Комплексная диагностика мощных электродвигателей

Круглова Т.Н., канд. техн. наук

Ярошенко И.В., канд. техн. Наук

Работалов Н.Н., Мельников М.А.

Введение

Электродвигатели являются наиболее распространенным видом электрооборудования. На их базе основаны все рабочие процессы в энергетике и промышленности. Критичность двигателя определяется его местом в технологической цепи завода или электростанции. 

На АЭС, тепловых станциях, нефтеперерабатывающих заводах, принято в ответственных случаях использовать двойное или тройное резервирование. В случаях с АЭС, это чаще связано, с ядерной безопасностью, а в других случаях резервирование вызвано технологической безопасностью - в случае остановки двигателя может встать целая технологическая линия, что приведет к остановке процесса, застыванию субстанций в трубопроводах и значительным затратам на восстановление рабочего процесса.

Исходя из изложенного, определяются подходы к требованиям по надежности электродвигателей для ответственных объектов, которые даны в [1], требования к технологиям диагностики и управления ресурсом при проведении ремонта в [2]. Показано, что имеет место возрастание эффективности и надежности при определении технического состояния ЭД при использовании принципа синергизма [3], т.е. одновременного контроля электроразрядных, вибрационных и тепловых явлений в рабочих условиях эксплуатации двигателей.

Следует указать, что для двигателей обычно используется контроль при выводе из эксплуатации, включающий измерение индекса поляризации и угла диэлектрических потерь . Сопоставление информативности методов визуально-инструментального контроля на отключенном двигателе и при эксплуатации показывает [7, 8], что более эффективно определение технического состояния в эксплуатационных условиях. Последнее обусловливается тем, что в эксплуатации на активную часть двигателя воздействуют и тепловые, и вибрационные явления, а также электрическое поле и токи, которые вызывают разрядные явления в контактах.

Ниже будет дано краткое описание используемых методов технического диагностирования в эксплуатации.

- Вибрационный контроль. Рутинные методы контроля [4] виброперемещений, скорость и ускорение эффективны для валопровода. Состояние валопровода и вибрации подшипников определяется и по спектральному анализу, по наличию субгармоник, включая ¼, ½, ¾ от fоборотной [5]. Дополнительная информация может быть получена по спектральному анализу питающих двигатель токов [6], однако указанный метод неприемлем для вибрации элементов активной части (сердечник, обмотки), так как в спектре вибрации преобладает влияние изменения нагрузочных характеристик исполнительного механизма (т.о. известные методы измерений – S, v, a спектров на подшипниках, спектров питающих токов не определяет вибрацию сердечника, обмотки, токоподводов и т.д.). Более эффективен метод гармонического анализа емкостных токов, которые измеряются на шинах заземления и эти токи определяются только вибрацией активной части и не зависят от токов нагрузки [12].

Разрядная активность в изоляции и контактах. Разрядная активность контролируется давно (характеристики ЧР [9], хотя это только один из частных случаев разрядной активности, существуют еще искрения в контактах, в пакете, дуговые явления, пазовые разряды, корона и другие).  Это определено стандартами [10], а также методическими указаниями [11]. Опыт применения методов диагностики по [11, 3] показывает эффективность определения потенциальных дефектов во вращающихся машинах, а также позволяют локализовать зону разряда и определить его вид (ЧР, искрения и т.д.).

- Методы тепловизионного контроля. При локации зон повышенной электроразрядной активности в электродвигателях эффективным является применение тепловизионного контроля. Методы тепловизионного контроля для двигателей описаны в [11], авторами показано [12], что повышение температуры на корпусе в основном определяется электроразрядными процессами в пакете активной стали или нагревом подшипников.

Таким образом, из анализа, проведенного выше, следует, что информация при отдельном использовании одного метода, т.е. только измерения ЧР, только вибрации или только тепловизионного контроля, без сопоставления с другими, не позволяет надежно определить техническое состояние объекта. С учетом изложенного, целью данной статьи является демонстрация эффективности проведения технического диагностирования  двигателей на принципах синергизма, с использованием новых и усовершенствованных методов анализа тепловых, вибрационных и электроразрядных явлений.

1. Результаты технического диагностирования электродвигателя
в режиме
on-line.

Для подтверждения правильности сделанных выводов произведена комплексная диагностика трех мощных асинхронных вертикальных двигателей, приводящих водяные насосы. Конструкция двигателей и точки установки датчиков показаны на рис.1.

Рис.1. Точки установки датчиков при измерении разрядной активности и виброперемещений.

