Диагностирование межвитковой изоляции обмоток электрических машин

В связи с возникновением в стержнях короткозамкнутых обмоток роторов асинхронных электродвигателей дефектов, в условиях эксплуатации необходимо периодически проверять техническое состояние этих обмоток.

При обрывах стержней обмоток роторов увеличиваются время разгона и добавочные потери электродвигателей, уменьшаются КПД и коэффициент мощности, увеличиваются потребляемый ток и скольжение.

Наиболее вредное влияние на работу электродвигателей оказывает вибрация, возникающая вследствие обрыва стержней короткозамкнутой обмотки. В результате вибрация приводит к выходу электродвигателей из строя.

В таблице приведены данные проводов, применяемых при намотке статоров асинхронных электродвигателей и синхронных генераторов с классом нагревостойкости А, Е, В, F и Н.

Изоляция между витками всыпных обмоток электрических машин в большинстве случаев состоит из двух слоев эмали, которой покрыты два расположенных рядом проводника. Кроме того, в местах обмотки, где витки обмоточного провода неплотно прилегают один к другому, между витками имеется слой пропиточного лака, заполняющего пустоты между проводами. Как видно из табл. 11, толщина изоляционного слоя проводов ПЭВ и ПЭТВ, которыми наиболее часто наматывают обмотки электрических машин, составляет от 0,04 до 0,12 мм.

Напряжение между двумя рядом расположенными витками обмоток электрических машин определяется из выражения

где U_ф — фазное напряжение обмотки, В; ω_ф — количество последовательно включенных витков обмотки в фазе.

Обычно межвитковое напряжение в наиболее распространенных в народном хозяйстве асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором не превышает 10—15 В. Неповрежденная эмалевая изоляция проводов, из которых наматываются обмотки электрических машин, имеет достаточно высокую электрическую прочность (4—6 кВ), однако даже у новых проводов встречаются точечные повреждения слоя изоляционной эмали. Эти повреждения в условиях эксплуатации развиваются и на их месте могут возникнуть местные очаги повреждений межвитковой изоляции, т. е. местные дефекты. Кроме того, в процессе работы электрических машин под действием продолжительной тепловой и механической нагрузок в слое изоляции проводов возникают микроскопические трещинки и поры, которые также увеличиваются и приводят к выходу обмоток из строя.

В таблице приведены данные проводов, применяемых при намотке статоров асинхронных электродвигателей и синхронных генераторов с классом нагревостойкости А, Е, В, F и Н.

Изоляция между витками всыпных обмоток электрических машин в большинстве случаев состоит из двух слоев эмали, которой покрыты два расположенных рядом проводника. Кроме того, в местах обмотки, где витки обмоточного провода неплотно прилегают один к другому, между витками имеется слой пропиточного лака, заполняющего пустоты между проводами. Как видно из табл. 11, толщина изоляционного слоя проводов ПЭВ и ПЭТВ, которыми наиболее часто наматывают обмотки электрических машин, составляет от 0,04 до 0,12 мм.

Напряжение между двумя рядом расположенными витками обмоток электрических машин определяется из выражения

где U_ф — фазное напряжение обмотки, В; ω_ф — количество последовательно включенных витков обмотки в фазе.

Обычно межвитковое напряжение в наиболее распространенных в народном хозяйстве асинхронных электродвигателях с короткозамкнутым ротором не превышает 10—15 В. Неповрежденная эмалевая изоляция проводов, из которых наматываются обмотки электрических машин, имеет достаточно высокую электрическую прочность (4—6 кВ), однако даже у новых проводов встречаются точечные повреждения слоя изоляционной эмали. Эти повреждения в условиях эксплуатации развиваются и на их месте могут возникнуть местные очаги повреждений межвитковой изоляции, т. е. местные дефекты. Кроме того, в процессе работы электрических машин под действием продолжительной тепловой и механической нагрузок в слое изоляции проводов возникают микроскопические трещинки и поры, которые также увеличиваются и приводят к выходу обмоток из строя.

Растрескиванию слоя изоляции проводов также способствует разница между коэффициентами теплового расширения меди и эмалевой пленки, вследствие чего при резких изменениях температуры в эмалевой изоляции возникают дополнительные механические напряжения.

В связи с малой толщиной изоляционное покрытие проводов довольно часто повреждается при укладке обмотки в пазы электрических машин, особенно при использовании металлического инструмента. В процессе работы эти повреждения также развиваются и на их месте возникает дефект изоляции.

Повреждение межвитковой изоляции обмоток электрических машин в начальной стадии определить довольно трудно, поскольку между витками даже при полном отсутствии в месте дефекта на поверхности проводов эмалевой пленки имеется воздушный промежуток, пробивное напряжение которого составляет сотни вольт. Известно, что воздушный промежуток толщиной 0,1 мм имеет пробивное напряжение свыше 1000 В, поэтому для повышения эффективности определения повреждений к изоляции между витками необходимо прилагать напряжение, превышающее пробивное напряжение в месте дефекта.

Растрескиванию слоя изоляции проводов также способствует разница между коэффициентами теплового расширения меди и эмалевой пленки, вследствие чего при резких изменениях температуры в эмалевой изоляции возникают дополнительные механические напряжения.

В связи с малой толщиной изоляционное покрытие проводов довольно часто повреждается при укладке обмотки в пазы электрических машин, особенно при использовании металлического инструмента. В процессе работы эти повреждения также развиваются и на их месте возникает дефект изоляции.

Повреждение межвитковой изоляции обмоток электрических машин в начальной стадии определить довольно трудно, поскольку между витками даже при полном отсутствии в месте дефекта на поверхности проводов эмалевой пленки имеется воздушный промежуток, пробивное напряжение которого составляет сотни вольт. Известно, что воздушный промежуток толщиной 0,1 мм имеет пробивное напряжение свыше 1000 В, поэтому для повышения эффективности определения повреждений к изоляции между витками необходимо прилагать напряжение, превышающее пробивное напряжение в месте дефекта.

Обычно состояние межвитковой изоляции обмоток определяют при выключенной из сети электрической машине. Усилия в обмотках машин в таких случаях отсутствуют и между витками в местах дефектов могут быть воздушные промежутки, что затрудняет выявление дефектов. При работе электрических машин такие витки легко замыкаются между собой при действии на них даже небольших усилий электромагнитного или вибрационного характера.

Определение завершенных (полных) межвитковых замыканий разобранных электродвигателей не вызывает трудностей. Для этой цели можно использовать аппараты и приборы ВЧФ, СМ, ЕЛ-1 и др.

Как известно, основным параметром, определяющим техническое состояние изоляции, является ее электрическая прочность, оцениваемая значением пробивного напряжения. Как было указано ранее, пробивное напряжение неповрежденных проводов с эмалевой изоляцией составляет 4—6 кВ. Создать такое напряжение на межвитковой изоляции электрических машин со всыпными обмотками практически невозможно, так как в этом случае к изоляции обмоток относительно корпуса прикладывалось бы напряжение, превышающее десятки киловольт, что привело бы к пробою корпусной изоляции обмотки. Для исключения вероятности пробоя корпусной изоляции при диагностировании межвитковой изоляции, к обмоткам электрических машин напряжением 380 В можно прикладывать напряжение не выше 2,5—3 кВ, в связи с чем при диагностировании реально можно обнаружить дефекты в межвитковой изоляции на определенной стадии их развития.

Для изучения процессов развития дефектов в межвитковой изоляции были получены зависимости пробивного напряжения места дефекта (электрического пробоя) изоляции между двумя витками от времени горения дуги. Для этого высоким напряжением пробивалась изоляция между витками проводов ПЭТВ, затем определялось напряжение возникновения в месте пробоя дуги и под этим напряжением витки выдерживались в течение 10 с. После отключения напряжение вновь поднималось до момента возникновения дуги и выдерживалось в течение 20 с. Увеличивая продолжительность горения дуги при каждом последующем подъеме напряжения на 10 с, опыты проводились до тех пор, пока не происходило полное короткое замыкание между витками.

Полученные зависимости пробивного напряжения от времени горения дуги иллюстрирует рис. 11.

Рис. 11. Зависимость пробивного напряжения места дефекта межвитковой изоляции от времени горения дуги:
1—5 — номера испытуемых образцов; —— - провод ПЭВ диаметром 0,95 мм; – – – - провод ПЭТВ диаметром 0,51 мм.

