Испытания электрических машин и трансформаторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Методы измерения температуры

2. Измерение вибрации

3. Определения области безыскровой работы машин постоянного тока

Список литературы

Введение

Испытания электрических машин и трансформаторов являются основным средством выявления дефектов в электрооборудовании и проверки качества его ремонта. Прежде чем приступить к ремонту поврежденного электрооборудования, производят контрольные испытания для установления объема и характера предстоящего ремонта, а также получения исходных данных, с которыми сравниваются результаты послеремонтных испытаний.

Отремонтированные трансформаторы и электрические машины испытывают по определенной программе, в которую входят выявление дефектов в отремонтированном электрооборудовании и проверка их характеристик на соответствие стандартам или техническим условиям.

Отремонтированная электрическая машина должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к ней стандартами или техническими условиями.

Электрооборудование после ремонта испытывают в соответствии с «Нормами испытания электрооборудования», в которых приняты следующие условные обозначения видов испытания:

П - приемо-сдаточные (электрооборудования, вновь вводимого в эксплуатацию, прошедшего восстановительный ремонт или реконструкцию);

К - при капитальном ремонте;

Т - при текущем ремонте;

М - межремонтные.

На ремонтных предприятиях проводят следующие виды испытаний:

- контрольные - для определения качества электрооборудования;

- приемо-сдаточные - проводимые при сдаче отремонтированного электрооборудования ремонтным предприятием и, приеме заказчиком;

- типовые испытания - проводимые после внесения изменения в конструкцию электрооборудования или технологию его ремонта для оценки целесообразности внесенных изменений.

В ремонтной практике чаще всего применяет контрольные и приемо-сдаточные испытания. Каждая электрическая машина после ремонта вне зависимости от его объема подвергается приемо-сдаточным испытаниям. Если при ремонте машины не изменена ее мощность или частота вращения, то после капитального ремонта машину подвергают контрольным испытаниям, а при изменении мощности или частоты вращения - типовым испытаниям.

1. Методы измерения температуры

Методы измерения температуры электрических машин и трансформаторов.

При испытаниях применяются два различных вида термопреобразователей - с линейной и резко нелинейной характеристикой «вход-выход» в зоне допустимых температур. Первые используются для непрерывного измерения температуры или превышения температуры над температурой окружающей среды, а вторые - для регистрации факта превышения температуры отдельных частей машины сверх допустимого значения.

Следует иметь в виду, что для получения достоверных результатов, отражающих тепловое состояние электрической машины или трансформатора, необходимо заранее знать примерную картину их теплового поля, чтобы правильно установить датчики температуры. К измерениям температуры предъявляются следующие технические требования:

- возможность измерений в требуемых точках при различных тепловых режимах работы;

- внесение минимальных нарушений в тепловое поле при измерениях;

- возможность осуществления дистанционных измерений, преимущественно методами непосредственной оценки;

- независимость результатов измерений от вибрации, электромагнитных полей и условий окружающей среды;

- высокая точность измерений;

- возможность применения для измерений температуры простой и стандартной измерительной аппаратуры.

В соответствии с указанными требованиями рассмотрим различные методы и способы измерения температуры.

Температуру отдельных частей машины и охлаждающих сред в соответствии с ГОСТ 25000-81 «Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание» следует измерять методами термометра, сопротивления, заложенных датчиков температуры и встраиваемых датчиков температуры.

Метод термометра. При этом методе термопреобразователь датчика температуры прикладывается к доступным поверхностям собранной электрической машины. В качестве термопреобразователя датчика можно применять термометр расширения, термопару, термометр сопротивления или терморезистор. Результат измерения представляет температуру поверхности в точке приложения датчика температуры. Термометры расширения находят ограниченное применение и используются в основном для измерения температуры охлаждающих жидкостей и газов. При этом не следует применять ртутный термометр для измерения температуры тех частей машины, где имеются переменные магнитные поля. Это связано с тем, что переменные магнитные поля наводят в ртути вихревые токи, которые нагревают ее и приводят к неправильным показаниям.

Метод сопротивления дает среднее значение температуры обмотки.

Отметим, что для повышения точности результатов измерения сопротивления обмоток в холодном и горячем состоянии следует измерять с помощью одних и тех же приборов.

Метод заложенных датчиков температуры применяют для определения температуры обмотки или активной стали. Обычно устанавливают не менее шести датчиков, равномерно расположенных по окружности машины в таких точках обмотки в осевом направлении пазов, в которых ожидают наибольшие значения температуры. Каждый датчик должен соприкасаться непосредственно с поверхностью, температура которой подлежит измерению, и быть защищен от воздействия охлаждающей среды. В качестве термопреобразователей датчиков используют термопары, термометры сопротивления или терморезисторы.

