Диагностирование изоляции обмоток погружных электродвигателей

В погружных электродвигателях обмотку статоров наматывают проводом ПЭВВП, имеющим двухслойную изоляцию. Нижний слой изоляции толщиной 0,05 мм изготовляют из эмальлака «винифлекс», а верхний внешний слой толщиной 0,4—0,8 мм — из поливинилхлоридного пластиката ПХВ-489. Изоляция пз поливинилхлоридного пластиката отличается от изоляции обмоток электродвигателей единых серий как по своему составу, так и по условиям работы. В связи с этим были проведены в лабораторных и производственных условиях исследования свойств и механизма выхода из строя изоляции обмоток погружных электродвигателей.

В лабораторных условиях исследовали 80 макетов обмоток, изготовленных из проводов ПЭВВП с длиной и диаметром, равными длине и диаметру проводов фаз обмоток погружных электродвигателей ПЭДВ-2,8-114; ПЭДВ-4,5-140; ПЭДВ-8-140; ПЭДВ-11-140; ПЭДВ-12-180. Макеты обмоток работали в условиях, отвечающих условиям работы погружных электродвигателей (продолжительная работа, работа в повторно-кратковременном режиме, нахождение в скважине в нерабочем состоянии, хранение на воздухе). В процессе испытаний на протяжении 21 тыс. ч через каждые 2 тыс. ч работы макетов измерялись сопротивление изоляции, тангенс угла диэлектрических потерь, емкость, зависимость токов утечки от приложенного напряжения, а также определялись зависимости перечисленных выше параметров от температуры. Кроме того, измерялось напряжение начала ионизации изоляции (порог ионизации). Исследования в условиях эксплуатации проводились на погружных электродвигателях, установленных в водоподъемных скважинах.

Анализ полученных результатов показал, что параметрами, характеризующими техническое состояние изоляции погружных электродвигателей, являются токи утечки и тангенс угла диэлектрических потерь. Установленные зависимости токов утечки изоляции обмоток погружных электродвигателей от наработки свидетельствуют, что токи утечки перед вводом электродвигателей в эксплуатацию имеют небольшое значение и находятся в пределах от 1,5 до 6 мкА.

Токи утечки изоляции обмоток погружных электродвигателей можно разделить по характеру изменения на три группы: стабильно уменьшающиеся, изменяющиеся на небольшую величину около своих средних значений, увеличивающиеся со значительной интенсивностью.

Обработка результатов зависимостей токов утечки изоляции погружных электродвигателей от наработки на вычислительной машине «Минск-32» показала, что наиболее целесообразно техническое состояние изоляции погружных электродвигателей разделить также на три группы (класса), причем каждая группа имеет соответствующий гарантированный срок безотказной работы.

С определенным допущением можно считать, что средние значения токов утечки каждой группы состояния изоляции имеют линейную зависимость от количества часов работы погружных электродвигателей. Для 1,2 и 3-й групп состояния изоляции погружных электродвигателей зависимости изменения токов утечки соответственно можно выразить уравнениями:

где t — наработка электродвигателя, тыс. ч.

Исследования показали, что для уточнения вывода о состоянии изоляции в некоторых случаях также целесообразно определять, кроме зависимостей токов утечки от наработки (времени работы электродвигателя), зависимости токов утечки от напряжения.

В связи с тем, что обмотки погружных электродвигателей окружены водой, заполняющей их внутреннюю полость для охлаждения, в отличие от электрических машин общепромышленного изготовления токи утечки изоляции обмоток погружных электродвигателей могут проходить только через толщину изоляции, т. е. токи по поверхности изоляции отсутствуют.

Если в изоляции обмоток погружных электродвигателей нет местных дефектов, то значения токов утечки обусловлены объемной проводимостью изоляции и кривая зависимости токов утечки от приложенного напряжения не должна иметь значительного отличия от линейной. При наличии в изоляции местных дефектов при определенных напряжениях, отвечающих величине и характеру дефектов в изоляции (микроскопические трещины, посторонние включения в пластикате, булавочные отверстия и др.), кривая зависимость токов утечки от напряжения имеет характерный перегиб, свидетельствующий об увеличении токов утечки через дефект в изоляции.

Рис. 17. Зависимость токов утечки изоляции обмоток погружных электродвигателей при наработке 15,8 тыс. ч, от напряжения (3, 11 и другие — инвентарные номера электродвигателей)

На рис. 17 показаны зависимости токов утечки изоляции обмоток погружных электродвигателей, намотанных проводом ПЭВВП диаметром 1,56 мм, от напряжения. Из рисунка видно, что изоляция обмоток погружных электродвигателей по характеру изменения токов утечки от напряжения разделяется на две группы. Одна группа имеет небольшое приращение токов утечки при повышении напряжения и при 3000 В (нижние кривые) токи утечки не превышают 25 мкА, а для второй группы характерным является резкое увеличение токов утечки. При измерении токов утечки напряжение, прикладываемое к изоляции обмоток электродвигателей этой группы, не повышалось выше 2000 В в связи с угрозой пробоя изоляции.

