Влияние эксплуатационных факторов на дополнительные параметры изоляции тяговых электрических машин
ВВЕДЕНИЕ
Электрические машины вошли в историю человечества с начала 19-го века в качестве объекта научных исследований (двигатель М.Фарадея, 1891 г.), В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби спроектировал и построил реверсивный электрический двигатель вращательного движения с коллектором-коммутатором из медных пластин, а в 1838 году Б. С. Якоби объединил 40 электродвигателей, работавших на два вала, которые вместе с гальванической батареей, были установлены на боте, проплававшем с 12 пассажирами по Неве несколько часов при сильном ветре и против течения - это было первое практическое применение электрических машин.
За сравнительно небольшую историю развития конструкция электрических вращающихся машины достаточно быстро достигла привычного для нас сегодня, классического исполнения. Вместе с постройкой первых электрических машин промышленного назначения началась история развития изоляционных материалов, отличием которых от изоляционных материалов статических электрических объектов явилось присутствие вибрации, динамических факторов и большего уровня температурного нагрева. Первыми широко используемыми изоляционными материалами являлись пропитанные изоляционным составом или погруженные в жидкие диэлектрики (натуральные смолы, масляные, асфальтовые, эфирцеллюлозные лаки, трансформаторное масло, термопластичные компаунды); лакоткани, изоляционные ленты, лакобумаги, электрокартон, гетинакс, текстолит, пропитанное дерево, древесные слоистые пластики, хлопчатобумажные ткани, шелка и лавсан.
Тем не менее, простейшие изоляционные материалы класса нагревостойкости «Y» и «А» (90 и 100 0С) применялись при изготовлении электрических машин в том или ином виде более 100 лет. Следует отметить, что даже изоляция столь низкого класса, при условии соблюдения режимов охлаждения и нагрузки электрических машин, позволила некоторым «экспонатам» перешагнуть 70-ти, и даже 80-ти летний рубеж эксплуатации.
Но промышленное применение электромашин не приемливало их использования в недогруженном режиме, условия их эксплуатации требовали повышения удельной мощности и нагружения. Именно на этих этапах развития качество электрической изоляции электромашин, ее долговечность, электро, тепло и вибростойкость стали определять надежность электрических машин.
СОДЕРЖАНИЕ
Перечень иллюстраций и таблиц........................................................................ 5
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 9
ГЛАВА 1. ИЗОЛЯЦИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.............. 17
1.1 Требования к тяговым электрическим машинам. Условия работы тяговых электрических машин на подвижном составе................................................... 17
1.2. Анализ неисправностей тяговых двигателей локомотивов....................... 25
1.2.1 Отказы тяговых электродвигателей тепловозов..................................... 27
1.2.2 Отказы ТЭД типа ЭД-118........................................................................ 31
1.2.3 Отказы ТЭД типа ЭД-133........................................................................ 33
1.2.4 Отказы ТЭД новых серий тепловозов..................................................... 36
1.3. Изоляция тяговых электрических машин: изоляционные конструкции, свойства материалов, режимы пропитки и сушки изоляции........................................... 38
1.4 Описание конструкции изоляции повышенного класса нагревостойкости для тепловозных тяговых электродвигателей типа ЭД118, обеспечивающей повышение надежности и ресурса. Характеристики применяемых материалов................. 58
1.5 Постановка целей и задач исследования..................................................... 68
ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ИЗОЛЯЦИИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ............................................................................................................................. 74
2.1 Выбор режимов работы тяговых двигателей при стендовых испытаниях по определению характеристик и прогнозированию ресурса изоляции класса «Н». 74
2.1.1 Выбор режимов испытаний на нагревание с целью подтверждения расчетных режимов с повышенной токовой нагрузкой..................................................... 74
2.1.2 Выбор эквивалентного режима ускоренного теплового старения изоляции, соответствующего рядовой эксплуатации ТЭД при работе на магистральном грузовом тепловозе в течение 20 лет................................................................................ 75
