоляционных систем ССГ и рассмотрены более подробно те из них, которые можно просто, доступно и эффективно осуществить в судовых эксплуатационных условиях.

В отрасли водного транспорта установлено, что для такого ответственного электрооборудования судов, как судовые синхронные генераторы, после их длительных стоянок и зимнего отстоя речного флота массово приходится повышать сопротивление отсыревшей изоляции до норм, регламентированных Российским Речным Регистром. На судах сушку и восстановление сопротивления изоляции увлажнённых обмоток такого мощного крупного электрооборудования, как ССГ, выполнить сложнее, чем асинхронных двигателей (АД), так как в этом случае требуется значительно более мощный источник электроэнергии с особыми параметрами, которые в судовых эксплуатационных условиях изготовить трудно.

Для крупных ССГ большой мощности предложено несколько способов сушки как с помощью внешних источников тепла, так и с подачей напряжения на некоторые обмотки синхронного генератора. Все рассмотренные в диссертации методы сушки в принципе дают положительный результат, однако на практике в судовых эксплуатационных условиях целесообразно использовать те из методов сушки и восстановления сопротивления изоляции отсыревших обмоток, для которых можно применить имеющиеся на судах источники электроэнергии, то есть можно практически легко и эффективно осуществить эти методы сушки в судовых эксплуатационных условиях.

Сушку внешним нагреванием рекомендуется применять в судостроении и судоремонте при низком значении сопротивления изоляции менее 50 кОм для обмоток статоров электрических машин переменного тока и менее 20 кОм для обмоток возбуждения машин постоянного и переменного токов. В технологическом процессе сушки целесообразно обеспечить прохождение нагретого воздуха по тому же пути, что и при существующей в электрической машине системе охлаждения. Недостатком этого способа сушки является трудоёмкость его выполнения для мощных ССГ и сложность регулирования теплового оптимального режима.

Способ сушки потерями в станине предусматривает при судоремонте намотку намагничивающей обмотки на статор ССГ аналогично такому же способу сушки асинхронного двигателя. Достоинством этого способа сушки является возможность его применения для ССГ,

имеющих очень низкое сопротивление изоляции, а недостатком - необходимость иметь на судах достаточно мощный источник регулируемого низкого напряжения, рассчитанного на большие токи. Кроме того, намагничивающая обмотка для ССГ большой мощности также должна быть довольно мощной, а трудоёмкость её изготовления и расход материалов больше.

Для неподвижного ССГ возможны два способа сушки обмоток: подключение источника однофазного или трёхфазного тока промышленной частоты в обмотки статора; подключение источника постоянного тока в обмотку возбуждения. Данные способы сушки применяются для ССГ, находящихся в собранном состоянии, причём сопротивление изоляции увлажнённых обмоток должно быть не ниже 0,1 МОм. Недостатком этого метода является необходимость иметь на судах источник трёхфазного переменного тока регулируемого напряжения, рассчитанного на большие токи, что в условиях эксплуатации осуществить трудно и сложно. Кроме того, обмотки возбуждения ССГ будут нагреваться до более низких температур, так как их нагрев происходит косвенным путём теплом окружающей среды от внутренней полости электрической машины. Во втором случае в обмотку возбуждения ССГ можно подать постоянный ток от имеющегося на судах источника постоянного тока - сварочного преобразователя. Этот способ сушки ССГ может быть легко выполнен в судовых условиях эксплуатации, а также в судостроении и судоремонте. Недостатком этого метода сушки ССГ является более низкая температура обмоток статоров, обусловленная её косвенным нагревом.

Сушка током увлажнённых обмоток вращающегося судового синхронного генератора осуществляется при симметричном трёхфазном коротком замыкании в режиме генератора. Этот способ сушки обеспечивает достаточно равномерный нагрев всех обмоток ССГ, легко поддаётся регулированию и может быть выполнен в судовых эксплуатационных условиях. Его недостаток -это необходимость довольно длительной работы первичного двигателя (дизеля) ССГ с малой нагрузкой.

Определено, что на судах речного флота в условиях эксплуатации наиболее целесообразно использовать два способа сушки:

- для неподвижного ССГ - подключение источника постоянного тока в обмотку возбуждения;

- для вращающегося ССГ - режим симметричного короткого трёхфазного замыкания в режиме генератора.

Представлены особенности сушки судовых валогенераторов с бесщёточными системами возбуждения в режиме симметричного трёхфазного короткого замыкания.

Сушка неподвижного судового синхронного генератора постоянным током в цепи обмотки возбуждения осуществляется на неподвижном ССГ при разомкнутой обмотке статора. Сушка осуществляется потерями в обмотке возбуждения, в которую подаётся постоянный ток от сварочного выпрямительного агрегата, установленного на речных и морских судах.

Установлено, что ведущие мировые фирмы Marathon Electric (США) и Thomson Technology Inc. (Канада), входящие в компанию A Subsidiary of Régal Beloit Corporation (США), рекомендуют для судовых бесщёточных синхронных генераторов типов MAGNAPLUS мощностью от 5,0 до 420 кВА, MAGNAMAXDVR мощностью от 136 до 2400 кВА и MAGNAPOWER мощностью от 2000 до 4000 кВА следующие способы сушки изоляционных систем до ввода в эксплуатацию на судах речного и морского транспорта: электрическими подогревателями объёма, установленными внутри генератора; внешним нагреванием внутри электропечи; нагнетанием тепла в заборник воздуха (кожух кабельного ввода) портативным нагнетателем воздуха с подогревом при работающем без нагрузки и возбуждения (этого можно добиться, вытащив плавкий предохранитель регулятора напряжения) генераторе; способ короткого замыкания.

Во второй главе в соответствии с поставленной задачей разработано математическое обеспечение для теплового расчёта судовых синхронных генераторов (самовозбуждающихся и бесщёточных) при сушке в судовых эксплуатационных условиях. С целью обеспечения энерго- и ресурсосбережения, повышения элекгропожаробезопасности, интенсификации технологических режимов прогрева проведены теоретические исследования ускоренной сушки и восстановления изоляционных систем судового электрооборудования при судоремонте. Разработана математическая модель для расчётов нагрева увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов при токовой сушке. Показано, что одним из наиболее известных, простых и легко контролируемых способов восстановления сопротивления изоляции ССГ в эксплуатационных условиях на судах является сушка путём нагрева отсыревших обмоток током. Причём мощность источника при сушке ССГ большой мощности, обеспечивающего нагрев обмоток до 70 ...80°С, должна быть достаточно велика.

Математическая модель для оценки нагревания увлажнённых обмоток судовых синхронных (самовозбуждающихся и бесщёточных) генераторов при токовой сушке в эксплуатационных условиях на судах получена на основании тепловой схемы замещения (рис.1). Система уравнений для этой схемы имеет следующий вид:

(02-в3)/я^=р2-> (1)

где в1,в2,ву — превышения температуры для обмоток статора, ротора и внутренней полости машины, соответственно, К;

, й2_3, й3_0 — тепловые сопротивления между соответствующими частями машины, а также между внутренней полостью машины и окружающей средой, К/Вт;

Р1,Р2,Р3 — мощности, рассеиваемые соответственно в статоре, роторе и внутренней полости, Вт.