Анализируя кривые, видим, что при возникновении дугового разряда в месте повреждения межвитковой изоляции напряжение пробоя места повреждения резко снижается. Так, после 1-го пробоя для исследованных повреждений межвитковой изоляции снижение напряжения с 400—1500 В до нулевого значения произошло за 36—270 с горения дуги. При этом скорость снижения напряжения пробоя в основном зависит от расстояния между проводниками с поврежденной изоляцией, площади повреждения и силы сжатия проводников в месте повреждения. Чем меньше расстояние между проводниками в месте повреждения, больше площадь дефекта и больше сила сжатия, тем более быстро снижается пробивное напряжение места дефекта.

В связи с тем, что пробивное напряжение места дефекта достаточно высокое (400 В и более), а перенапряжения в витках обмоток электрических машин кратковременны и не всегда достигают пробоя, с момента возникновения дефекта в изоляции и до полного виткового замыкания проходит продолжительное время. Это свидетельствует о том, что при условии применения надежных методов диагностирования витковой изоляции возможно прогнозирование остаточного ресурса работы витковой изоляции.

Важное значение для диагностирования межвитковой изоляции обмоток электрических машин имеет анализ применимости аппаратуры, выпускаемой промышленностью. При этом следует отметить, что все выпускаемые в настоящее время приборы и аппараты разработаны для обнаружения межвитковых замыканий в обмотках разобранных электрических машин, т. е. их можно применять для определения технического состояния обмоток при ремонте машин.

Аппаратами серии СМ (СМ-1, СМ-2, СМ-4) можно обнаруживать межвитковые замыкания; устанавливать, в каких пазах электрической машины размещены катушки, имеющие межвитковые замыкания; проверять правильность соединения схемы обмоток; определять начало и концы обмоток фаз, а также испытывать на электрическую прочность межвитковую изоляцию обмоток. Принцип действия аппаратов этой серии основан на сравнении импульсных характеристик, которые наблюдаются на экране электронно-лучевой трубки. При контроле к зажимам аппарата присоединяют две обмотки электрической машины и поочередно посылают в них импульсы высокой частоты. Если обмотки не имеют асимметрии, вносимой короткозамкнутыми витками, кривые импульсов проходящих по обмоткам токов на экране электронно-лучевой трубки сливаются в одну кривую. Если в одной из обмоток имеется дефект (короткозамкнутые витки, неправильно соединена обмотка и др.), то импульсы проходящих по обмоткам токов неодинаковы и на экране трубки наблюдаются две кривые. По форме кривых с определенной степенью точности устанавливается вид дефекта.

Заводом «Мегомметр» выпускаются аппараты ВЧФ-5-3, предназначенные для испытания межвитковой изоляции обмоток электрических машин и катушек аппаратов. Кроме того, аппаратом ВЧФ-5-3 можно испытывать на электрическую прочность корпусную и межфазную изоляцию обмоток электрических машин, проверять правильность схемы соединения и маркировку выводных концов обмоток.

Аппарат ВЧФ-5-3 обеспечивает на выходе два ступенчаторегулируемых напряжения: 2000 В ± 10% и 3250 В ± 10% частотой 50 Гц, а также высокочастотное знакопеременное регулируемое напряжение с амплитудным значением до 3000 В. Эффективное значение выходного напряжения частотой 50 Гц регулируется ступенями по 5% от 39% до наибольшего значения. Выходное высокочастотное напряжение имеет 24 ступени регулирования. Аппарат питается от сети 220 В, его потребляемая мощность не превышает 1500 В • А, а габаритные размеры составляют 260 X 340 X 450 мм. В связи с тем, что аппарат ВЧФ-5-3 можно применять при диагностировании межвитковой изоляции обмоток электрических машин, ниже для объяснения происходящих в изоляции процессов при диагностировании приведен принцип его действия.