2.2 Определение параметров для контроля изоляции при стендовых испытаниях............................................................................................................................ 79
2.3. Выбор стендового оборудования для испытаний и схемные решения испытательного стенда...................................................................................... 83
2.4. Ускоренное определение ресурса изоляции класса «Н» для тяговых двигателей типа ЭД-118: рабочая программа и методика испытаний................................ 91
2.5. Результаты испытаний на нагревание в режимах повышенных расчетных токов и проверки ресурса и характеристик изоляции при эквивалентном ускоренном тепловом старении, соответствующем сроку работы электродвигателя 20 лет в рядовой эксплуатации на тепловозе.............................................................................. 102
2.5.1 Результаты испытаний на нагревание в режимах повышенных расчетных токов.......................................................................................................................... 102
2.5.2 Результаты проверки ресурса и характеристик изоляции при эквивалентном ускоренном тепловом старении, соответствующем сроку работы электродвигателя 20 лет в рядовой эксплуатации на тепловозе....................................................... 104
Выводы по главе............................................................................................. 105
ГЛАВА 3. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ДАЛЬНЕЙШИЕ РАЗРАБОТКИ..................... 108
3.1 Программа эксплуатационных испытаний комплекта тяговых электродвигателей ЭД-118 с изоляцией класса «Н»...................................................................... 109
3.2. Результаты эксплуатационных испытаний тяговых электродвигателей ЭД-118 с изоляцией класса Н (по материалам доклада 2011)....................................... 116
Выводы по главе............................................................................................. 124
3.3 Методология предиктивной диагностики тяговых двигателей с использованием дополнительных параметров изоляции в локомотивных депо..................... 125
3.4. Способ и устройство контроля нагрева тягового электродвигателя (патент RU 2 530 742 C1)................................................................................................... 128
3.5 Способ усиления изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя (полезная модель RU83 881 U1)..................................................................................... 137
3.6 Заключение по работе «Влияние эксплуатационных факторов на дополнительные параметры изоляции тяговых электрических машин»................................... 142
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 186
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Malmlow, G. Thermal Ading Properties of cellulose Insulations Materials [Текст] / Trans, Roe. Inst. of Technology (Stskholm). – 1948. – №19. – Pt. 99-102.
Галушко, А. И. Надёжность изоляции электрических машин [Текст] / А.И. Галушко, И.С. Максимова, Р.Г. Оснач, П.М. Хазановский. – М.: Энергия, 1979. – 176 с.
Чикиркин, О.В. Приоритеты пожарной безопасности локомотивов [Текст] // Локомотив. – 2015. – №5. – С. 15-17.
Анализ отказы тяговых электродвигателей локомотивов за 9 месяцев 2020 года, Филиал ОАО «РЖД» – проектно - конструкторское бюро локомотивного хозяйства, 2020, – 50 с.
ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84). Системы электрической изоляции. Оценка нагревостойкости и классификация. – М.: Изд-во стандартов, 2003.
Глебов, И.А. Диагностика турбогенераторов [Текст] / И.А. Глебов, Я.Б. Данилевич. – Л.: Наука, 1989. – 119 с.
Шепелин, П.В. Исследование влияния емкости изоляции силовой цепи локомотивов [Текст] / П.В. Шепелин, А.Н. Калякулин, А.С. Тычков // Перспективы развития сервисного обслуживания локомотивов: материалы второй международной научно-практической конференции. – М.: ООО «Локомотивные технологии». – 2015. – С. 347-350.
Potdevin, H. Insulation Monitoring in High Voltage Systems for Hybrid and Electric Vehicles // ATZelektronik worldwide. 2009. V. 4. Iss. 6. Pp. 28—31.
Берсенев, Д.В. Анализ переходных процессов в обмотках тяговых электродвигателей электровозов 2ЭС6 [Текст] / Д.В. Берсенев, М.В. Поляков, В.А. Кураев, Е.А. Третьяков // Современные материалы, техника и технология. – 2017. –С. 46-52.
Электрические машины и преобразователи подвижного состава: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 320 с.
Попов, Ю.И. Исследование процесса снижения электрической прочности изоляции тяговых электрических машин локомотивов, эксплуатируемых в сложных природно-климатических условиях [Текст] / Ю.И. Попов, О.О. Соколов // Наука и техника транспорта. - 2015. - № 2. – С. 89–97
Гордеев, И.П. Ресурс изоляции тяговых электродвигателей и перспективы его увеличения [Текст] / И.П. Гордеев, А.Н. Калякулин, А.В. Мальцев // Вестник транспорта Поволжья. – 2010. – Т. №2. – С.20-25.
ГОСТ 2582-2013 Машины электрические вращающиеся тяговые. Общие технические условия – М.: Стандартинформ, 2014.
Гордеев, И.П. Разработка системы определения предотказного состояния тяговых электродвигателей локомотивов с селективной системой контроля температуры изоляции их обмоток [Текст] / И.П. Гордеев, А.В. Мальцев, А.Н. Калякулин. // Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура: материалы научн. - техн. конф. посв. 55-летию УрГУПС: в 2 т. / Уральский государственный университет путей сообщения. – Екатеринбург, 2011. – Вып. 97(180), т. 1. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – С.193-197.
Харламов, В.В. Анализ переходных процессов тяговых электрических двигателей с учетом условий эксплуатации [Текст] / В.В. Харламов, П.К. Шкодун, Д.И. Попов, А.В. Проненко // Известия Томского политехнического университета. –2012. –Т. 321. – № 4. –С.72-74
Электрическая изоляция обмоток тяговых двигателей локомотивов // Вестник ВНИИЖТ. №2. Ванчиков В.Ц. 2006. С.41-43.
Калякулин, А.Н. Выравнивание рабочего напряжения в изоляции обмоток тяговых электродвигателей тепловозов [Текст] / А.С. Тычков, В.А. Силаев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2019. Вып. 2. – Ч. 2. – С. 369 – 375.
Гордеев, И.П. Повышение надежности изоляции тяговых силовых цепей локомотивов [Текст]: дисс. докт. техн. наук. ‒ М.: 2006. ‒ 211 с.
Гордеев, И.П. Исследование диэлектрических параметров изоляции силовых цепей электровозов [Текст] / И.П. Гордеев, А.Н. Калякулин, А.С. Тычков // Наука и образование транспорту: материалы VІІ Международной научно-практической конференции. – Самара: СамГУПС. – 2014. – С. 13-15.
Совершенствование изоляции турбогенераторов и крупных электрических машин, изготавливаемой по технологии вакуум-нагнетательной пропитки Петров В.В Погодина Ж.П., Левин С.М., Лавкин Н.Е // Электротехника. 2003. №4.. С. 28-30
. Новое поколение пропиточных компаундов Сидоренко К.C., Евтушенко Ю.М., Биржин, А.П., Комарова В.К // Электротехника. 2002. №4. C. 44-49
Dakin, Т. W. Electricale Insulations Deteriorations Treatedas a Chemicale Rate Phenomenon [Текст] / Trans, Am. Inst. Elec. Engrs. – 1948 – №67. – Pt. 113-122.
Перспективы совершенствования систем изоляции тяговых электрических машин Левин С.М., Ножевникова Т.Е., Казакова Н.Ю., Лавкин Н.Е. Электротехника. 2003. №3. C. 31-35.
Пак В.М ., Панков А.В., Куимов И.Е. Современное состояние и перспективы развития систем изоляции крупных электрических машин [Текст] // Электротехника 2011 № 4 С.2-7.
Гордеев, И.П. Исследование и разработка методов повышения надежности корпусной изоляции якорей тяговых электродвигателей тепловозов: [Текст]: дис. канд. техн. наук. – М., 1980. – 211 с.
Zhao, C. The New Method of Monitoring DC System Insulation On-line [Текст] / C. Zhao, X. Jia, Z. Hao // Proc. 27th IEEE Annual Conf. Industrial Electronics Society. – Denver, 2001. – V. 1. – Pp. 688-691.
ГОСТ 14950-75 Конструкция изоляции электрических машин с предварительно изолированными шаблонными секциями обмотки. Метод определения нагревостойкости М.: Издательство стандартов, 1982 год
Изоляция электрических машин общепромышленного назначения. Бернштейн Л. Н. М: Энергия, 1971
ГОСТ 10518-88 Системы электрической изоляции и другие полимерные системы. Общие требования к методам ускоренных испытаний на нагревостойкость. М.: Издательство стандартов, 1988 год
Попов, Ю.И. Расчет теплового старения изоляции тяговых электродвигателей электровозов [Текст] / Ю.И. Попов, А.С. Куренков, О.О. Соколов, В.П. Смирнов, А.С. Космодамианский, С.И. Баташов // Вопросы электротехнологии. – 2014. - №1. – С. 82-85.
Рабочая программа и методика «Ускоренное определение ресурса системы изоляции класса нагревостойкости «Н» электродвигателя ЭД118 при стендовых испытаниях»27.Т.310.00.00.000 ПМ, АО «ВНИКТИ», 2006, – 14 с.
НИР по теоретическому и экспериментальному исследованию темпе-ратурных режимов тяговых электрических машин магистральных тепловозов мощностью 3000 л.с. в секции //Отчет ВНИТИ. № 27-88-05. Коломна. 1988 – 233 с.
Электрические машины постоянного тока / В.С.Хвостов и др. Под ред. И.П.Копылова. М: Высшая школа, 1988.
Исследования условий теплового пробоя тяговых электродвигателей тепловозов и разработка мероприятий по повышению их надёжности. Отчёт о НИР по х/д с ЦТ МПС. Тема Т-120. Ташк. ин-т инж. ж.-д. трансп, (ТашИРГГ); Руководитель В. Н. Жидков [Текст]. – Ташкент, 1976. – 146 с.
Сви, П.M. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения [Текст]. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 128 с.
11ДК 401163.001 РЭ Руководство по эксплуатации серия мобильных приборов контроля и диагностики «Доктор – 060М». – Омск: ООО «Омский завод транспортной электроники», 2007. – 60 с.
Калякулин, А. Н. Метод и устройство для обнаружения пробоя изоляции на корпус в силовых цепях тепловозов [Текст] // Омский научный вестник. – 2019. – № 1 (163). – С. 38– 42.
Калашников, Н.С. Перспективные методы контроля сопротивления изоляции разветвленных электрических цепей, Электрофорум. [Текст] / Н.С. Калашников, А.Г. Кустов, С.К. Панайотис. - Санкт-Петербург, пилотный номер, 2000 г.
Серебряков, А. С. Методы и средства для диагностики изоляции электрических машин и аппаратов её зашиты [Текст]: дис. ... докт. техн. наук. – М., 2000. – 425 с.
Серебряков, А.С. Оценка сопротивления высоковольтной изоляции с помощью анализа кривых саморазряда [Текст] / А.С. Серебряков, Д.А. Семенов // Электричество. 2016. №7. С.34-42.
Серебряков, А.С. Определение параметров схемы замещения корпусной изоляции тяговых электродвигателей [Текст] / А.С. Серебряков // Электротехника. – 2009. – №5. – С.40-45.
Yan, G. Research of Measurement Method about Electric Vehicle High Voltage System Isolation Resistance [Текст] / G.Yan, Z. Rong, L. Guibin, N. Kinoshita // Proc. IEEE Conf. and Expo on Transportation Electrification Asia-Pacific. – Beijing, 2014. – Pp. 1-5
Программа эксплуатационных испытаний опытного комплекта тяговых электродвигателей ЭД-118 с изоляцией класса нагревостойкости «Н» в составе тепловоза 2ТЭ116-1431, Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД», 2008, – 8 с.