Диагностировались асинхронные электродвигатели мощностью 3,2 МВА производства фирмы Schorch, типа KU7936H AA 14. Исполнение двигателей вертикальное, с фланцевым валом, двумя направляющими подшипниками и подпятником. Соединение валов двигателя и насоса фланцевое. Подпятник и направляющие подшипники имеют масляную смазку без циркуляции масла вне масляных ванн. Охлаждение масла осуществляется водяными охладителями, встроенными в масляную ванну. Вентиляция двигателя осуществляется по замкнутому циклу посредством встроенных вентиляторов, установленнных на ободе ротора. Охлаждение воздуха осуществляется водяными воздухоохладителями. 

1) Опыт первый - измерение разрядной активности из корпуса электродвигателя и коробки выводов с локацией сигналов.

Измерение электроразрядной активности проводилось в соответствии с [15]. При измерениях фиксировались следующие характеристики:

  • измерение общей разрядной активности;
  • проведение локации разрядных явлений (путем амплитудно-временной селекции сигналов, полученных при помощи осциллографирования)

При этом учитывалось, что электроразрядная активность бывает [10, 11] в следующих формах:

  • ЧР в изоляции обмотки, отводах;
  • искрений в контактах или пакете активной стали сердечника;
  • дуговые явления.

При проведении измерений максимум сигналов искровой формы был зафиксирован в районе клеммной коробки в сторону двигателя. По структуре импульса на осциллограмме [11] - это сигнал искрового характера.

Искрение в этом месте обычно имеет токовый характер, когда из-за недостаточного сечения пятна контакта плотность тока превышает нормированные значения и ток ищет пути распространения на соседних участках через воздушные промежутки. Основные места возможных искрений приведены на рис.2.

 

Рис.2. Места наиболее вероятных искрений в клеммной коробке

Результаты измерений электроразрядной активности даны на диаграмме рис.3.

Рис.3. Диаграмма распределения амплитуд искровых явлений по корпусу двигателей:

а) для электродвигателя №1;

б) для электродвигателя №2;

в) для электродвигателя №3, на котором обозначена зона повышенной ЭРА, то есть дефекта.

Следует указать, что фиксация данного дефекта возможна только при on-line измерениях или на остановленной машине при визуальном контроле по следам перегрева, что и подтвердил проведенный ремонт электродвигателя (раздел 2, рис.6)

2) Опыт второй - измерение вибрации по корпусу электродвигателя, на подшипниках с последующим гармоническим анализом.

Виброметрия проводилась по МР 1.2.1.13.0975–2014 «Вибрационный контроль активной части турбогенераторов и электродвигателей» [13], фиксировались следующие характеристики:

  • Рч.г.  - усредненная (Рч.г. - локальная) величина суммы виброэнергии четных гармоник (100, 200Гц и т.д.) – определяет общую упругую энергию вибрации (без трения) от всех значимых гармоник;
  •  - усредненная виброэнергия (Р100Гц локальная) на частоте электромагнитной вибрации 100Гц – определяет упругую (без трения) вибрацию только от электромагнитных сил;
  • = Рч.г./ Р100Гц – определяющая изменение спектрального состава за счет вклада от высших гармоник (200, 300Гц и т.д.), то есть виброударные воздействия.
  • Ри.г.  – усредненная величина виброэнергии интергармоник (паразитные колебания, не кратные 100Гц) – определяет виброэнергию, затрачиваемую на деструкцию креплений;
  • =Ри.г.- Р100Гц – усредненная мера деструктивного воздействия ( = Ри.г.100Гц – локальная) – определяет результат, степень вероятного ослабления креплений.

Результаты измерений приведены на рис.4.

 

 Рис.4. Сопоставление характеристик виброударных воздействий, то есть величины отношения = Рч.г./ Р100Гц, для трех двигателей:

а) для электродвигателя №1;

б) для электродвигателя №2;

в) для электродвигателя №3.

 

Из приведенного рисунка видно, что у двигателя №3 есть заметные превышения δ по сравнению со значениями соседних ЭД, а так же усредненных значений δ для данного типа двигателей. При этом вибрация, как подшипников, так и корпуса электродвигателя по стандартным характеристикам (S, v, a) не превышает нормированной по ГОСТ Р ИСО 10816-3-99 [14]. Из графиков приведенных на рис.4, видно что максимум сигналов находится в точках 1, 3 и 5. Точки 1 и 3 (см. рис.1) расположены рядом с клеммной коробкой, а точка 5 - напротив, то есть на четных гармониках вибрирует верхняя часть электродвигателя, вызывая вибрацию токоподвода.

3) Опыт третий - анализ гармоник емкостного тока, измеренного в поводке заземления. 