Температуру в месте заложения термопары следует определять по ее градировочной характеристике. Холодный спай термопары должен быть защищен от быстрых изменений температуры окружающей среды. При наличии одной-двух термопар ЭДС измеряется милливольтметром с пределом измерения 3-10 мВ и внутренним сопротивлением не менее 25 Ом/мВ.

При большем числе термопар, как правило, используют компенсационный метод измерений. Температуру в месте заложения термометров сопротивления определяют путем измерения сопротивления термометра мостом или специально предназначенными для этого логометрами. Превышение температуры следует принимать равным наибольшему измеренному значению.

Метод встраиваемых датчиков температуры. При использовании этого метода датчики (термопреобразователями могут являться термопары, термометры сопротивления или терморезисторы) устанавливают в электрическую машину только на время испытаний. Место установки - лобовые части обмотки или между отдельными листами активной стали на глубину не менее 5 мм., от ее поверхности. Кроме того, датчики могут устанавливаться в другие доступные точки машины, в которых ожидается наибольшее превышение температуры. Измерения проводятся так же, как и в предыдущем случае.

Характеристика термопреобразователей.

Термопары используют явление термоэлектричества, состоящее в том, что в цепи, состоящей из двух различных проводников или полупроводников, соединенных концами и имеющими различную температуру точек соединения, появляется термоэлектродвижущая сила. При небольшом перепаде температур между спаями ЭДС можно считать пропорциональной разности температур.

Для промышленных термопар используются следующие материалы термоэлектродов: термопара типа ТИП - платинородий (10% родия) - платина, термопара типа ТПР - платинородий (30% родия) - платина, термопара типа ТХА - хромель-алкомель, термопара типа ТХК - хромель-копель. Пределы измерения температуры при длительном применении для указанных типов термопар составляют: для ТПП - от -20 до +1300°С, для ТПР - от +300 до +1600°С, для ТХА - от 50 до +1000°С, для ТХК - от-50 до +600°С. Значения термо-ЭДС, развиваемой термопарами при температуре горячего спая 100 С и холодного спая 0 "С составляют: для термопары типа ТПП - 0,64 мВ, 1ХА - 4,1 мВ, ТХК - 6.9 мВ. Для измерения температур ниже 50°С используются термопары медь-константан (до -270°С) и медь-коппель (до -200°С).

Отметим, что термопара измеряет не температуру места установки спая, а превышение этой температуры над температурой противоположной пары электродов, к которым подключается измерительный прибор, поэтому при проведении измерений необходимо знать температуру в месте установки холодного (измерительного) спая или включать в состав датчика компенсатор температуры «холодного» спая.

Термометры сопротивления относятся к одним из наиболее точных преобразователей температуры. В частности, платиновые термометры сопротивления позволяют измерять температуру с погрешностью 0,001°С. Для измерения температуры применяются металлы, обладающие высокостабильным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и линейной зависимостью сопротивления от температуры. К таким материалам относятся платина и медь.

Промышленные платиновые термометры сопротивления используются в диапазоне температур от -200 до +650°С, медные - от -50 до +200°С. Величина ТКС в диапазоне температур от 0 до 100°С для платины составляет 0,0039, для меди - 0,00427 K-i.

Промышленные платиновые термометры имеют сопротивления 10, 46 и 100 Ом при °С, медные - 53 и 100 Ом. Увеличение температуры чувствительного элемента термометра, помещенного в тающий лед, за счет нагревания измерительным током не должно превышать 0,24°С для платиновых термометров и 0,4°С для медных при рассеиваемой мощности в термометре, равной 10 мВт. Терморезисторы подразделяются на металлические и полупроводниковые.

Выбор металла для терморезистора определяется химической инертностью металла к измеряемой среде в интересующем интервале температур и высокостабильным ТКС. Кроме платины и меди для изготовления терморезисторов применяются никель и вольфрам. ТКС никеля в диапазоне температур от 0 до 100°С равен 0,0069, вольфрама - 0.0048 К4.

Основным достоинством никеля является его относительно высокое удельное сопротивление, которое имеет линейную зависимость от температуры только до +100°С. Медные и никелевые терморезисторы выпускают из литого микропровода в стеклянной изоляции. Микропроволочные терморезисторы герметизированы, высоко стабильны и при малых габаритах могут иметь большое сопротивление. