4.3. Системы технического диагностирования

Задачи и классификация систем технического диагностирования. Техническое диагностирование выполняется в системе, которая представляет собой совокупность средств измерения и объекта диагностирования и при необходимости исполнителей, подготовленной к диагностированию и осуществляющей его по правилам, установленным документацией. Система технического диагностирования работает в соответствии с алгоритмом ТД, который представляет собой совокупность предписаний о проведении диагностирования [20].

Условия проведения ТД включают диагностические параметры (ДП), их предельно допустимые наименьшие и наибольшие предотказные значения, периодичность диагностирования изделия и эксплуатационные параметры применяемых средств, определяют режим технического диагностирования и контроля.

Диагностический параметр (признак) – параметр, применяемый в установленном порядке для определения технического состояния объекта или системы.

Системы технического диагностирования (СТД) могут быть различны по своему составу, назначению, структуре, конструкции, схемотехническим решениям, месту установки. Они, как правило, классифицируются по ряду признаков, определяющих их назначение, задачи, структуру, состав технических средств: по степени охвата объекта ТД; по принципу взаимодействия между объектом ТД и средствами технического диагностирования (СрТД); по используемым средствам технического диагностирования и контроля; по степени автоматизации объекта ТД.

По степени охвата системы технического диагностирования разделяются на локальные и общие. Под локальными понимают системы, решающие одну или несколько перечисленных выше задач – определение работоспособности или поиск места отказа. Общими называют системы технического диагностирования, решающие все поставленные задачи диагностирования.

По принципу взаимодействия объекта ТД и СрТД системы технического диагностирования подразделяют на системы с функциональным диагнозом. В последних решение задач диагностики осуществляется в процессе функционирования объекта ТД по своему назначению и системы с тестовым диагнозом, в которых решение задач диагностики осуществляется в специальном режиме работы объекта ТД путем подачи на него тестовых сигналов.

По используемым средствам технического диагностирования системы ТД можно разделить: на системы с универсальными сред-ствами ТД (например ЦВМ); системы со специализированными средствами (стенды, имитаторы, специализированные ЦВМ); системы с внешними средствами, в которых средства и объект ТД конструктивно отделены друг от друга; системы со встроенными средствами, в которых объект ТД и СТД конструктивно представляют одно изделие.

По степени автоматизации системы технического диагностирования делятся на: автоматические, в которых процесс получения информации о техническом состоянии объекта ТД осуществляется без участия человека; автоматизированные, в которых получение и обработка информации осуществляется с частичным участием человека; неавтоматизированные (ручные), в которых получение и обработка информации осуществляется человеком-оператором.

Аналогичным образом могут классифицироваться также средства технического диагностирования: автоматические, автоматизированные, ручные.

Системы диагностики применительно к объекту технического диагностирования прежде всего должны:

- предупреждать постепенные отказы;

- выявлять неявные отказы;

- осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализовывать место отказа.

В системе управления качеством диагностико-прогнозирующие процессы подразделяют на три основные временные составляющие:

1) прогноз – процесс определения технического состояния объекта ТД в будущем на конечном временном интервале с заданной достоверностью;

2) диагноз – процесс определения технического состояния объекта в данный момент;

3) генезис – процесс определения технического состояния объекта ТД с определённой точностью на заданном в прошлом временном интервале.

Согласно приведенной выше классификации, область науки и техники – техническая диагностика – может быть соответственно представлена как: непосредственно техническая диагностика; техническая прогностика; техническая генетика (прогнозирование назад или ретропрогноз). Такое деление имеет место тогда, когда процесс прогнозирования осуществляется как бы раздельно. Но на практике все три процесса представляют собой неразрывное диалектическое единство, ибо они выражаются в динамике изменения состояния функционирующей системы или объекта.

Структура системы технического диагностирования

На рис. 4.2 представлена развернутая структура системы технического диагностирования. В центре системы технического диагностирования – объект ТД и средства диагностики и контроля.

Функциональными элементами системы технического диагностирования являются: 1 – датчики сигналов, 2 – линии связи, 3 – коммутаторы, 4 – преобразователи, 5 – измерительный прибор, 6 – индикатор, 7 – дискриминатор (устройство сравнения), 8 – поле допусков, 9 – индикатор вида технического состояния (документирующее или запоминающее устройство), 10 – управляющее устройство, 11 – стимулирующее устройство, 12 – прогнозирующее устройство.

Главной подсистемой СрТД является измерительное устройство, обеспечивающее заданную точность диагностирования. Так как измерительное устройство, как правило, не может измерять все виды параметров сигналов технической системы или объекта, составными элементами СрТД в частности являются коммутаторы и преобразователи.

Рис.4.2. Структура технического диагностирования

На выходе измерительного устройства формируется информация о техническом состоянии объекта. Эта информация путем различных способов отображения может быть представлена оператору или может быть автоматически обработана для дальнейшего использования. Важным элементом такой обработки является сравнение представленной информации с полем допусков для вынесения решения о техническом состоянии диагностируемого объекта. После принятия решения осуществляются еще две операции: операция управления качеством изделия и операция стимулирования.

Прогнозирующее устройство способно определять состояние объекта в будущем посредством обработки информации о текущем и прошлом состояниях системы.

В результате процесса диагностирования и контроля выносится решение о виде технического состояния: работоспособен или неработоспособен диагностируемый объект, что и определяет возможность его использования по своему прямому функциональному назначению.