Данная схема замещения ССГ является достаточно точной для оценки ожидаемых температур токовой сушки. Для системы уравнений (1) определено аналитическое решение:

(в, =РА-з +вг\

к=р2д2_ ,+03; (2)

к +Рг+РЛ

Рис. 1. Упрощённая тепловая схема замещения судового синхронного генератора

Значения тепловых сопротивлений для ССГ различной мощности можно получить из графиков: зависимости тепловых сопротивлений от полной мощности Б судовых синхронных

генераторов (сопротивления с индексом «неп» относятся к неподвижным, «вр» - к вращающимся машинам).

Анализ процесса токовой сушки судовых ССГ в режиме короткого замыкания (КЗ) показал, что в начале сушки ток в обмотках должен составлять 0,2...0,4, а затем доводиться до 0,5... 0,7 от номинального. При этом необходимый ток возбуждения определяется по характеристике КЗ генератора. Недостатком этого способа является длительная работа дизеля практически без нагрузки. Особенно трудно осуществить этот способ сушки на валогенераторах. При сушке неподвижного ССГ током в цепи обмотки возбуждения сильно нагревается обмотка ротора и значительно слабее -обмотки статора.

В результате теоретических исследований разработана методика теплового расчёта для двух режимов сушки:

-режима короткого замыкания для вращающегося синхронного генератора; -для неподвижного синхронного генератора при подаче напряжения постоянного тока от предложенного универсального тиристорного преобразователя с перестраиваемой структурой силового вентильного модуля только в обмотку возбуждения.

Для решения задачи интенсификации сушки и форсированного восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток ССГ требуется учесть значения их параметров, особенности конструкции и системы охлаждения. Разработан новый эффективный метод ускоренной сушки ССГ в эксплуатационных условиях на судах переменным током, регулируемым с помощью универсального тиристорного преобразователя с перестраиваемой структурой силового вентильного модуля в цепи обмотки возбуждения. Особенность технологического процесса сушки неподвижного синхронного генератора переменным током промышленной частоты состоит в том, что в обмотку возбуждения подаётся переменный ток, регулируемый универсальным тиристорным преобразователем с перестраиваемой структурой силового вентильного модуля, а обмотки статора разомкнуты или замкнуты накоротко. В этом случае в синхронном генераторе создаётся пульсирующее магнитное поле, ось которого определяется положением ротора в расточке. Ток в обмотке возбуждения ССГ зависит в основном от индуктивных сопротивлений обмоток возбуждения, успокоительной и обмотки статора.

Для экспресс-расчётов на ПЭВМ в судовых эксплуатационных условиях оптимальных параметров сушки изоляции увлажнённых обмоток предложены упрощённые схемы замещения синхронных (самовозбуждающихся и бесщёточных) генераторов, которые соответствуют разомкнутой обмотке статора и замкнутой накоротко.

Индуктивность обмотки возбуждения определяется по формуле

Х,=2#. ■^■к/-кф,Ом, (3)

л-кц-к^-З р

где / - частота сети;

= \к • 10~7 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха; т,1 - полюсное деление и длина пакета частей статора, м; к^ =1 - коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси;

ке = 1,2...1,25 - коэффициент воздушного зазора, определяется по формулам для известных размеров пазов и зубцов СГ; б - воздушный зазор СГ, м;

= 2р-їїгІІ - число витков обмотки возбуждения; 2р - число полюсов СГ; 1¥п - число витков одного полюса;

к{ =0,95... 1,1 - коэффициент формы кривой магнитного поля обмотки возбуждения; кф =0,85...0,95 -коэффициент патока явнополюсной синхронной машины.

Для большинства судовых СГ отсутствуют данные о геометрических размерах магнитопровода, и поэтому приходится определять их с помощью графиков, что снижает точность расчётов. Основные размеры явнополюсных СГ можно определить из графиков рис. 2, в зависимости от полной мощности, приходящейся на один полюс, т.е. $/2р, а затем по формуле (3) определить индуктивность обмотки возбуждения.

гоо до ьоо

¿/т

Рис. 2. Основные размеры явнополюсных судовых синхронных генераторов для расчётов параметров сушки

Судовые СГ имеют значительно меньший воздушный зазор по сравнению с друпми синхронными машинами, и поэтому индуктивности рассеяния обмоток возбуждения , успокоительной

Хф, и обмотай статора Х^ относительно меньше чем у обычных синхронных машин. Поэтому результирующее индуктивное сопротивление цепи возбуждения с учёюм успокоительной обмотки при разомкнутой обмотке статора равно

х, = х, + «(0,13-0,15) хг,Ом (4)

В случае замкнутой накоротко обмотки статора результирующее индуктивное сопротивление со стороны обмотки возбуждения равно

1 «(0,85...0,1)-дг/>Ом. (5)

*/=х«г+-1 1

1

Активная мощность (Вт) со стороны сети определяется активными сопротивлениями в обмотках и может рассчитываться по выражениям при разомкнутой обмотке статора:

. иг

Р, = —, (6)

- и2

а при замкнутой: Р, = —г сое <р,

где и - напряжение, подводимое к обмотке возбуждения, В;

cos^> = 0,5...О,б — коэффициент мощности схем замещения с учётом активных сопротивлений всех трёх обмоток ССГ, т.е. возбуждения, успокоительной и обмоток статора.

Мощность, рассеиваемую в обмотке статора, можно приближённо найти как разность Pf и Pf. При этом систему уравнений (2) можно записать в следующем виде:

•02=Д2_э Р}+в3; (7)

в, = К3-оР/

Зная потери в обмотках, можно по формулам (2) и (7) определить их нагрев.

Предлагаемый способ токовой сушки позволяет достаточно равномерно нагревать обмотки ротора и статора машины. Недостатком этого способа является небольшая мощность потерь, так как большое индуктивное сопротивление по формулам (4) и (5) снижает значения токов в обмотках, которые при напряжении U=220 В составляют 0,1...0,2 номинального значения. Однако если длительность процесса сушки или восстановления сопротивления изоляции не является важной, такой способ сушки весьма эффективен, что было подтверждено опытами в эксплуатационных условиях на судах.

Таким образом, с помощью приведённых формул можно выбрать наиболее целесообразный способ сушки ССГ и рассчитать необходимые для сушки токи или напряжения, а также проверить, не будет ли температура сушки превышать максимально допустимую.

Напряжение промышленной частоты, подаваемое тирисгорным преобразователем в обмотку возбуждения, не должно превышать 220 В.