Рис. 12. Электрическая схема аппарата ВЧФ-5-3

Электрическая схема аппарата показана на рис. 12. Аппарат ВЧФ-5-3 состоит из входного блока, генератора высокочастотных колебаний, индикатора и киловольтметра. Входной блок состоит из сетевого фильтра (С1 — С5, L1, L2), выключателей В1 и В2, сигнальной лампы Л1 и автоматического выключателя, обеспечивающего выключение аппарата из сети при пробое корпусной изоляции испытуемых электрических машин и аппаратов. Генератор высокочастотных колебаний используют для получения высокочастотного высокого напряжения при испытании межвитковой изоляции обмоток. Он состоит из трансформатора Тр1, разрядника РИ, емкости ударного контура С6, конденсатора С8, не пропускающего напряжение низкой частоты, индуктивного разделителя АТр, резисторов R2 — R5, сигнальной лампы Л2, переключателя вида испытаний В3, конденсаторов С9 — С14, переключателя В4 для регулирования напряжения частотой 50 Гц и переключателя В5 для регулирования напряжения высокой частоты.

Генератор работает следующим образом. При включении аппарата в сеть конденсатор С6 заряжается до тех пор, пока не пробьются искровые промежутки разрядника РИ. При пробое разрядника в контуре, состоящем из конденсатора С6, разрядника РИ, индуктивного разделителя АТр и резисторов R2 — R5, возникают быстрозатухающие высокочастотные колебания. Разрядник РИ пробивается в каждый положительный и отрицательный полупериоды переменного тока сетевого напряжения питания аппарата, т. е. 100 раз в секунду. Высокочастотное напряжение с индуктивного разделителя АТр через выключатель В5 поступает на выходные гнезда ГЗ и Г5, которые соединены с испытуемыми обмотками. Если переключатель ВЗ в нижнем положении, разрядник РИ выключен и на выходные гнезда ГЗ, Гб, Г7 и Г12 поступает высокое напряжение частотой 50 Гц.

Установленный в аппарате индикатор предназначен для определения пробоя изоляции. Он состоит из трансформатора питания Тр2, диодов Д2 — Д4, электронной индикаторной лампы 6Е5С (Л3), делителя напряжения (резисторы R18 — R20), выпрямительной лампы Л4 и разрядника РИ 1, защищающего лампу от перегрузок. При испытаниях мостовым методом в случаях пробоя межвитковой изоляции обмотки в диагонали моста, который образуют резисторы R4, R5 и две фазы обмотки, на лампу JI4 через входное гнездо Г8 поступает напряжение. Выпрямленное лампой Л4 напряжение через переключатель чувствительности Вб подается на сетку индикаторной лампы ЛЗ, теневой сектор лампы замыкается и сигнализирует о пробое изоляции.

При испытании межвитковой изоляции обмоток электрических машин или аппаратов индуктивным методом в случаях пробоя изоляции напряжение, индуктирующееся в обмотках контрольного электромагнита, поступает на вход индикатора, который также фиксирует наличие пробоя изоляции. Киловольтметр служит для контроля высокочастотного напряжения или напряжения промышленной частоты, прикладываемых к изоляции испытуемых обмоток. Киловольтметр состоит из резисторно-емкостного делителя напряжения (R8 — R11 и С16 — С18), диода Д1, резисторов R6, R7, конденсатора С15 и измерительного прибора магнитоэлектрической системы, одна шкала которого отградуирована в амплитудных значениях напряжения, а вторая — в эффективных значениях напряжения промышленной частоты.

Рис. 13. Схемы присоединения аппарата ВЧФ-5-3 при определении технического состояния межвитковой изоляции обмоток электрических машин мостовым (а) и индуктивным (б) методами:
1 — индуктор; 2 — датчик

Последовательность проверки обмоток трехфазных электрических машин, у которых из расточки статора вынут ротор или якорь, а также всыпных трехфазных обмоток роторов или якорей мостовым методом с помощью аппарата ВЧФ-5-3 следующая. Начала или концы фаз обмотки статора или ротора присоединяют к Г3, Г5 и Г10 (рис. 13, а). При этом напряжение, которое показывает киловольтметр, соответствует напряжению на обмотке одной фазы электрической машины. Вывод с нулевой точки соединения обмоток по схеме звезда присоединяется к Г8. Если нулевая точка обмотки заизолирована, к Г8 присоединяется конец свободной фазы. После включения напряжения в обмотки подается высокочастотное повышенное напряжение, которое затем плавно увеличивается. При этом следят за показаниями индикатора. При диагностировании не рекомендуется вначале подавать на обмотки большое напряжение, лучше всего подъем напряжения начинать с 500—600 В. Если после подачи такого напряжения межвитковые замыкания не выявляются, напряжение плавно повышается.