Liu Y.-C., Lin C.-Y. Insulation Fault Detection Circuit for Ungrounded DC Power Supply Systems [Текст] // Proc. IEEE Sensors. – Taipei, 2012. – Pp. 1-4.
Горбатюк В. A. Исследование характеристик и разработка системы контрольно-практических испытаний изоляции электрических машин тепловозов [Текст]: дис. ...канд. техн. наук. – М.:1969. – 168 с.
Кулешов, В.И Устройство избирательного контроля сопротивления изоляции Заявка на изобретение. № 93045829, дата публикации, 1997.03.27.
Калинин, И.М. Способ избирательного контроля сопротивления изоляции Заявка на изобретение. № 95100200, дата публикации 1996.11.27.
Серебряков, А. С. Методы и средства для диагностики изоляции электрических машин и аппаратов её зашиты [Текст]: дис. ... докт. техн. наук. – М., 2000. – 425 с.
Бородянский, И.М. К вопросу улучшения метрологических характеристик измерителя сопротивления изоляции шин питания от корпуса [Текст]: Тезисы докладов Материалы Всероссийской научной конференции аспирантов и студентов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». – Таганрог: ТРТУ, 2004. – С. 286-287.
Марковская, О. А. Разработка системы контроля состояния изоляции и защиты генераторов от повреждений в цепях ротора [Текст]: дис. ... канд. техн. наук. – СПб., 2000. – 164 с.
Калякулин, А.Н. Диагностирование тяговых двигателей локомотивов с учетом диэлектрических свойств изоляции [Текст] / А.Н. Калякулин, А.Ю. Балакин, А.С. Тычков, П.В. Шепелин // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: материалы третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием в трех частях. Часть I / Омск. – Омский гос. ун-т путей сообщения. – 2015. – С.231-235.
Патент (RU2 530 742 C1), Способ и устройство контроля нагрева тягового электродвигателя, Прохор Д. И., Ким С. И., Кашников Г. Ф., Бойкова Е.М. Опубликован10.10.2014 Бюл. № 28.
Патент на полезную модель (RU83 881 U1), Способ усиления изоляции якорной обмотки тягового электродвигателя, Клименко Ю.И., Кашников Г.Ф., Тулинова С.В., Прохор Д.И., Опубликовано 20.06.2009.
Проведенные при техническом проектировании вентиляционный и тепловой расчеты электродвигателя ЭД-118 с системой изоляции класса нагревостойкости «Н» подтверждают возможность повышения токовой нагрузки электродвигателя при работе на тепловозах 2ТЭ116 и 2ТЭ10М проходящих МЛП, при имеющемся расходе охлаждающего воздуха через двигатель 1,3 м3/c соответственно для часового и продолжительного ре-жимов 850 и 780 А.
Экспериментальная проверка реализуемости по нагреву частей (якоря и полюсов) указанных режимов в стендовых условиях является одной из важных задач подтверждения новых качеств двигателя ЭД-118 с системой изоляции класса «Н».
Такая проверка, как и проверка ресурса и характеристик изоляции проводятся методом непосредственной нагрузки двигателя ЭД-118 с системой изоляции класса «Н». В качестве нагрузки применен второй электродвигатель ЭД-118 с системой изоляции класса «Н», работающий в режиме генератора, и дополнительный штатный двигатель стенда, работающий в генераторном режиме.
Ресурсные испытания системы изоляции проводились на натурных образцах тяговых электродвигателей в сборе. Это по сравнению с испытаниями на макетах систем изоляции по ГОСТ 14950-75 [27] и ГОСТ 10518-88 [29], менее удобно и ограничивает выборку образцов, но позволяет получить более точные сведения о ресурсе изоляции как системы в целом при проведении цикла ускоренного теплового старения, достигаемого повышенными нагрузками, током возбуждения и ограничением количества охлаждающего воздуха, с последующим выдерживанием двигателя в камере влажности при температуре (20±5)ºС и относительной влажности 100 % (конденсация влаги) в течение 48 часов [28], [ ].