Выполнены многочисленные расчёты параметров и характеристик сушки синхронных генераторов переменным током, регулируемым универсальным тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения. Даны типовые примеры расчётов мощности источника при ускоренной энергосберегающей сушке синхронных генераторов различных типов переменным током, регулируемым универсальным тирисгорным преобразователем. Для дизель-генератора с номинальной мощностью, равной 320 кВА, мощность, поступающая в обмотки, при сушке составляет Pf. = 685 Вт, P"f=850 Вт. Для сушки синхронного генератора с номинальной мощностью 1320 кВА расчётная мощность источника при способе сушки увлажншных обмоток переменным током, регулируемым универсальным тирисгорным преобразователем, составляет Pf=1670Вт, Р"{ = 2280Вт.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что технологический процесс сушки изоляционных систем электрооборудования с помощью портативного универсального тиристорного преобразователя выполняется эффективно, качественно со значительно меньшими по сравнению с другими традиционными методами затратами труда.

Этот инновационный способ сушки и восстановления сопротивления изоляции отсыревших обмоток синхронного генератора экономически целесообразно применять в эксплуатационных условиях при повышении сопротивления изоляции, так как мощность, подаваемая в обмотки, относительно небольшая.

Третья глава содержит:

• факторный анализ отказов электродвигателей на вод ном транспорте;

• определение трудоёмкости ремонта двигателей судовых автоматизированных электроприводов;

• выбор диагностических параметров судовых электрических машин;

• систему обработки изоляции электрооборудования судов, портов и гидротехнических сооружений.

Выполненные исследования и статистические данные показывают, что к основным видам аварийных ситуаций на водном транспорте относятся технологические перегрузки асинхронных электродвигателей, заклинивание механизмов, несимметричные и неполноценные режимы метрической

сети. Ориентировочное распределение причин аварий следующее: перегрузка - 35...40%, обрыв фазы -30—35%, заклинивание-25.. .30%, прочие, включая влажность, - 5... 10%.

Интервальная интенсивность отказов по т-й причине рассчитывалась по зависимости , _ Ня пт(0

N„ Nm,+NmM

(8)

•Ai

где No - число всех взятых под наблюдение двигателей (No = 571); N„ -число двигателей, отказавших по m-й причине; N„¡,1 - число исправно работающих двигателей в начале интервала Ai ; Nmi — число исправно работающих двигателей в конце интервала At ; nm(t) - число отказавших двигателей в отрезке времени от t- 0,5 -Ai до t + 0,5 ■ Al ; Ai - выбранная величина интервала времени, 5000 ч.

При помощи метода наименьших квадратов по интервальным значениям находилась интенсивность отказов в зависимости от каждого фактора в виде уравнения

Л„=Л0п+Ат-Кт^--1 (9)

и вероятность безотказной работы при условии воздействия на двигатели одного фактора

(10)

где \т,Ап,Кт- постоянные коэффициента распределения Вейбуяла.

В результате математической обработки было получено следующее факторное уравнение интенсивности отказов асинхронных электродвигателей, используемых на водном транспорте:

A(t) = A,-Kt-1+ А2 ■ Кг ■ tк'-' + А, ■ К, ■ tк'~1 + Д, • Кл ■ tK'~] + А5 ■ К; ■ t +

+ А6-Ks ■tKf-'+A1 -ЛГ7 -frH +А% Kt-tK'-x +А,-К, ■tк'~х +АЮ-Кю-tK"~\

Числовые коэффициенты приведены в табл. 1. Используя полученное факторное уравнение, были рассчитаны вероятность безотказной работы -Гадл f£v

Р = е° =е" (12)

и интенсивность отказов с учётом всех факторов Р,_10 и Л,_10, без учёта недостаточного уровня квалификации обслуживающего персонала /|3_10 и Л, 3_10, а также без учёта факторов 2, 5, б, 9 - PlX4JM0 и А,347810. Воздействие факторов 5, 6, 9 может быть существенно снижено путём использования чувствительной и надёжной защиты.

Таблица 1

(П)

Причина отказа Коэффициенты

А>»1 4, Km — 1

Старение изоляции (1) — 6^1 10й 2,09

Недостаточный уровень квалификации обслуживающего персонала (2) — 5,62 • Ю-4 -0,3649

Воздействие плесневых грибков (3) — 1,27 ■1(Та 1,56

Обрыв схемы обмотки (4) 9 • 10"7 6,4 -Ю25 4,0

Обрыв в линии (5) 6,67-10® — —

Недостаточная чувствительность защиты (6) 3,9 -10* — —

Загрязнение смазки (7) 5-10Г7 127-10® 4,9

Отсутствие смазки (8) 1,28-1СГШ 1,0

Аварийные перегрузки (9) 2,5 • 10е 5,08-ю16 2,32

Воздействие влажности (10) — 1,87-1а15 2,0

Установлено, что несовершенство существующих методов дефектации и связанные с этим недостатки в организации подготовки ремонтных предприятий обуславливают увеличение общего срока ремонта судового электрооборудования и повышение затрат на его проведение. Рассмотрены вопросы совершенствования организации ремонта судовых электродвигателей. Дана оценка трудоёмкости ремонта электродвигателей судовых автоматизированных электроприводов.

В отрасли водного транспорта широко применяются электродвигатели постоянного тока. Исследование зависимости трудоёмкости ремонта двигателей постоянного тока напряжением 220 В от ряда факторов (мощности, масс) приводит к выводу о её нелинейности и графически представляется в виде кривой. В то же время другие факторы (частота вращения и др.) существенно не влияют на трудоёмкость ремонта. В связи с этим, для определения трудоёмкости ремонта судовых двигателей принимается формула множественной корреляции

У = а+ь4и+су1в, (13)

где у - трудоёмкость капитального ремонта электродвигателя, челУч; а - постоянный коэффициент, характеризующий среднее влияние на трудоёмкость ремонта двигателя всех прочих неучтённых факторов;

Ь, с- постоянные коэффициенты уравнения, измеряющие степень влияния параметров двигателей на трудоёмкость ремонта; N- мощность двигателя, кВт; й -масса двигателя, кг.

Следовательно, для использования формулы (13) в практических расчётах трудоёмкости ремонта судовых двигателей необходимо определять величины а,Ь,с, которые находятся по способу наименьших квадратов. Для применения этого способа приведём уравнение (13) к линеиному виду заменой После преобразований уравнение (13) принимает

следующий вид:

у = а + Ъх + ст. (14)

Нахождение коэффициентов а,Ь,с в линейном уравнении (14) способом наименьших квадратов производится решением следующей системы уравнений: £у = та + + сЕг,

Ъух = а!х + Ь1л2 + сЕхг, (15)

Ъуг = +Ылг+сЕг2,

где т - число электродвигателей, использованных в качестве базы для нахождения постоянных величин а,Ь,с.

Таким образом, формула зависимости трудоёмкости ремонта судовых электродвигателей постоянного тока напряжением 220 В от основных технических характеристик, выведенная методом множественной корреляции, принимает вид:

^ = 26,38 + 9,31л/лг + 0,56л/О. (16)

Значение коэффициента множественной корреляции очень близко к 1, что свидетельствует о тесноте связи, т.е. мощность двигателя и его масса оказывает наиболее существенное влияние на трудоёмкость ремонта.