При пробое межвитковой изоляции в месте дефекта возникает магнитная асимметрия обмоток и теневой сектор индикатора смыкается, сигнализируя о наличии дефекта. В случае «мигания» (замыкания и размыкания) теневого сектора в межвитковой изоляции наблюдается незавершенный искровой пробой.

Обмотку 3-й фазы проверяют аналогично двум другим, как это было описано выше.

Если при проверке обмотки необходимо определить место повреждения, оно обнаруживается с помощью аппарата ВЧФ-5-3 индуктивным методом. Схема присоединения обмоток электромагнита-индуктора и датчика для этого случая показана на рис. 13, б. Во время определения места дефекта электромагнит-индуктор индуктирует в проверяемых секциях обмотки напряжение. Если в обмотке повреждения межвитковой изоляции нет, то по обмотке ток не проходит и на зажимах индуктора аппарата, присоединенного к электромагниту-датчику, напряжение отсутствует. При повреждении межвитковой изоляции в короткозамкнутых витках проходит ток, индуктирующий в электромагните-датчике напряжение и индикатор указывает па наличие повреждения. Для определения пазов, в которых размещена обмотка с поврежденной изоляцией, индуктор и датчик перемещают вкруговую по всем пазам статора до тех пор, пока индикатор не укажет на наличие дефекта. В пазу, расположенном под индуктором и датчиком в момент замыкания теневого сектора индикатора, находится повреждение межвитковой изоляции.

Большое значение для определения применимости аппаратов ВЧФ-5-3 при диагностировании является определение порога «чувствительности» аппарата к размеру дефекта в межвитковой изоляции обмоток. Размер дефекта с определенными допущениями можно характеризовать переходным сопротивлением в месте дефекта межвитковой изоляции. Это сопротивление при отсутствии дефектов в изоляции составляет десятки и сотни МОм, а при полном межвитковом замыкании равно нулю. С момента возникновения и в процессе развития дефекта сопротивление в месте дефекта изоляции между витками уменьшается. Б связи с этим были проведены эксперименты по определению зависимости напряжения обнаружения в межвитковой изоляции дефекта от сопротивления в месте дефекта. Указанные зависимости для части исследованных электродвигателей иллюстрирует рис. 14.

Рис. 14. Зависимость величины напряжения обнаружения дефектов в межвитковой изоляции обмоток электродвигателей от сопротивления места дефекта:
1, 2, 3, 6 — электродвигатели АО2-41-4; 4, 5 — электродвигатели АО2-52-6; —— - статоры без ротора; – – – - двигатели в собранном виде.

Из рисунка видно, что при увеличении сопротивления в месте дефекта напряжение обнаружения дефекта с помощью аппарата ВЧФ-5-3 увеличивается. 11ри увеличении сопротивления от 0 до 0,5 Ом напряжение обнаружения возрастает примерно в 4 раза (от 200 до 800 В). Это свидетельствует о том, что выпускаемые промышленностью приборы имеют недостаточную чувствительность для обнаружения дефектов межвитковой изоляции в самом начале их развития. Дефекты, имеющие переходное сопротивление 0,7—0,8 Ом и более обнаружить довольно сложно.

На ускорение процесса развития дефектов витковой изоляции электрических машин значительно влияет степень увлажнения изоляции обмоток. При увлажнении изоляции обмотки резко снижается пробивное напряжение в месте дефекта и тем самым создаются условия для возникновения дугового разряда при более низких значениях перенапряжений. Экспериментальные данные показывают, что при увлажнении изоляции обмоток электродвигателей, имеющих дефекты в межвитковой изоляции, сопротивление изоляции снижается в несколько десятков раз, резко увеличиваются токи утечки и, как следствие, снижается напряжение обнаружения дефектов аппаратом ВЧФ-5-3. После сушки указанные показатели восстанавливаются: повышается сопротивление изоляции, уменьшаются токи утечки, а также повышается напряжение обнаружения дефектов.