Анализ полученных при экспериментальных исследованиях данных показал, что зависимости токов утечки от напряжения при диагностировании изоляции погружных электродвигателей нельзя использовать как основные показатели, так как некоторые обмотки, имеющие значительное увеличение токов утечки при повышении напряжения работали еще сравнительно продолжительное время. Увеличение токов утечки при повышении напряжения свидетельствует о наличии дефекта в изоляции, однако скорость развития дефекта зависит от его размещения в обмотке (расстояния до металлических частей, рабочего напряжения обмотки в месте дефекта и др.). Поэтому зависимости токов утечки от напряжения используют для дополнительного подтверждения заключения о техническом состоянии изоляции, как это будет описано в дальнейшем.

Обработка полученных данных при измерении параметров изоляции обмоток погружных электродвигателей показала, что 2-м основным параметром для оценки технического состояния изоляции является тангенс угла диэлектрических потерь. По характеру изменения тангенса угла диэлектрических потерь, как и по изменению токов утечки, техническое состояние изоляции обмоток погружных электродвигателей можно разделить на три группы (класса).

Зависимости средних значений тангенса угла диэлектрических потерь изоляции от времени работы для этих групп выражаются формулами

где t — наработка электродвигателя, тыс. ч.

Из формул видно, что для 1-й и 2-й групп технического состояния изоляции средние значения тангенса угла диэлектрических потерь уменьшаются при увеличении наработки, а для 3-й группы — увеличиваются.

Таким образом, был сделан вывод, что при диагностировании заключение о техническом состоянии изоляции обмоток погружных электродвигателей можно сделать на основании данных измерения токов утечки и тангенса угла диэлектрических потерь.

Если значения токов утечки и тангенса угла диэлектрических потерь при увеличении времени работы погружного электродвигателя стабильны или уменьшаются, можно гарантировать надежную работу изоляции. Увеличение значений обоих параметров в процессе эксплуатации электродвигателя свидетельствует о наличии дефектов и ослаблении изоляции, вследствие чего обмотка через определенное время выйдет из строя. Если один из параметров нестабилен или постоянно увеличивается, а второй остается неизменным или уменьшается, состояние изоляции обмоток неудовлетворительное и гарантировать надежную ее работу нельзя.

Для точного определения технического состояния изоляции периодически через определенные промежутки времени (3—4 мес) измеряют токи утечки и тангенс угла диэлектрических потерь и сравнивают полученные данные с данными предыдущих измерений. При 1-м диагностировании о техническом состоянии изоляции делают заключение по зависимости токов утечки от напряжения и по абсолютному значению тангенса угла диэлектрических потерь.

На основании проведенных исследований был разработан способ прогнозирования работоспособности изоляции погружных электродвигателей, использующий метод статистической классификации.

Рис. 18. Области значений величин токов утечки (а) и тангенса угла диэлектрических потерь (б) для трех групп технического состояния погружных электродвигателей:
I — гарантированный срок безотказной работы не менее 3500 ч; II — не менее 1500 ч; III — до 500 ч.

Рис. 18, а иллюстрирует определенные статистическим путем области токов утечки для трех групп (классов) технического состояния изоляции с гарантированными сроками безотказной работы, а рис. 18, б — области значений тангенса угла диэлектрических потерь для этих же групп состояния изоляции.

Вывод о работоспособности изоляции обмоток делается по данным измерения токов утечки при напряжении 600 В и тангенса угла диэлектрических потерь при напряжении 100 В переменного тока с частотой 50 Гц. В зависимости от наработки (числа часов работы) погружного электродвигателя и значения тока утечки по данным рис. 18, а определяется, к какой группе технического состояния по диагностическому параметру «токи утечки» относится изоляция диагностируемого электродвигателя. Затем по значению тангенса угла диэлектрических потерь (рис. 18, б) определяется, к какой группе технического состояния по диагностическому параметру «тангенс угла диэлектрических потерь» относится изоляция этого же электродвигателя. Если группы, к которым относится изоляция электродвигателя по значению тока утечки и тангенса угла диэлектрических потерь совпадают, изоляцию относят к указанной группе.

В случае, когда группы, определенные по этим признакам не совпадают, то вопрос об отнесении изоляции электродвигателя к той или иной группе решается на основании результатов измерения приращения токов утечки при повышении напряжения от 1000 до 1100 В. При приращении токов утечки до 7,5 мкА изоляция относится к группе, соответствующей лучшему техническому состоянию, определенному по одному из диагностических параметров. Если приращение токов утечки при повышении напряжения от 1000 до 1100 В превышает 7,5 мкА, изоляцию относят к группе, отвечающей более плохому состоянию, также определенному по одному из диагностических параметров.

В зависимости от группы технического состояния, к которой отнесена изоляция обмотки, определяют гарантированный срок ее безотказной работы. Если изоляция погружного электродвигателя относится к III группе, т. е. в ближайшее время возможен выход обмотки из строя, рекомендуется провести подготовительные работы, поднять электронасос на поверхность и заменить или отремонтировать электродвигатель. Если изоляция обмоток относится к I или II группам технического состояния, электродвигатель оставляют работать и после истечения гарантированного срока безотказной работы вновь диагностируют и определяют работоспособность изоляции.