В судоремонтном производстве применение корреляционного метода позволяет значительно сократить затраты времени на разработку норм и применить дня расчётов ЭВМ; с высокой степенью точности рассчитывать нормы как совокупность операций, так и на отдельные операции;

использовать дня расчётов значения затрат времени, вычисленные как аналитически - расчётным методом, так и значения, полученные при хрономегражных наблюдениях; произвести расчёт трудоёмкости затрат на ремонт однотипного судового оборудования при отсутствии технически обоснованных норм для этого оборудования.

Показано, что правильность оценки работоспособности судовых электрических машин зависит от того, насколько полно контролируемые параметры отражают их техническое состояние. Причём контролируемых параметров должно быть достаточно доя определения фактического технического состояния судовых электрических машин. Выбор наиболее эффективных параметров можно произвести только при тщательном изучении функциональных связей в структуре диагностируемого объекта. Предварительный выбор можно сделать на основе построения схемы причинно-следственных связей.

Определено, что в отрасли водного транспорта для обработки изоляции электрооборудования судов, портов и гидросооружений применяют широкую номенклатуру специального оборудования, которое отличается по конструктивному устройству, принципу действия, производительности и эффективности использования. В судоремонте создана техническая система обработки изоляции, обеспечивающая эффективное выполнение всех технологических процессов. Схема прогрева, подсушки и сушки активной части мощных силовых трёхфазных трансформаторов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема прогрева, подсушки и сушки акшвной чахли мощных силовых трёхфазных трансформаторов на берегу и судах

Разработанные методы и средства обеспечивают интенсификацию технологического процесса контрольного прогрева, подсушки, сушки, восстановления сопротивления изоляции, совершенствование комплексных испытаний и повышение эффективности диагностирования изоляционных систем элеирооборуцования судов в отрасли водного транспорта.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований технологического процесса сушки и восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судового элеюрооборудования в эксплуатационных условиях на судах. Для проверки предложенных значений токов в цепи обмотки возбуждения и в закороченных обмотках статора были проведены экспериментальные исследования нагрева вращающегося судового синхронного генератора при сушке в режиме симметричного короткого замыкания. При испытаниях в лабораторных условиях и непосредственно на ССГ судов задавались режимы сушки, определялись температуры нагрева обмоток, железа и воздуха внуїри электрической машины. Представлены результаты экспериментальных исследований сушки неподвижного судового синхронного генератора постоянным током в цепи обмотки возбуждения. Установлено, что ток в цепи обмотки возбуждения находится в пределах 0,45.. .0,55 от номинального значения и уменьшается с ростом габаритов ССГ.

Всесторонне испытан способ сушки судовых синхронных генераторов переменным током, регулируемым тиристорним преобразователем в цепи обмотки возбуждения. Испытания проводились на

дизель-генераторах судов с цепью определения возможности восстановления сопротивления изоляции отсыревших обмоток или поддержания его значения на требуемом согласно Российскому речному регистру или Морскому регистру судоходства РФ уровне при его отключении. Если генераторы судовых электростанций имели сопротивления изоляции обмоток возбуждения более 0,05 МОм, то в эти обмотки подавался перемещай ток пониженного напряжения посредством универсального тирисгорного преобразователя с перестраиваемой структурой силового венпиьного модуля. При этом обмотки статора закорочены. Когда сопротивления изоляции обмоток возбуждения повысятся до 0,1 МОм, то на обмотки возбуждения с помощью тирисгорного преобразователя подаётся повышенное напряжение, равное 220 В. Доказано, что предложенный способ восстановления и поддержания сопротивления изоляции отключенных судовых синхронных генераторов может бьпь использован в эксплуатационных условиях на суцах различного назначения. Проведены испытания судовых синхронных генераторов в режимах определения параметров сушки. В обмотку возбуждения судового синхронного генератора с помощью разработанного тирисгорного преобразователя подавалось переменное напряжение, регулируемое в пределах 0.. .220 В. Характеристики сушки снимались при двух рашичных режимах: холостого хода (при разомкнутых статарных обмотках); короткого замыкания (при закороченных обмогках статора). При этом производилась регистрация напряжения и тока, а также акшвной мощности в цепи возбуждения; при коротком замыкании регистрировались дополнительно и токи в фазах обмотки статора.

Выполнены производственные испытания и получены экспериментальные характеристики сушки асинхронных двигателей на судах в соответствии с инструкцией по эксплуатации энергосберегающего универсального тирисгорного преобразователя с перестраиваемой структурой силового вентильного модуля.

Для обеспечения энергосбережения, интенсификации технологического процесса восстановления изоляционных систем увлажненных обмоток судового электрооборудования на водном транспорте проведена серия экспериментальных исследований и определены опытные характеристики нагрева отсыревших обмоток статоров судовых асинхронных двигателей нового типа 4А. Выполнен ряд натурных экспериментов по интенсификации технологического процесса сушки изоляции судовых асинхронных двигателей переменного тока в эксплуатационных условиях на судах. Экспериментальные характеристики ускоренного нагрева увлажнённых статорных обмоток судовых асинхронных двигателей новой серии 4А различной мощности, как в неразобранном виде так и только самого статора (ротор демонтирован), при пропускании через отсыревшие обмотки статоров постоянного тока разной величины, управляемого с помощью портативного универсального тирисгорного преобразователя, приведены на рис. 4 и 5.

мин

Рис. 4. Экспериментальные характеристики нагрева отсыревших статорных обмоток асинхронного двигателя постоянным током, управляемым с помощью тиристорного преобразователя: 1 - асинхронный двигатель в собранном виде; 2 - только статора асинхронного двигателя

О,"С

Рис. 5. Экспериментальные характеристики нагрева увлажнённых обмоток статора асинхронного двигателя постоянным током, управляемым с помощью тирисгорного преобразователя

На основании проведённых натурных экспериментов установлено, что в отрасли водного транспорта наиболее перспективным, энергоресурсосберегающим и обеспечивающим интенсификацию технологического процесса сушки изоляции увлажнённых обмоток электрооборудования судов, портов, гидротехнических сооружений является метод, включающий нагрев отсыревших обмоток с помощью пропускания через них постоянного тока пониженного напряжения, регулируемого портативным тирисгорным преобразователем.

В пятой главе разработаны рекомендации по повышению эффективности комплексных испытаний электрооборудования судов. Представлена методика расчёта надёжности передвижной энергосберегающей установки для производства комплексных испытаний и диагностики изоляционных систем. Произведён расчёт экономической эффективности внедрения ресурсосберегающей технологии управляемой токовой сушки электрооборудования с)дов. Разработана методика по сушке и восстановлению сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов. Сформулированы общие требования по сушке судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях. Даны требования техники безопасности при сушке синхронных генераторов на с^дах. Предложена методика управляемой токовой сушки изоляции увлажнённых обмоток асинхронных двигателей на платном месте установки без демонтажа с судов посредством портативного тирисгорного преобразователя.

Разработана и внедрена энергосберегающая установка дня диагностики изоляции. Синтезирован и разработан энфгоресурсосберегающий мобильный комплекс для диагностирования изоляции электрооборудования судов, портов и гидросооружений. Дана разработанная технология проверок и диагностики силовых электромеханических переключающих устройств электротехнических комплексов «бсрег-с^дно» или «берег-док».

Рассмотрена проблема ограничения аварийных токов в судовых в электроэнергетических системах быстродействующим тирисгорным токоограничигелем шунгового типа. Определены параметры компенсаторов реактивной мощности в отрасли водного транспорта.

В рыночной экономике тенденция широкого использования, эффективность, экономическая целесообразность, перспективность массового внедрения созданных, энергосберегающих, мобильных установок с тирисгорными преобразователями портативного типа определяется радом технико-экономических показателей, одним из которых является надёжность. Для компьютерной оценки надёжности портативного тирисгорного преобразователя в составе энергосберегающей мобильной установки диагностики изоляционных систем необходимо иметь количественные показатели надёжности тиристоров, диодов, плавких предохранителей и системы импульсно-фазовош управления (СИФУ).

Интенсивность отказов силового вентильного модуля портативного тирисгорного преобразователя

Аш = 2(А» + А*) + = 2(0,0063• Ю"6 + 0,2• 10"6) + 0,02• ю" = 0,4326• 10"® 1/ц.

Средняя наработка на отказ по силовому вентильному модулю тирисгорного преобразователя

Г -

™ 0,4326-10~6

Интенсивность отказов портативного, энергосберегающего, тирисгорного преобразователя К = =0,4326-10^ + 2,878-10"* = 3,3106-10®}/.

Средняя наработка на отказ портативного тирисгорного преобразователя

Г = — =-!-г = 3,02-105ч.

Я„ 3,3106-10"'

Вероятность безотказной работы тирисгорного преобразователя за 10000 часов

Рв) = е-^=е~=0,97.

Вероятность безотказной работы тирисгорного преобразователя за 2000 часов

Р(1) = е-*"' = е-3-3|Ш0"21°3 = 0,993.

Следовательно, надёжность энергосберегающего, портативного, тирисгорного преобразователя до выхода из строя первого элемента силового венгального блока определяется надёжностью системы импульсно-фазового управления со средней наработкой на отказ 350000 часов и вероятностью безотказной работы за 2000 часов Р©=0,993.

Опыт продолжительной эксплуатации разработанных, мобильных, энергосберегающих установок с тиристорным управлением подаверждает их технико-экономическую эффективность и надёжность работы в различных климатических условиях.

Управление технологическим процессом сушки, прогрева, подсушки изоляции увлажненных обмоток силового электрооборудования; дожигания, обнаружения скрытых мест повреждения изоляции и дефектации асинхронных двигателей; прожигания, определения дефектной изоляции и диагностики ее пробоя в кабельных коммуникациях и воздушных линиях (В Л) электропередачи наиболее эффективно и перспективно производить с помощью переносных, портативных, энергосберегающих, универсальных тиристорных преобразователей (ТП) с перестраиваемой структурой силового блока, снабженных регулируемыми выходами постоянного и переменного однофазного токов.

В современной рыночной экономике актуальна разработка новых технических решений по методам диагностирования, прогнозирования изменения состояния изоляции электрических машин, включая асинхронные двигатели, и создание опытных образцов диагностических приборов, а также энергосберегающих мобильных установок с тиристорным (симисторным) управлением для профилактических испытаний, диагностики и определения скрытых мест повреждения (пробоя) изоляционных систем.

Для повышения эффективности обнаружения мест повреждения изоляции, увеличения производительности труда, снижения трудовых, материальных и энергетических затрат, обеспечения электро- и пожаробезопасности, улучшения санитарно-гигиенических условий, сокращения времени и облегчения работы обслуживающего персонала при эксплуатации, дефектации и ремонте электрооборудования, а также временных электрических распределительных сетей при испытаниях автономных автоматизированных электростанций по энергосберегающей технологии внедрена разработанная, мобильная, компактная установка диагностики пробоя изоляции. Изготовленная в заводских условиях на одном из энергопредприятий ОАО Дальневосточная распределительная сетевая компания», филиале «Приморские электрические сети», «Приморские ЦЭС» мобильная, передвижная, экологически чистая, энергосберегающая установка для диагностики повреждения изоляции обеспечивает производство комплексных испытаний изоляционных систем обмоток статоров асинхронных двигателей совмещённым способом.

Передвижная установка предназначена для проведения комплекса работ по испытанию, профилактике, пробою, дожиганию, диагностике и обнаружению скрытых мест повреждения изоляции асинхронных двигателей, кабельных и ВЛ электропередачи, аппаратов и др. электрооборудования. С ее помощью производится измерение токов утечки изоляции жил кабелей

временных электрических распределительных сетей в системах электроснабжения и при испытаниях автономных электростанций по энергосберегающей технологии.

Рассматриваемая компактная передвижная установка может быть эффективно применена для дожигания изоляции кабельных коммуникаций в случае большого переходного сопротивления в месте замыкания до значения, необходимого для обнаружения скрытого места повреждения изоляционной системы.

Функциональная схема передвижной установки универсального назначения для комплексных, профилактических, высоковольтных испытаний, диагностики пробоя изоляционных систем и обнаружения скрытых мест повреждения изоляции асинхронных двигателей представлена на рис. 6.

Принципиальная электрическая схема блока высокого напряжения мобильной установки для испытания и диагностики дефектной изоляции асинхронных двигателей различного назначения (кабельных, воздушных линий, аппаратов и др. электрооборудования) изображена на рис. 7.

Изменение испытательного напряжения на выходе высоковольтного блока и регулирование выпрямленного тока пробоя (прожигания) осуществляется плавно в ручном режиме управления с помощью портативного ТП (рис. 8). Силовой блок ТП реализован по схеме ключа переменного тока из встречно-последовательно соединенных тиристоров У81, У82, шунтированных полупроводниковыми вентилями VI) 1, \Т)2.

На рис. 9 приведены перестраиваемые структуры силового вентильного модуля универсального энергосберегающего тиристорного преобразователя.

Приведён принцип действия разработанной и внедрённой в ОАО «Дальневосточная распределительная сетевая компания», в филиале «Приморские электрические сети», в «Приморские ЦЭС» мобильной энергосберегающей установки для диагностики изоляции электрооборудования. Опыт длительной эксплуатации передвижной установки подтверждает, что её использование обеспечивает существенное энерго- и ресурсосбережение.

<-~220 8

Рис. б. Энергосберегающая мобильная установка для диагностики изоляции

м

кі

Н2

кг і

і

' ......1 ч

і 1 1

■ 1

з»

—-6

Рис. 7. Блок высокого напряжения мобильной установки

Рис. 8. Энергосберегающий универсальный тиристорный преобразователь

Рис. 9. Перестраиваемые структуры силового ветильного модуля универсального тиристорного

преобразователя

Практика внедрения показывает, что использование энергосберегающей установки для диагностики, обнаружения скрытых мест повреждения изоляции электрооборудования значительно упрощает организацию и значительно удешевляет стоимость комплексных испытаний, обеспечивая энергоресурсосбережение.

Оперативная и достоверная оценка состояния изоляции электрических машин в процессе их эксплуатации позволяет значительно повысить их надежность, исключив возможность непредвиденных отказов из-за разрушения изоляционных систем. При этом обеспечивается возможность своевременного планирования ремонта электрических машин, включая асинхронные двигатели, в оптимальном объеме, с учетом их фактического состояния. Диагностическое обеспечение для оценки состояния изоляционных систем существенно повышает эффективность диагностирования изоляции электрического оборудования в эксплуатационных условиях.

В отрасли водного транспорта разработан и внедрён передвижной комплекс для профилактических высоковольтных испытаний и диагностики изоляции электрооборудования судов, портов и гидротехнических сооружений.

Выполнены проекты технологически чистых миниатюрных приборов диагностики силовых переключателей со стрелочными индикаторами в виде экспресс-строенного пробника. Кроме того, предложены и синтезированы приборы со свегоизолирующими полупроводниковыми диодами для индикации работы силовых переключателей трансформаторов электротехнических комплексов «берег - док», «берег - судно». Данные разработанные приборы обеспечивают снятие круговых диаграмм силовых электромеханических переключающих устройств одновременно на трёх фазах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты.

На основе проведённых исследований разработан комплекс мероприятий, совокупность которых направлена на совершенствование процесса управления сушкой и интенсификацию испытаний электрооборудования по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте, а именно:

1) предложен и обоснован инновационный метод энергосберегающей сушки увлажнённых обмоток судовых синхронных генераторов переменным током, регулируемым универсальным тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения в эксплуатационных условиях на судах;

2) разработаны математические модели для: теплового расчёта судового синхронного генератора при сушке переменным током, регулируемым тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения; оценки трудоёмкости ремонта судовых электродвигателей постоянного тока напряжением 220 В от основных технических характеристик на основе метода множественной корреляции; получено факторное уравнение интенсивности отказов асинхронных электродвигателей, используемых на водном транспорте, позволяющее рассчитать количественные показатели и характеристики надёжности электродвигателей при воздействии каждого из факторов;

3) разработана методика и практическое руководство для производства комплекса работ по технологии прогрева, подсушки, сушки и восстановления сопротивления изоляции отсыревших обмоток судовых синхронных генераторов (самовозбуждающихся и бесщёточных) различных типов отечественного и зарубежного исполнения с учётом некоторых особенностей их параметров, характеристик, конструкций и систем охлаждения;

4) для отрасли водного транспорта предложена технологическая система обработки изоляции электрооборудования (генераторов, трансформаторов, двигателей) судов, обеспечивающая эффективное выполнение всех технологических процессов на основе системного подхода;

5) разработаны методики расчёта: надёжности мобильной энергосберегающей установки для комплексных испытаний и диагностики изоляционных систем; экономической эффективности внедрения ресурсосберегающей технологии управляемой токовой сушки электрооборудования судов;

6) определена структурная схема развития дефекта судовой электрической машины методом построения причинно-следственных связей для предварительного выбора диагностических параметров; разработана технология проверок и диагностики силовых электромеханических переключающих устройств электротехнических комплексов «берег-судно» или «берег-док»; получены аналитические соотношения и выбраны параметры компенсатора реактивной мощности с учётом характеристик судовой питающей сети.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК министерства образования и науки РФ:

1. Мелкауи Хассан. Способы сушки судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб.: СПГУВК, 2011. - Вып.2. - С.57 - 61.

2. Адам А.А.И., Мелкауи X., Приходько В.М., Кравченко В.И. Энергосберегающая установка для диагностики изоляции // Энергетик. - 2011. - №5. - С.40 - 43.

3. Приходько В.М., Бабенко Б.Б., Мелкауи Хассан. Энергосберегающее восстановление изоляции судовых синхронных генераторов // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб.: СПГУВК, 2011. - Вып.З. - С.18 - 22.

4. Приходько В.М., Приходько A.M., Спиридонов М.В., Мелкауи Хассан. Технология проверок силовых переключателей II Высокие технологии, исследования, промышленность. Т.З: сборник трудов Девятой международной научно- практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 22 - 23.04.2010, Санкт-Петербург, Россия. - СП6..РАН, 2010. - С.359 - 372.

5. Адам Ахмед Абдалла Исхаг, Приходько В.М., Приходько А.М., Мелкауи Хассан, Спиридонов М.В. Информационный автоматизированный комплекс для экспресс- расчётов оптимальных параметров сушки изоляции электрооборудования водного транспорта // Региональная информатика (РИ- 2010). XII Санкт-Петербургская международная конференция

«Региональная информатика (РИ-2010)». Санкт-Петербург , 20-22 октября 2010 г.: Труды конференции / СПОИСУ. - СПб.: РАН, 2010. - С.204.

6. Прнходько В.М., Мелкауи Хассан. Система обработки изоляции электрооборудования судов, портов и гидротехнических сооружений // Материалы международной научно-практической конференции, посвящбнной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - С.194 -199.

7. Логинов Е.Б., Приходько В.М., Мелкауи Хассан. Выбор диагностических параметров судовых электрических машин // Материалы международной научно-практической конференции, посвяцённой 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - С. 165 -169.

8. Бураков A.A., Приходько В.М., Мелкауи Хассан. Определение трудоемкости ремонта двигателей судовых автоматизированных электроприводов И Материалы международной научно-практической конференции, посвящбнной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - С. 156 -161.

9. Адам Ахмед Абдалла Исхаг, Приходько В.М., Мелкауи Хассан. Экспериментальные характеристики сушки судового и портового электрооборудования // Материалы международной научно-практической конференции, посвящённой 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1 -2 октября 2009 года. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. - С.141 -146.

10. Мелкауи Хассан, Приходько В.М. Ограничение аварийных токов в судовых энергетических системах // Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». 1-2 октября 2009 года. Книга П. - СПб.: СПГУВК, 2010. - С.137 - 145.

Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

И. Приходько В.М., Мелкауи Хассан. Система - обработки изоляции электрооборудования И Проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов на промпредпршггиях и ТЭС: межвузовский сборник научных трудов / ГОУВПО СПбГТУРП. -СПб., 2009.-С. 181-186.

12. Мелкауи Хассан. Методика восстановления изоляционных систем электрооборудования // Машины и аппараты целлюлозно- бумажного производства: межвузовский сборник научных трудов / ГОУВПО СПбГТУРП. - СПб., 2011. - С. 79 - 81.

13. Сахаров В.В., Мегасауи Хассан. Определение параметров компенсаторов реактивной мощности // Машины и аппараты целлюлозно- бумажного производства: межвузовский сборник научных трудов / ГОУВПО СПбГТУРП. - СПб., 2011. - С. 82 - 90.