Рис. 15. Зависимость напряжения обнаружения дефекта в межвитковой изоляции обмоток электродвигателя АО2-42-4 от времени увлажнения

На рис. 15 показана зависимость напряжения обнаружения дефектов в межвитковой изоляции электродвигателя АО2-42-4 от времени увлажнения обмоток. При опытах увлажнение обмоток проводилось в камере ВГ-4 при относительной влажности 100%. Из рисунка видно, что при увлажнении обмоток электродвигателей, имеющих дефект межвитковой изоляции, напряжение обнаружения дефекта снижается с 2000 В до 200 В, т. е. на 90%. При сушке увлажненной изоляции обмотки с дефектом напряжение обнаружения дефекта возрастает, т. е. наблюдается обратная картина. Таким образом, увлажнение обмоток приводит к снижению напряжения обнаружения дефектов.

Как было отмечено ранее, разработанные методы и выпускаемые промышленностью приборы позволяют определять состояние межвитковой изоляции обмоток только при разобранных электрических машинах. Это связано с тем, что методы и приборы для определения состояния межвитковой изоляции основаны на измерении магнитной несимметрии обмоток, которая возникает при межвитковых замыканиях.

Результаты проведенных опытов по определению влияния5 положения ротора короткозамкнутых асинхронных электродвигателей на магнитную асимметрию фаз обмоток статора показали, что вносимая ротором асимметрия зависит, в первую очередь, от положения стержней короткозамкнутой обмотки ротора относительно пазов статора, неравномерности воздушного зазора, наличия обрывов и ослабления стержней клетки ротора и состояния активной стали статора (наличия местных дефектов и др.). В связи с тем, что у собранных электродвигателей асимметрия положения ротора относительно расточки статора, а следовательно, и относительно обмоток вызвана в. основном смещением подшипниковых щитов и наличием зазоров в подшипниках, эту асимметрию в процессе измерений при диагностировании можно считать постоянной.

Проведенные с электродвигателями единой серии опыты показали, что клетки роторов, являясь набором короткозамкнутых витков, вносят дополнительную магнитную асимметрию в фазы электродвигателя. При этом в некоторых положениях ротора вносимая короткозамкнутой обмоткой асимметрия соизмерима с асимметрией, возникающей при витковых замыканиях в обмотке.

На основании проведенных исследований была разработана методика диагностирования межвитковой изоляции обмоток собранных асинхронных электродвигателей, позволяющая использовать аппараты для измерения магнитной асимметрии обмоток. Согласно этой методике в две фазы диагностируемого электродвигателя подается высокочастотное напряжение, например, от аппарата ВЧФ-5-3. Медленно проворачивая ротор электродвигателя на углы, не превышающие 5—10°, наблюдают за показанием индикатора прибора, включенного на измерение разности падений напряжений в испытуемых фазах. При наличии межвитковых замыканий или при их возникновении в результате действия на изоляцию повышенного напряжения в процессе диагностирования, показания индикатора при любом положении ротора будут отличаться от нулевого значения. При отсутствии межвиткового замыкания при некоторых положениях ротора напряжение на индикаторе будет равно нулю. При этом следует отметить, что с увеличением числа положений ротора, при котором снимаются показания с индикатора, увеличивается достоверность результатов диагностирования межвитковой изоляции.

Таким образом, согласно разработанной методике диагностирования межвитковой изоляции электродвигателей предусматривается во время контроля медленно вращать ротор или поворачивать его на определенные углы и при этом измерять несимметрию фаз. Согласно правилам техники безопасности во время измерений ротор необходимо проворачивать рычагом, изготовленным из изоляционного материала (гетинакса, текстолита и др.). Определение технического состояния межвитковой изоляции электродвигателей напряжением 380 В рекомендуется проводить при подаче в обмотку высокочастотного напряжения 1500—1600 В. При этом прикладываемое во время диагностирования к обмотке высокочастотное напряжение 1500—1600 В можно считать для изоляции без дефектов не влияющим на ее электрическую прочность, так как средняя импульсная прочность межвитковой изоляции составляет 8,6 кВ, а минимальная — 5 кВ.