Но при этом надо иметь в виду, что в результате работы целого ряда функциональных подсистем, за каждой из которых стоит конкретная схемотехническая реализация, и воздействия на тракт помех и шумов, решение о техническом состоянии всегда выносится с определенной ошибкой.

Из опыта известно, что ошибки диагностирования могут быть допущены в основном из-за неработоспособности средства диагностирования и большой погрешности измерений в процессе диагностирования.

Исходя из этого, правильное диагностирование технического состояния объекта будет определяться совокупным состоянием объекта и средств диагностирования, характеристиками измерительного устройства и устройства сравнения.

Кроме этого вероятная ошибка диагностирования и правильное диагностирование зависят от ряда событий, которые по своей физической природе являются событиями случайными.

Поэтому, говоря о количественных характеристиках показателей диагностирования, подчеркнем, что они должны быть представлены вероятностями состояний объекта и средств диагностирования, и вероятностями принятия решений о техническом состоянии.

На количественное значение этих вероятностей в той или иной степени оказывают влияние все элементы структурной схемы технического диагностирования. На погрешность точности измерения параметров сигналов в большей степени влияют:

1) выбор допусков на диапазон изменения диагностируемых параметров;

2) погрешности преобразования и измерительного прибора;

3) аддитивные и мультипликативные помехи, возникающие в самом объекте;

4) шумы в каналах связи и в цепях коммутации;

5) погрешности сравнения;

6) ошибки при принятии решения оператором (субъективный фактор);

7) быстродействие системы и т.п.

Техническое состояние средств диагностирования определяется, прежде всего, надежностью элементов системы диагностирования и, в первую очередь, безотказностью их работы, наличием у средств диагностирования устройств самоконтроля и индикации отказа, позволяющих своевременно индицировать нарушение работоспособности СрТД и прекратить процесс диагностирования и т.д.

Как подчеркивается в [21,22], ошибки принятия решения, определяющего состояние объекта ТД, зависят от состояния и характеристик всего контура контроля параметров, под которыми понимают совокупность функционально связанных устройств, входящих в информационную систему диагностики и контроля, формирующую контролируемый сигнал и обеспечивающую контроль параметров этого сигнала. Кроме ошибок, возникающих в контуре, с развитием информационных технологий не менее важное значение будут иметь методы, принятые для оценки работоспособности. Известно, что совокупность выбранных параметров должна быть такой, чтобы любой отказ (а также и предотказное состояние) приводил хотя бы один из диагностируемых параметров за пределы допуска. Но это достижимо при качественном получении информации о самих параметрах в тот или иной момент времени.

Показатели систем технического диагностирования. Диагностические параметры. Процесс технического диагностирования сложных технических систем – неотъемлемая часть процессов технического обслуживания и ремонта (ТО и Р), поэтому ряд показателей качества, характеризующих надежность функционирования объектов и ее отдельные составляющие, могут являться одновременно показателями объекта или системы как объекта технического диагностирования или совпадать с ними.

С другой стороны, диагностирование объекта осуществляется в СТД, а это в свою очередь означает, что целый ряд параметров системы и объекта диагностирования трудно отделить друг от друга.

Параметры технической системы как объекта ТД можно условно [21] разделить на группы, которые характеризуют:

- потребности системы в техническом диагностировании;

- диагностируемость системы;

- конструктивную приспособленность системы к диагностированию и контролю.

Потребность системы или объекта в техническом диагностировании определяется стратегиями ТО и Р, в процессе которых осуществляется управление техническим состоянием компонентов системы.

Показателями объекта являются:

–периодичность проведения диагностирования или наработка изделия, после которой требуется диагностирование;

–среднее время проведения диагностирования как функция наработки .

Диагностируемость технической системы характеризуется совокупностью параметров, их допусков и производных, определяющих виды технического состояния всей структуры системы.

В целом операции диагностирования по определению работоспособности и поиску места дефекта (отказа) можно охарактеризовать рядом показателей, таких как:

L – длина теста диагностирования, определяемая числом элементарных тестовых воздействий;

–вероятность ошибки диагностирования вида – вероятность совместного наступления двух событий: объект диагностирования находится в техническом состоянииi, а в результате диагностирования считается находящимся в состоянии j;

D – вероятность правильного диагностирования – полная вероятность того, что система диагностирования определяет то техническое состояние, в котором действительно находится объект диагностирования.

Конструктивная приспособленность системы или объекта к проведению технического диагностирования и контроля заданными средствами определяется показателями диагностирования и контролепригодности: – средняя оперативная продолжительность диагностирования – математическое ожидание оперативной продолжительности однократного диагностирования;– средняя оперативная трудоемкость диагностирования;– средняя оперативная стоимость диагностирования;– коэффициент унификации устройств сопряжения со средствами диагностирования:, гдеN_у – число унифицированных устройств, – общее число устройств сопряжения.

–коэффициент унификации параметров сигналов системы или объекта определяется по формуле:

,

где δ_у – число унифицированных диагностических параметров; – общее число параметров;– коэффициент трудоемкости подготовки объекта к диагностированию:

,

где W_В – средняя трудоемкость подготовки объекта к диагностированию; , а– основная трудоемкость диагностирования;

–коэффициент использования специальных средств диагностирования,

,

где и– соответственно объемы серийных и специальных средств диагностирования.

Принятие решения о состоянии технической системы и отнесение его к одному из видов – работоспособному или неработоспособному – может быть осуществлено только в процессе измерения и сопоставления с нормами совокупности параметров, характеризующих это состояние.

Как отмечено выше, ДП для каждого типа технической системы можно указать множество параметров (или их признаков), характеризующих ее техническое состояние. Большинство ДП по своему назначению могут иметь двойственную природу, являясь одновременно диагностическими и техническими. Именно эти параметры чаще всего поддаются непосредственному измерению, и для них проще всего установить нормы и допуски, выход за пределы которых характеризует отказ или дефект в функционировании системы.

Характеристикой отказа является выход за пределы допуска одного ДП. Решение о работоспособном состоянии технической системы или объекта принимается на основе измерения совокупности ДП, причем эта совокупность тем больше, чем сложнее система.

Очевидно, что определение состояния на основе оценки совокупности ДП оказывается сложной научно-технической задачей, включающей операции: выбор совокупности ДП, выбор допусков на каждый ДП, измерение текущих значений параметров и другие рассмотренные операции, включая прогнозирование.

В случае, если значения диагностических параметров не поддаются непосредственному измерению, то эти значения могут быть найдены путем обработки других параметров, связанных с искомыми прямыми функциональными зависимостями.

Совокупность ДП должна определять: всю полноту контроля, возможность поиска дефектов и оптимизацию алгоритмов поиска; возможность прогнозирования возникновения повреждения (отказа) и, самое главное, чувствительность к изменению состояния отдельных устройств технической системы и составных частей, к ходу течения деградационных процессов. При выборе такой совокупности ДП необходимо также помнить, что процесс определения ДП связан с экономическими затратами на ТДК и поэтому эту совокупность ДП следует минимизировать, уменьшая ее информационную избыточность, при сохранении определенного качества диагностирования (полноты контроля, достоверности, возможности поиска, прогноза, чувствительности).

Другой важной особенностью выбора совокупности ДП является то, что, как правило, в сложных технических системах выходные технические параметры, которые могут характеризовать работоспособность и отражать состояние системы, стабилизируются путем применения обратных связей. Чувствительность цепей при применении обратных связей уменьшается, т.е. уменьшается степень отражения технического состояния системы.

Главной характеристикой совокупности ДП (как и одиночного ДП) должна быть чувствительность к изменению состояния технической системы, происходящему под воздействием деградационных процессов.

Таким образом, процесс выбора совокупности диагностических параметров можно разделить на следующие этапы:

1) определение множества состояний S;

2) выбор совокупности ДП – ;

3) минимизация совокупности U(S);

4) синтез рациональных алгоритмов проверки работоспособности и поиска места дефекта (отказа);

5) установление рациональных допусков на нормы технических параметров (НТП).

Формализованные методы выбора совокупности ДП предусматривают построение и анализ математических моделей объектов диагностирования и моделей их возможных дефектов. Эти модели позволяют в первую очередь установить взаимосвязи между состояниями системы, условиями и режимами ее работы, входными сигналами и параметрами выходных сигналов. Таким образом формулируется задача синтеза диагностической модели.

Классификация диагностических моделей. Как правило, технические объекты (объекты энергетики) – сложные системы. У каждого объекта свое назначение, общее же у всех объектов одно – полное выполнение возложенных на объект функциональных задач. В процессе их создания вопросам формирования совокупностей ДП подчас должного внимания не уделяется, хотя это необходимо для обеспечения контроля за состоянием объекта, системы.

Очевидно, что моделирование является одним из самых надежных методов и эффективных инструментов исследования как простых, так и сложных технических систем на всех этапах их жизненного цикла. Общепринятое понятие модели, к сожалению, не выработано.

Но с инженерно-технической точки зрения, а тем более научной, определение «модель объекта» все же имеет точное семантическое (смысловое) содержание, а будучи дополнено сопровождающими определениями из обширного спектра классификаторов – становится предельно ясным понятием. Поэтому с учетом вышеуказанного, можно ограничиться определением, что модель объекта или процесса представляется [21] некой формализованной сущностью (например, множеством параметров и их взаимосвязей), характеризующей какие-либо определенные свойства реального объекта (процесса), представленные в приемлемой или наглядной форме. Важно отметить, что между объектом и моделью существует связь: модель в основе своей отражает реальность объекта и позволяет в определенных пределах, близких к истине, имитировать свойства объекта, вызывающие у исследователя аналогичные представления.

Диагностические модели (ДМ) – это по [21] модели объектов, процессов диагностирования, т.е. их формализованные описания, которые являются исходными для определения и выполнения алгоритмов диагностирования. Иначе говоря, ДМ следует рассматривать как совокупность методов построения математической модели, определяющей также методику формирования способов и алгоритмов определения технического состояния объекта.

Диагностическая модель может быть задана в двух формах. Первая явная форма модели – это совокупность формальных описаний исправного и работоспособного объекта и всех его неисправных и неработоспособных состояний. Вторая неявная форма модели – представляет собой, в отличие от первой, какое-либо только одно формальное описание объекта, математические модели его физических неисправностей и правила или алгоритм получения по этим данным других нужных описаний, характеризующих иные состояния. Как правило, задается математическая модель исправного объекта диагностирования, на базе которой можно построить модели неисправных состояний.