14. Приходько В:М., Мелкауи Хассан, Спиридонов М.В. Мобильный комплекс для диагностики изоляционных систем // Машины и аппараты целлюлозно- бумажного производства: межвузовский сборник научных трудов / ГОУВПО СПбГТУРП. - СПб., 2010. - С. 62 - 66.

Подписано в печать 13.03.12 Сдано в производство 13.03.12 Формат 60х84 1/16 Усл.-печ. л. 1,16. Уч.-изд.л. 1. _Тираж 80 экз._Заказ № 33_

Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФБОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

61 12-5/2632

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ»

Методы и средства комплексных испытаний электрооборудования по энергосберегающей технологии в судостроении и судоремонте

Специальность: 05. 08. 04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мелкауи Хассан

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент В. М. Приходько

Санкт-Петербург-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................................................6

Глава 1. Анализ способов сушки судовых синхронных генераторов..................12

1.1. Современные суда речного флота....................................................................13

1.2. Система электродвижения на асинхронном приводе танкеров СПГ............29

1.3. Сушка внешним нагревом.................................................................................33

1.4. Сушка потерями в станине................................................................................34

1.5. Сушка током неподвижного судового синхронного генератора..................34

1.6. Сушка током вращающегося судового синхронного генератора................35

1.7. Нагрев вращающегося судового синхронного генератора при сушке в режиме симметричного короткого замыкания.......................................................36

1.8. Сушка неподвижного судового синхронного генератора постоянным током в цепи обмотки возбуждения...................................................................................40

1.9. Способы сушки судовых синхронных бесщеточных генераторов типов

МАОКАРШБ, МАОЫАМАХОУК, МАОМАР(Т№ЕК..........................................41

Глава 2. Теоретические исследования сушки и восстановления изоляционных систем судового электрооборудования...................................................................47

2.1. Математическая модель для расчетов нагрева обмоток судовых синхронных генераторов при токовой сушке.........................................................47

2.2. Тепловой расчет судового синхронного генератора при сушке...................52

2.3. Сушка и восстановление сопротивления изоляции синхронных генераторов в эксплуатационных условиях на судах..................................................................53

2.4. Примеры расчетов параметров сушки судовых СГ переменным током, регулируемым тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения. 57 Глава 3. Интенсификация технологического процесса сушки, восстановления, испытаний и диагностики изоляционных систем электрооборудования судов. 60

3.1. Факторный анализ отказов электродвигателей на водном транспорте........60

3.2. Определение трудоемкости ремонта двигателей судовых автоматизированных электроприводов...................................................................65

3.3. Выбор диагностических параметров судовых электрических машин..........74

3.4. Система обработки изоляции электрооборудования судов, портов и

гидротехнических сооружений................................................................................82

Глава 4. Экспериментальные исследования технологического процесса сушки и восстановления сопротивления изоляции судового электрооборудования........92

4.1. Экспериментальные исследования нагрева вращающегося судового синхронного генератора при сушке в режиме симметричного короткого замыкания...................................................................................................................92

4.2. Экспериментальные исследования сушки неподвижного судового синхронного генератора постоянным током в цепи обмотки возбуждения.......95

4.3. Промышленные испытания способа сушки судовых СГ переменным током, регулируемым тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения. 98

4.4. Испытания судовых синхронных генераторов в режимах определения параметров сушки....................................................................................................102

4.5. Экспериментальные характеристики сушки асинхронных двигателей на судах..........................................................................................................................104

4.6. Экспериментальные характеристики сушки судового и портового

электрооборудования..............................................................................................106

Глава 5. Разработка рекомендаций по повышению эффективности комплексных испытаний электрооборудования судов................................................................117

5.1. Расчет надежности передвижной энергосберегающей установки для

комплексных испытаний и диагностики изоляционных систем........................117

5.1.1. Надежность тиристорного преобразователя для установки диагностики изоляционных систем..............................................................................................117

5.2. Расчет экономической эффективности внедрения ресурсосберегающей технологии управляемой токовой сушки электрооборудования судов.............120

5.3. Методика по сушке и восстановлению сопротивления изоляции увлажненных обмоток судовых синхронных генераторов.................................127

5.3.1. Общие требования по сушке судовых синхронных генераторов в эксплуатационных условиях..................................................................................127

5.3.2. Сушка увлажненных обмоток синхронного генератора...........................128

5.3.2.1. Сушка неподвижной машины...................................................................128

5.3.2.2. Сушка вращающейся электрической машины........................................131

5.3.3. Восстановление сопротивления изоляции отсыревших обмоток синхронного генератора..........................................................................................134

5.3.4. Требования техники безопасности при сушке синхронных генераторов на судах..........................................................................................................................136

5.4. Методика управляемой токовой сушки изоляции обмоток асинхронных двигателей на штатном месте установки без демонтажа с судов посредством

портативного тиристорного преобразователя......................................................137

5.4.1. Методика подогрева обмоток статоров асинхронных двигателей с помощью переносного тиристорного преобразователя для восстановления сопротивления изоляции на штатном месте установки без демонтажа с судов.......................................................................................................................144

5.5. Энергосберегающая установка для диагностики изоляции.........................145

5.6. Энергоресурсосберегающий мобильный комплекс для диагностики изоляции электрооборудования судов, портов и гидросооружений..................157

5.7. Технология проверок и диагностики силовых переключателей.................162

5.8. Ограничение аварийных токов в судовых электроэнергетических системах....................................................................................................................177

5.9. Определение параметров компенсаторов реактивной мощности...............187

Заключение...............................................................................................................197

Список литературы..................................................................................................201

Приложение 1. Характеристики судовых синхронных бесщёточных генераторов

типа MAGNAMAXDVR.........................................................................................216

Приложение 2. Испытания судовых синхронных бесщёточных генераторов типа MAGNAMAXDVR.........................................................................................221

Приложение 3. Математическое обеспечение для теплового расчета судовых

синхронных генераторов при сушке.....................................................................230

Условные обозначения............................................................................................246

Акты о техническом внедрении.............................................................................247

ВВЕДЕНИЕ

В рыночной экономике электромашиностроение является материальной основой электрификации страны, автоматизации и механизации производственных технологических процессов, ускорения темпов технического прогресса во всех отраслях промышленности и на водном транспорте. Президентом и Правительством РФ перед работниками электромашиностроительной отрасли поставлены большие задачи по повышению качества, технического уровня, надежности и долговечности выпускаемой продукции, в частности судового электрооборудования.

Известно, что аварии электродвигателей, включая морского исполнения, наносят большой экономический ущерб промышленности и водному транспорту, который определяется не только затратами на ремонт вышедших из строя электродвигателей, генераторов, трансформаторов и другого электрооборудования, в том числе судового исполнения, но и, причем в большой степени, потерями от производственных и технологических судовых механизмов. Поэтому в рыночных условиях очень остро стоит задача обеспечения быстрого, эффективного, экономического и качественного ремонта промышленных и судовых электрических машин, а также другого электрооборудования, эксплуатируемого на судах, гидротехнических сооружениях и в речных портах.