Измерение и гармонический анализ емкосного тока (ГАЕТ) проводился в соответствии с [12, 13], то есть высокочастотный трансформатор тока устанавливался на шину заземления корпуса электродвигателя и фиксировался спектр тока цепи заземления (спектр емкостного тока).

По анализу гармоник емкостного тока [11, 12] у данного двигателя зафиксировано присутствие в спектре гармоник, кратных 7Гц (гармоник 1fоб, 2fоб, 3fоб, 4fоб), что свидетельствует о наличии проблем, связанных с центровкой вала электродвигателя и помпы или ослабления фундамента (см. рис.5)

 

 

Рис.5. Результат гармонического анализа емкостного тока с определением основных гармоник емкостного тока, указанием гармоник оборотной частоты - fоб.

Наличие оборотной вибрации также влияет на ресурс электродвигателя. К сожалению, пока невозможно сказать, какой вид вибрации наиболее опасен и какой из них является причиной, а какой следствием. При этом безусловно, вибрация является одной из основных причин возникающих дефектов. Вибрация приводит к ослаблению креплений, и, как следствие, к истиранию изоляционного слоя, ухудшению контактов. Затем появляются электроразрядные явления, результатом развития которых будут нагревы контактов, замыкание пластин в пакете активной стали или же пробой изоляции обмоток. Из-за вибрации возникает потеря контакта в месте пайки наконечников, что приводит к нагреву, оплавлению изоляции и потере механической прочности кабеля и токоподвода.

4) Опыт четвертый - тепловизионный контроль.

Методы и средства тепловизионного контроля определены [16], при этом проводился тепловой контроль:

  • корпуса электродвигателя;
  • подшипников;
  • кабельной линии (на входе в клеммную коробку).

Проведение тепловизионного контроля корпуса электродвигателя не так эффективно, как гармонический анализ вибрации и измерение электроразрядной активности. Но при контроле нагрева подшипников, работы внешних охладителей и очень грубых дефектов с ΔТ более 30°С, связанных со спеканием пакета активной стали, позволяет подтвердить глубину развития дефекта.

При проведении тепловизионного контроля электродвигателя выявлено, что отсутствует перепад температуры на входе-выходе охладителей №1 и №4, что свидетельствует о их неработоспособности.

Термограммы входа-выхода данных охладителей, а также схема условного расположения охладителей приведены на рис.6.

 

  Рис.6. Результаты тепловизионного контроля электродвигателя №3.

 

5) Выводы по результатам on-line диагностики.

Для определения технического состояния асинхронных электрических машин является важным:

а) проведение гармонического анализа виброявлений;

б) локация всех видов вибрации;

в) измерение разрядной активности для определения степени воздействия вибрации на изоляцию обмотки, пластин пакета, токоподводов, а также воздействия на различные контакты;

г) анализ результатов off-line диагностики.

 

2. Результаты визуального контроля повреждений двигателя №3 и анализ вероятной причины повреждения.

 

Данный двигатель №3 с характеристиками дефектов, указанных на рис.7, повредился в эксплуатации спустя 8 суток работы.

 

  1. Визуальный контроль.

Повреждение имело место на подводах к клеммной коробке. Фото визуального контроля поврежденного электродвигателя даны на рис.7.

Рис.7. Поврежденные узлы электродвигателя №3.
 

Следы перегрева и распушевки токоподвода электродвигателя:

а - вид контактов клеммной коробки, с перегревом левой фазы;

б, в, г - обрывы токоподвода, надрывы на токопроводе.

 

Из фото повреждений электродвигателя (рис.7) видно, что проволоки внешнего повива токоподвода обломлены механическим путем, а не отгорели. Из этого следует, что вероятной причиной повреждения токоподвода являлась вибрация активной части, передаваемая через крепления токоведущим частям, вибрация самих токоподводов под действием пондерматорных сил или вибрация всего двигателя за счет неточной центровки с механизмом, ослабления опор или других причин.

Разделить эти явления используя обычный визуальный контроль невозможно, однако по результатам вибродиагностики на основе анализа гармонического состава виброявлений по [13] вполне реально.

 

 

  1. Анализ причин повреждения электродвигателя №3.

Иллюстрирующиеся разновидности диагностики позволяют определить вероятные этапы возникновения и развития дефекта.

Процесс разрушения токопровода подробно описан в таблице 1. Если процесс рассматривать во времени, то его можно разложить на 2 этапа:

1 этап – это постоянное длительное воздействие вибрации верхней части электродвигателя на токопровод и надрыв внешнего повива провода (см. рис.7б). При этом появляются коронные явления и искрения. Далее оставшиеся электрические проводники работают в более нагруженном режиме и, под воздействием вибрации и нагрева, происходит дальнейший обрыв проводников.