Технические системы как объекты моделирования обладают функциональным разнообразием, конструктивной сложностью, широким спектром решаемых ими задач, высокой стоимостью отказов и высокой стоимостью автономности. Поэтому классификация моделей как рациональных описаний наиболее тесно связана с самими структурами объектов. Учитывая вышеcказанное, ДМ целесообразно условно разделить [21] на следующие группы:

1. Непрерывные модели, представляющие объект и протекающие процессы в непрерывно меняющемся времени, которое является аргументом определенных функций. Непрерывные ДМ – это в основном алгебраические или дифференциальные линейные и нелинейные уравнения, включая передаточные функции.

2. Дискретные модели, определяющие состояния ОД для последовательности дискретных значений времени, как правило, без учета характера протекающих в промежутках процессов. Данные модели обычно представляются конечно-разностными уравнениями или конечными автоматами и используются для описания цифровых или импульсных устройств.

3. Гибридные модели, описывающие реальные объекты, включающие как устройства непрерывного действия аналоговые, так и импульсные (цифровые) устройства.

4. Специальные модели, характеризующие большую группу моделей, построение которых определяется самой спецификой объектов и особенностями диагностического обеспечения. К данной группе можно отнести функциональные модели, модели характеристик, информационных потоков и т.д.

4.4. Методика диагностирования синхронных электродвигателей магистральных насосов с оценкой фактического технического состояния и определения возможности продления срока службы

При проведении работ по диагностированию энергоустановок лицо, ответственное за электрохозяйство (служба главного энергетика), предоставляет диагностической бригаде для изучения документацию и результаты постоянного диагностического мониторинга за период, предшествующий аттестации:

• проектную и исполнительную документацию со всеми последующими изменениями при эксплуатации синхронных электродвигателей;

• акты приемки энергоустановок в эксплуатацию;

• оперативную схему энергоснабжения синхронных электродвигателей, схемы первичных и вторичных электрических соединений;

- оперативную (эксплуатационную) документацию с указанием предельных величин контролируемых параметров синхронных электродвигателей, величин срабатывания устройств сигнализации и аварийных защит;

• документацию по сбору данных о надежности работы электродвигателей с распечатками планового диагностического мониторинга узлов по мощности загрузки, температурам, вибро- и тепловизорному контролю;

• технические паспорта на диагностируемые электродвигатели.

В приложении Г приведена методика диагностирования синхронных электродвигателей насосов с единичной мощностью до 8 МВт и напряжением до 10 кВ включительно.

Диагностирование изоляции электродвигателей. Одним из основных этапов диагностирования является измерение параметров изоляции электродвигателей [24]. Перед проведением измерений и испытаний электрических машин необходимо провести их внешний осмотр. Все видимые дефекты должны быть устранены, а обмотки очищены от загрязнений и пыли продуванием сухим и чистым, без примеси масла, воздухом давлением не более 0,2 МПа (2 кгс/см²) и протерты в доступных местах чистой ветошью. Проверка заземления корпуса электрической машины производится визуально, если видна вся заземляющая шинка от машины до контура, мегаомметром или измерителем заземления (например, М-146).

Диагностирование сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции мегомметром проводится в следующей последовательности:

- измерение сопротивления изоляции синхронных электродвигателей на номинальное напряжение выше 1000 В производится мегомметром напряжением 10002500 В;

- измерение сопротивления изоляции производится при температуре +10…–30^оС и сравниваются его показания через 15 с и 60 с после приложенного напряжения.

Коэффициент абсорбции определяется по формуле

,

где иR₁₅ – сопротивление изоляции соответственно через 60 с и 15 с после приложения напряжения.

Для неувлажненной изоляции этот коэффициент равен 1,3–2; при увлажненной изоляции он близок к единице.

Измерения производят мегомметром со встроенными реле времени, дающими сигналы через 15 с и 60 с после подачи на электродвигатель напряжения, или с применением секундомера. Обмотки электрической машины перед измерением сопротивления изоляции должны быть заземлены не менее чем на 2 мин.

Сопротивление изоляции обмотки статора следует измерять для каждой фазы относительно корпуса и двух других закороченных и заземленных на время измерения фаз, при условии возможности разрыва соединения внутренней схемы электродвигателя. В противном случае измерение производится для всей обмотки относительно корпуса. При измерении сопротивления изоляции обмотки статора электродвигателя необходимо ротор закоротить и заземлить во избежание повреждения.

Измеряются 15- и 60-секундные значения сопротивлений. За начало отсчета принимается момент начала вращения рукоятки мегомметра или момент включения высокого напряжения мегомметра, питающегося от сети. Вращение рукоятки мегомметра с ручным приводом должно производиться с номинальной скоростью – 120 об/мин. При наличии колебаний напряжения питающей сети питание мегомметра должно производиться от стабилизатора. При емкости обмоток более 0,1 мкФ следует использовать электронный стабилизатор напряжения, а в случае его отсутствия – мегомметр с моторным приводом. Предел измерения мегомметра должен выбираться так, чтобы отсчет показаний производился в средней части шкалы. По окончании измерений испытуемую обмотку разрядить и присоединить к контуру заземления на время не менее 2 мин.

Наименьшие допустимые значения сопротивления изоляции синхронных электродвигателей на номинальное напряжение выше 1000 В мощностью до 5000 кВт приведены в табл. 4.1.

Для электрических машин мощностью выше 5000 кВт наименьшее допустимое значение сопротивления изоляции при температуре 75 ^оС определяется по формуле [23]:

МОм,

где – номинальное напряжение, В;– номинальная мощность, кВА.

Если сопротивление изоляции, вычисленное по этой формуле, окажется ниже 0,5 Мом, то наименьшее допустимое значение принимается равным 0,5 Мом.

Таблица 4.1

Температура обмоток, оС	Сопротивление изоляции, R60 МОм при номинальном напряжении обмоток, кВ
	3–3,15	6–6,3	10–10,5
10	30	60	100
20	20	40	70
30	15	30	50
40	10	20	35
50	7	15	25
60	5	10	17
75	3	6	10

Если температура ниже 75 ^оС (но не ниже 10 ^оС), наименьшее значение сопротивления изоляции обмоток машины определится умножением значений, полученных по указанной формуле, на температурный коэффициент , зависящий от температуры.

	75	70	60	50	40	30	20	10
	1	1,2	1,7	2,4	3,4	4,7	6,7	9,4

Обмотки ротора синхронных машин должны иметь сопротивление изоляции относительно ротора при температуре 10–30 ^оС не менее: для двигателей напряжением выше 1000 В – 0,2 МОм; для двигателей напряжением 1000 В и ниже сопротивление изоляции обмотки ротора не нормируется.

Диагностирование изоляции обмотки статора повышенным выпрямленным напряжением с измерением тока утечки по фазам. Испытанию подвергается каждая фаза или ветвь в отдельности при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом, если это позволяет конструкция электродвигателя.

Оценка результатов диагностирования производится по зависимости – тока утечки (мкА) от испытательного напряжения, которая не должна иметь крутого изгиба, а также по коэффициенту нелинейности, который в зависимости от группы электродвигателя равен 13.

Диагностирование изоляции повышенным напряжением переменного тока промышленной частоты. Испытание повышенным напряжением переменного тока является заключительным видом испытания изоляции обмоток синхронных двигателей. Такое испытание позволяет определить наличие запаса прочности изоляции и выявить дефекты, которые не выявляются другими методами. Перед диагностикой повышенным напряжением переменного тока по приведенной ниже схеме (рис.4.3) должны быть выполнены следующие работы: а) произведен осмотр внешнего состояния изоляции; б) измерено ,; в) измерены характеристики изоляции, позволяющие сделать заключение о возможности включения электрических машин в работу.

Испытательное напряжение выбирается в зависимости от параметров электрической машины по табл.4.2. Продолжительность приложения нормированного испытательного напряжения – 1 минута.

Рис.4.3. Схема диагностирования повышенным напряжением

Диагностирование изоляции обмотки статора синхронного электродвигателя с водяным охлаждением производится при непрерывной циркуляции воды в обмотке статора. Испытательная схема приведена на рис.4.4.

Рис.4.4. Испытательная установка АИД-70 или схема, собираемая из отдельных элементов: РУ – регулятор напряжения (РНО); ТН –измерительный трансформатор напряжения; ИТ – испытательный трансформатор

Мощность ИТ определяется по формуле:

(кВА),

где – емкость испытуемой обмотки, измеренная любым способом,U – испытательное напряжение; .

Такую же мощность должен иметь регулятор напряжения (РУ). Мощность резистора допускает протекание разрядного тока.

Таблица 4.2

Испытуемый объект	Характеристика электрической машины	Диагностирующее напряжение, кВ
Обмотка статора синхронного электродвигателя	Мощность до 1 МВт, номинальное напряжение выше 100 В Мощность более 1 МВт, номинальное напряжение выше 3,3 кВ до 6,6 кВ Выше 6,6 кВ	1,0 10,0 16,0
Цепи возбуждения со всей присоединенной аппаратурой (без обмоток ротора и возбудителя) Реостат возбуждения Резистор гашения поля Заземляющий резистор	- - - -	1,0 1,0 2,0 1,5
Обмотка ротора синхронного электродвигателя	Для различных мощностей и напряжений	1,0

Во время приложения испытательного напряжения диагностируемая изоляция осматривается с безопасного расстояния с целью определения поведения ее под испытательным напряжением. Изоляция считается выдержавшей испытание, если:

- не было сосредоточенного в отдельных местах свечения желтого или красного цвета;

- не было пробоя или перекрытия изоляции;

- не было частичных нарушений изоляции, проявляющихся в виде появления дыма, выделения газов или резких бросков токов утечки;

- не было местного нагрева участков изоляции, которые определяются ощупыванием изоляции рукой после снятия и заземления синхронного электродвигателя.

После снятия напряжения, заземления диагностируемой обмотки и визуального осмотра изоляции производится повторное измерение сопротивления изоляции мегомметром.

Диагностирование межвитковой изоляции производится подъемом напряжения номинальной частоты синхронной машины на холостом ходу до значения, соответствующего 130 % номинального напряжения статора синхронного электродвигателя. Продолжительность испытания при наибольшем напряжении – 5 минут. Для высоковольтных электродвигателей испытание на холостом ходу проводиться при номинальном рабочем напряжении.

По результатам диагностирования электрических параметров составляется протокол испытаний, пример протокола приведен в приложении Д. Кроме испытания изоляции при диагностике электродвигателей [25]:

- определяют потери холостого хода и короткого замыкания. Для отделения механических потерь от потерь в стали электродвигателя опыты холостого хода проводят при нескольких значениях подведенного к обмотке статора напряжения и строят зависимость суммы потерь в стали и механических потерь от квадрата напряжения, а затем экстраполируют построенную зависимость до пересечения с осью ординат. Отрезок, отсекаемый на оси ординат, представляет механические потери электродвигателя;

- по степени отклонения измеренных значений при проведении опыта холостого хода от значений, полученных при предыдущих испытаниях, проводят оценку технического состояния;

- проводят проверку возбудителей синхронных электродвигателей.

Диагностирование развивающихся дефектов изоляции электродвигателей магистральных насосов методом частичных разрядов

Основной характеристический параметр раннего диагностирования при эксплуатационном контроле изоляции электроустановок – кажущийся заряд частичного разряда.

Для диагностирования изоляции используются электрические методы, обеспечивающие определение значения ДП, а также акустические методы обнаружения импульсов давления, вызванных разрядами. Электрические методы основаны на измерении импульса тока в испытательной цепи, вызванного нейтрализацией в месте разрядов заряда и последующим перераспределением зарядов элементов схемы. Область применения этих методов – определение места возникновения разрядов в силовом трансформаторе или в электродвигателе. Для оценки состояния изоляции используются: измеряемая величина частичных разрядов, сравнение величин на разных фазах или машинах, полярность импульсов, характер распределения величины импульсов по длине периода приложенного напряжения, влияние нагрузки и температуры. В табл. 4.3. представлена классификация уровней частичных разрядов по основным признакам, а также рекомендации по эксплуатации энергоустановки для того или иного уровня частичных разрядов.

Из приведенной таблицы видно, что в качестве норм отбраковки на основе результатов замеров величин частичных разрядов принимают чрезвычайно высокие показатели – появление уровней в десятки тысяч мкВ (рекомендуется 24–48 тыс.мкВ или 10^-8–10^-7 Кл), после чего проводится непрерывный мониторинг для определения скорости нарастания уровня, немедленный визуальный контроль, применение дополнительных методов диагностирования для локализации дефекта. После локализации дефекта принимают решение о ремонте или замене электродвигателя.

Принцип формирования норм отбраковки по параметрам частичных разрядов, используемых при интерпретации результатов измерений, поясняет рис. 4.5, где РD – величина отрицательных импульсов (–c повторением 10 имп/с соответствует на рисунке 80 мВ); +РD – величина положительных импульсов (– с повторением 10 имп/с соответствует на рисунке 200 мВ); – площадь под линией;; +NQN – площадь под линией ; +NQN; Q_m – амплитудное значение величины импульсов, мВ, пКл, мА или мкВ.

Рис.4.5. Принцип формирования норм отбраковки по параметрам ЧР

Таблица 4.3

Классификация уровней частичного разряда (ЧР)

Уровни ЧР	Характеристики	Рекомендации
Низкий	Уровни ЧР меньше, чем ожидалось для данного типа и возраста изоляции, или ЧР не были обнаружены	Требуется периодический контроль на регулярной основе, по крайней мере, раз в год
Умеренный	Регулярные частичные разряды, характерные для данного возраста, типа изоляции и расчетного напряжения	Продолжение контроля по периодическому графику в пределах от 2 до 4 раз в год
Повышенный	Характерен для хорошо развитого единственного дефекта в выключателе или шинопроводе. Многочисленные, хорошо развитые дефекты, наблюдающиеся во всей обмотке вращающейся машины. Один или несколько хорошо развитых дефектов с ЧР в 6–10 кВ электродвигателях	Этот уровень подразумевает, что оборудование проработает без отказа в течение нескольких месяцев. Вероятность отказа 10–20 %. Данный уровень требует дополнительных измерений через 1–3 месяца для определения тенденции роста интенсивности ЧР. Обычно проверку и ремонт рекомендуется выполнить при следующем плановом отключении, если дальнейшие испытания не покажут увеличения интенсивности ЧР-активности
Критический	Изоляционная система, в которой обнаружено присутствие единственного дефекта с чрезвычайно высоким уровнем ЧР для данного типа изоляции (обычно десятки тысяч мкВ), рассматривается как критическая. При обнаружении такого уровня необходимо немедленно выполнить дополнительное измерение для определения возможных причин и локализации разрядов	Непрерывный мониторинг. Немедленный визуальный контроль. Применение дополнительных средств диагностики для локализации дефекта. После локализации дефекта может быть принято решение о ремонте или замене оборудования

Хорошему состоянию изоляции соответствует величина Q_m, не превышающая 100 мВ, неудовлетворительному – Q_m больше 500 мВ (эпоксидная изоляция) и больше 1000 мВ – для асфальтомеканитной изоляции. В качестве первичного преобразователя применяется резистор (резисторный датчик) или катушка индуктивности (индуктивный датчик) в виде, например, разъемного трансформатора тока, как можно увидеть в приведенном ниже примере протокола. При измерении кажущегося заряда частичного разряда применяется измеритель амплитудных значений импульсов, обеспечивающий непрерывное измерение частичных разрядов и анализирующий результаты измерений.

Диагностирование синхронных электродвигателей по виброакустическим параметрам. В качестве измеряемого параметра вибрации устанавливается среднее квадратическое значение (СКЗ) виброскорости в рабочей полосе частот 10–1000 Гц. Датчики контрольно-сигнальной аппаратуры устанавливаются на каждой подшипниковой опоре электродвигателей насосных агрегатов. При наличии многоканальной виброаппаратуры дополнительно установить датчики для контроля вибрации в горизонтально-осевом направлениях каждого подшипникового узла.

Вертикальную составляющую вибрации измеряют на верхней части крышки подшипника над серединой длины его вкладыша.

Горизонтально-поперечная и горизонтально-осевая составляющие вибрации измеряются на уровне оси вала электродвигателя против середины длины опорного вкладыша ниже разъема.

У электродвигателей вибрация измеряется в трех взаимно перпендикулярных направлениях возможно ближе к оси вращения ротора.

Вибрация всех элементов крепления электродвигателя к раме и рамы к фундаменту измеряется и контролируется в вертикальном направлении.

Общая диагностика технического состояния электродвигателей насосов по вибрации во время эксплуатации производится в соответствии с нормами вибрации магистральных насосных агрегатов, представленными в табл. 4.4.

Диагностические работы проводятся с целью определения вида (типа) развивающегося дефекта и прогноза работоспособности электродвигателя до следующего диагностического контроля.

Оценку работоспособности электрооборудования ЭЭС по результатам измерений температуры используют при плановых диагностических контролях.

При диагностическом контроле проводят:

- измерение СКЗ виброскорости на каждом подшипниковом узле в трех взаимно перпендикулярных направлениях;

- измерение СКЗ виброскорости на лапах подшипниковых стояков и рядом с ними на раме;

- измерение уровня шума электродвигателя;

- измерение температуры подшипниковых узлов, а также меди и железа статора.

Таблица 4.4

Нормы вибрации для электродвигателей под нагрузкой

магистральных насосов

Среднее квадратическое значение виброскорости, мм/c	Оценка интенсивности вибрации	Оценка длительности эксплуатации
До 2,8	Отлично	Длительная
Свыше 2,8 до 4,5	Хорошо	Длительная
Свыше 4,5 до 7,1	Удовлетворительно Необходимо улучшение	Ограниченная – период времени, в течение которого электродвигатель можно эксплуатировать пока проводятся исследования причин повышенной вибрации
Свыше 7,1	Неудовлетворительно	Не допускается

При снижении эффективности работы системы охлаждения, которое сопровождается, как правило, повышением температурного режима ЭМ, проводится измерение расхода охлаждающего воздуха анемометром, счетчиком газа или калориметрическим расходомером. Проводится определение остаточного ресурса (построение тренда); регистрация результатов измерения и оценка технического состояния электродвигателей (определение возможности эксплуатации электродвигателя до следующего диагностического контроля).

Внеплановый контроль проводят, если:

- СКЗ виброскорости () превысило 6,0 мм/с в любой из контролируемых точек;

- СКЗ виброскорости превысило базовое значение в два раза, независимо от фактической на данное время величины вибрации;

- СКЗ виброскорости на лапах подшипниковых стояков превысило 1,8 мм/c; при установившемся режиме происходит внезапное изменение вибрации на 2 мм/с от любого предшествующего значения виброскорости на подшипниковой опоре;

- уровень шума электродвигателя изменился на 6 Дб относительно базового значения;

- температура подшипников, меди и железа статора изменилась на 10 ^оС относительно базового значения при установившемся режиме перекачки нефти для определенных климатических условий.

По результатам измерения вибрации для контролируемой точки строят график изменения уровня вибрации в зависимости от времени наработки (тренд).

Основные причины вибрации электродвигателя по характеру их проявления и рекомендуемые способы устранения дефекта даны в [11,12].

Диагностическое дефектоскопирование валов роторов синхронных генераторов ЭЭС. В связи с большим ущербом в случае неожиданного разрушения валов, необходимо использовать несколько методов неразрушающего контроля из числа визуального или оптического, ультразвукового, вихретокового, магнитопорошкового, капиллярного или магнитного контроля.

Обязательным является оптический или визуальный метод перед проведением других видов дефектоскопии валов роторов электродвигателей.

Неразрушающий контроль валов роторов электродвигателей и других механических частей с применением визуального, виброакустического [26], вихретокового, капиллярного, радиографического и магнитного [27-29] методов необходимо совмещать с проведением диагностирования магистральных насосов. Приведем примеры реализации некоторых из вышеперечисленных методов.

Люминесцентный метод. При люминесцентном методе на обезжиренную поверхность вала наносят люминофор, который проникает в имеющиеся трещины, после чего люминофор удаляют с поверхности вала (промывают и высушивают). Затем вал облучают ультрафиолетовыми лучами и оставшийся в трещинах люминофор при облучении ярко светится. Этот метод применяют при выявлении мелких поверхностных трещин в высокоуглеродистых и легированных сталях.

Магнитные методы. Дефектоскопия, основанная на свойствах магнитного поля, разделяется на магнито-порошковую и магнитоиндукционную.

Магнитопорошковый вид дефектоскопии основан на образовании полей рассеяния порошкового металла над дефектами при намагничивании испытуемого вала. Чаще всего магнитные порошки применяют в виде суспензии в таких жидкостях, как керосин, минеральные масла, вода, спирт и т.п. Магнитный порошок сосредоточивается в местах, где прерывается или затрудняется прохождение магнитного потока внутри вала ротора, образуя рисунок или пятно, соответствующее скрытому дефекту.

Намагничивание проверяемых валов может быть осуществлено несколькими способами, главными из которых являются: полюсный (рис.4.6), циркуляционный (рис.4.7) и комбинированный.

Рис.4.6. Полюсное намагничивание: 1 – вал, 2 – дефект,

3 – силовые линии магнитного поля, 4 – электромагнит

Рис.4.7. Циркуляционное намагничивание током через вал:

1 – вал, 2 – дефект, 3 – силовые линии магнитного поля,

4– намагничивающая обмотка от трансформатора

В первом случае вал намагничивается постоянным магнитом или электромагнитом со стальным сердечником, при этом деталь приобретает явно выраженные магнитные полюсы.

При циркуляционном способе через вал пропускают ток, при котором магнитные силовые линии замыкаются внутри металла, и вал не имеет явно выраженных полюсов.

При комбинированном методе одновременно применяют полюсный и циркуляционный способы.

Полюсное намагничивание обычно применяют при выявлении поперечных трещин, а циркуляционное – при выявлении дефектов, расположенных продольно, т.е. вдоль оси вала.

Дефектоскопирование, основанное на свойствах электромагнитных волн, реализуют с помощью рентгеновских и гамма-лучей. Просвечивание рентгеновскими лучами ограничено вследствие сложности и высокой стоимости аппаратуры.

Более перспективен контроль гамма-лучами с использованием препарата радиоактивного кобальта. От рентгеновского этот метод контроля отличается рядом преимуществ:

- возможностью просвечивания толстостенных изделий (валов),

- простотой и экономичностью оборудования, не требующего для своей работы посторонних источников энергии;

- более удобным подходом к контролируемым объектам с источником гамма-лучей, так как последний имеет весьма малые размеры.

Работа с гамма-дефектоскопами требует особых мер предосторожности: изотопы в ампулах, помещенных в специальные контейнеры, хранят в специальных помещениях (ампулохранилищах), перевозят в специальных машинах.

Магнитопорошковый метод контроля используют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов цилиндрических поверхностей, галтельных переходов и шпоночных пазов, который позволяет:

- определить конфигурацию и размеры обнаруженного подповерхностного дефекта вала;

- проводить очистку поверхности вала после диагностирования более простыми методами, чем после капиллярного контроля.

Вихретоковое диагностирование валов рекомендуется для обнаружения трещин в шпоночных пазах, резьбах, галтельных переходах. Этот метод позволяет обнаружить места зарождения дефекта, когда другие методы неразрушающего механического диагностирования не дают результатов из-за отсутствия нарушений сплошности стали.

Используемый метод основан на зависимости магнитных свойств металлов от механических напряжений в них и позволяет выявить зоны усталостных явлений из-за старения металла, что особо важно для диагностирования выработавших заводской ресурс электродвигателей, а также из-за воздействия высоких механических (циклических) нагрузок. По данным измерений этими приборами по сеткам, нанесенным на обследуемый участок вала ротора, строят карты полей напряжений, на которых координируют зоны концентраций напряжений, места расположения потенциальных (скрытых) дефектов, направления действия напряжений.

Виброакустические методы. Методы дефектоскопии, основанные на свойствах звуковых волн, разделяются на звуковой и ульразвуковой.

При звуковом методе обстукивают молотком контролируемый вал и по звуку, который он издает, определяют наличие или отсутствие дефекта (например, трещин и т.д.). Методом выявления дефектов, основанным на свойствах звуковых волн, является ультразвуковой. Различают два основных метода обнаружения дефектов с помощью ультразвука: теневой и отражения.

Сущность теневого метода заключается в поглощении и рассеянии части ультразвуковых волн дефектом, метода отражения – в отражении части ультразвуковых волн от дефекта. Реализуют эти методы с помощью ультразвуковых дефектоскопов. Для ультразвукового диапазона от 1,25 до 5,0 МГц применяют серийно выпускаемые дефектоскопы общего назначения, как, например, УД-12. Подбором частоты ультразвуковых колебаний добиваются необходимой чувствительности контроля как к внутренним, так и к поверхностным дефектам. Наиболее распространенной частотой, на которой проводят контроль изделий, является частота 2,5 МГц. Наибольшее распространение получили импульсные дефектоскопы.

Ультразвуковой метод используют при дефектоскопии валов роторов для обнаружения подповерхностных и внутренних дефектов (трещины, раковины и пр.) цилиндрических поверхностей и галтельных переходов, он позволяет:

- обнаруживать как поверхностные дефекты вала глубиной 1±0,1 мм, так и внутренние дефекты вала глубиной 2±0,2 мм и более;

- контролировать труднодоступные места с расстояния без непосредственного доступа к участкам вала;

- использовать простые, по сравнению с электромагнитными, датчики-преобразователи, не критичные по отношению к материалу, из которого изготовлен вал, и позволяющие дефектоскопировать валы из любой стали;

- применять серийно выпускаемые ультразвуковые дефектоскопы общего назначения.

Решение современных задач диагностики требует привлечения принципиально новых методов и средств, к ним можно отнести диагностирование по картине внешнего магнитного поля (ВМП), так как информацию о техническом состоянии объекта в ряде случаев можно получить только на основе исследования его ВМП. При этом измерение диагностических параметров производится бесконтактным методом и, что важно, в состоянии рабочего режима. Использование ВМП в качестве основного или дополнительного источника диагностической информации позволяет более достоверно оценить техническое состояние и своевременно прогнозировать отказы ЭМ [27,28].