В отрасли водного транспорта на судостроительно-судоремонтных предприятиях, береговых производственных участках (БПУ), ремонтно-эксплутационных базах (РЭБ) речного флота, в электроцехах, занимающихся ремонтом электрических машин и другого судового электрооборудования, необходимо в оптимальные сроки, чтобы сократить простои судов различного назначения, освоить и произвести ремонт электродвигателей постоянного тока малой, средней и большой мощности. Часто требуется выполнить ремонт электродвигателей морского исполнения мощностью от 1000 кВт и выше. В связи с этим возникла необходимость разработки технологии пропитки якорей

береговых и судовых электрических машин с классом изоляции «Б» и «Н», прогрева, подсушки, сушки и восстановления изоляционных систем судового электрооборудования до норм, регламентированных Российским речным регистром и Морским регистром судоходства РФ.

Технологическое оборудование, используемое в отрасли водного транспорта и эксплуатируемое в настоящее время на различных судостроительно-судоремонтных предприятиях, БПУ, РЭБ флота, в электроцехах и на судах, плавучих кранах во многих случаях морально и физически устарело. К тому же технологическое оборудование для ремонтного предприятия и аппараты для ускоренного восстановления изоляции увлажненных обмоток судового электрооборудования на штатном месте установки без демонтажа и разборки в эксплуатационных условиях на судах должно быть портативным, мобильным, простым по конструкции и универсальным.

Особую роль в повышении качества и эффективности ремонтируемого судового электрооборудования, в частности электрических машин морского исполнения, играют средства контроля за качеством ремонта в технологическом процессе судоремонта. В связи с этим для отрасли водного транспорта требуется создание стендов с целью энергоресурсосберегающих комплексных испытаний судового электрооборудования (электрических машин), на которых можно было бы интенсифицировать испытания и испытывать все типы машин малой, средней и большой мощности, ремонтируемых на судостроительно-судоремонтных предприятиях.

Большинство существующих в настоящее время на судостроительно-судоремонтных предприятиях испытательных стендов и сушильных установок позволяют испытывать только несколько типов электрических машин, что приводит к необходимости иметь на предприятии в отрасли водного транспорта несколько аналогичных стендов. В рыночной экономике для судостроительно-судоремонтных предприятий, электроцехов, ввиду отсутствия необходимых

производственных площадей и большой номенклатуры ремонтируемых электрических машин и другого судового электрооборудования, такой вариант неприемлем.

Для обеспечения энергоресурсосбережения, экологии, повышения электропожаробезопасности, интенсификации и оптимизации технологического процесса прогрева, подсушки, сушки и восстановления изоляционных систем необходимо разработать эффективные, простые и легко доступные способы и технические средства сушки судовых синхронных генераторов в судовых эксплутационных условиях. В рыночной экономике требуется разработка методики и практического руководства по ускоренной энергоресурсосберегающей сушке и восстановлению сопротивления изоляции судовых синхронных генераторов с помощью портативных мобильных устройств на штатном месте установки на судах без демонтажа и разборки.

В отрасли водного транспорта экономически целесообразно и перспективно провести промышленные испытания способов сушки и восстановления сопротивления изоляции судовых синхронных генераторов отечественного и зарубежного производства на судах различного назначения.

На основании теоретических и экспериментальных исследований необходимо обосновать и выбрать наиболее оптимальный, энергоресурсосберегающий, экологически чистый, эффективный, простой и легко реализуемый на судах метод сушки судового электрооборудования (асинхронных двигателей, трансформаторов, синхронных генераторов и др.).

В отрасли водного транспорта требуется осуществить всесторонние промышленные и приемные испытания портативных мобильных устройств для форсированной энергоресурсосберегающей сушки и восстановления сопротивления изоляции увлажненных обмоток судового электрооборудования на штатном месте установки без демонтажа и разборки в эксплутационных условиях.

На судах различного назначения требуется произвести промышленные испытания нового перспективного экологически чистого энергосберегающего способа сушки отсыревших обмоток судовых синхронных генераторов переменным током, регулируемым универсальным тиристорным преобразователем в цепи обмотки возбуждения, в эксплутационных условиях.

Кроме того, для судовых синхронных генераторов, не имеющих нагревательных элементов для поддержания сопротивления изоляции отсыревших обмоток при стоянке, требуется проверка на судах нового метода подачи с помощью тиристорного преобразователя - регулятора переменного тока промышленной частоты в обмотку возбуждения. Во многих случаях этот энергоресурсосберегающий метод может быть в перспективе рекомендован и применен для ускоренной пожаробезопасной сушки изоляции увлажненных обмоток судовых синхронных генераторов при судоремонте.

Разработанное практическое руководство должно быть предназначено для выполнения комплекса работ по сушке и восстановлению сопротивления изоляции увлажненных обмоток судовых синхронных генераторов непосредственно на судах различного назначения. Руководство может быть и должно широко использоваться для судовых синхронных генераторов (самовозбуждающихся и бесщёточных) различных типов отечественного и зарубежного производства с учетом некоторых особенностей их параметров, характеристик, конструкции и системы охлаждения.

Целью работы является уменьшение простоев судов, снижение энергозатрат, обеспечение ресурсосбережения, повышение эффективности, интенсификация и оптимизация комплексных испытаний судового электрооборудования по энергосберегающей технологии после зимнего отстоя речных судов, при судоремонте, а также в эксплуатационных условиях на водном транспорте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Обосновать и разработать экономически эффективный способ осуществления новой энергосберегающей технологии управляемой токовой сушки судовых синхронных генераторов, определив параметры новой инновационной технологии сушки и восстановления сопротивления изоляции их переменным током в цепях обмоток возбуждения в эксплуатационных условиях.

2.Разработать математические модели для теплового расчета судового синхронного генератора, оценки количественных показателей и характеристик надёжности асинхронных двигателей при воздействии каждого из факторов, определения трудоемкости ремонта электродвигателей судов.

3.Для судостроения и судоремонта предложить информационное обеспечение и методику комплексных испытаний электрооборудования судов по энергосберегающей технологии.

4.Разработать технологическую систему обработки изоляции электрооборудования судов, обеспечивающую ресурсосбережение, снижение энергозатрат, повышение эффективности, интенсификацию и оптимизацию технологических режимов процесса прогрева, подсушки, сушки, восстановления сопротивления изоляции увлажнённых обмоток судовых электрических машин после зимнего отстоя речных судов, при комплексных испытаниях в судоремонте, а также в эксплуатационных условиях на водном транспорте.

5.Разработать мобильные устройства для сушки, профилактических высоковольтных комплексных испытаний, диагностики изоляционных систем судового электрооборудования в эксплуатационных условиях на судах; синтезировать новые инновационные имитационные и преобразовательные устройства и дать практические рекомендации по их использованию в судостроении и судоремонте.

Объект исследования - судно, судовое электрооборудование которого обязательно проходит послеремонтные комплексные испытания в процессе судоремонта.

Предмет исследования - методы сушки изоляции увлажненных обмоток судовых синхронных генераторов в экспл