2 этап – происходит полный обрыв одной из 2-х токоведущих жил, когда по остальным начинает протекать весь рабочий ток. Под воздействием вибрации и нагрева происходит полное каскадное разрушение второй и последующих жил.

Такого рода дефекты трудно диагностируются, т.к. токопроводы не имеют внешней заземленной оболочки, а потому нет никаких сигналов, связанных с изоляцией, возможно зафиксировать только корону или искровые явления токового характера.

 

Таблица 1

 

3. Заключение.

    При проведении диагностики фиксируются физические явления, сопровождающиеся электромагнитным излучением – это искрения, корона, частичные разряды, дуга, а также тепловые и вибрационные процессы.

    Наличие в одной локальной зоне признаков различных типов дефектов – электромагнитных, тепловых и вибрационных позволяет судить о степени развитости дефекта. Учитывая, что большинство дефектов развивается по классической схеме - вибрация приводит к ослаблению креплений пакета или обмотки, истиранию изоляционного слоя, появлению разрядных явлений и в конечном счете к тепловым выделениям. Зная этапы развития дефектов и используя многопараметрическую диагностику можно оценивать остаточный ресурс электрооборудования, а это то, что более всего беспокоит  владельцев оборудования, так как на этой информации строится производственная и финансовая политика предприятий.

 

Литература:

1. Ignazio Arces, Luca Ferraris, Lucia Frosini “La manutenzione dei motori elettrici finalizzata al risparmio energetico”.// Automazione e Strumentazione. – April 2008. – P.98-104.

2. Y. Aksenov, I. Arces, G. Noe. On Line PD Diagnostic on Medium Voltage Motors  and Cable Lines: Useful Tool for the Maintenance Manager.//ISEI 2004. – Indianapolis, Indians, USA, 19-22 September 2004.

3. Y.P. Aksenov, A.P. Proshletsov, I.V. Yaroshenko, and G. Noe “Practical Results of On-Line Diagnostic Methods Synergy for Motors and Their Efficacy”.

4. T.R. Hyde, “On-line condition monitoring technology and applications”, ERA Technology, Rep. N95-0546R, 1995.

5. M.T. Almeida, “Analise de vibracoes na manutencao preditiva de motores eletricos”, in Technical report, Fupai, 1996.

6. A. Bellini, F. Filippeti, C. Tassoni, G.B. Kliman, “Quantitative evaluation of induction motor broken bars by means of electrical signature analysis”, in IEEE Transactions on industry applications, vol.37 pp 1248-1255, Sept./Oct. 2001.

7. M. R. W. Group, "Report of Large Motor Reliability Survey of Industrial and Commercial Installations, Part II," IEEE Trans. Ind.Appl., vol. 21, pp. 865-872, 1985.

8. Y. P. Aksenov, I. Yaroshenko, G. Noe, A. Andreev, “On-line Diagnostics Technology and repair Results for Medium Voltage Motors”, presented at IEEE- International Symp on Diagn for Electrical Machines, Power Electronics & Drives, Cargese, 2009.

9. Y. P. Aksenov, M. Golovkov,  V. Arsentiev, Z. Berler,  D. Kral,  R. Sloss, J. Bromley, W. McDermid, “On-line monitoring of partial discharge in rotating machine windings and auxiliaries including the use of external sensors,” Proc. of EEIC/ICWA Conf. Chicago, pp 673-680 Oct. 1993.

10. IEEE 1434-2000 “IEEE Guide to the Measurement of Partial Discharges in Rotating Machinery”.

11. “0,4kV÷24kV Rotating Machines Insulation Diagnostics According to Partial Discharge Characteristics”, Operation Manual No 1.3.99.0036-2009, Moscow, Russia, 2009.

12. Y. P. Aksenov and A.P. Proshletsov, “Two Independent Methods for Power Transformers Vibration Control,” presented at IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines, Power Electronics and Drives, Bologna, Italy, 2011.

13. МР 1.2.1.13.0975–2014 «Вибрационный контроль активной части турбогенераторов и электродвигателей»

14. ГОСТ Р ИСО 10816-3-99 «Контроль состояния машин по результатам измерения вибрации на невращающихся частях»

15. Методы измерений ЭРА и тепловизионного контроля вошли в методические указания МУ-0633-2009 по диагностике электрооборудования в концерне «РосЭнергоАтом»

16. РД.153-34.0-20.363-99 «Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ»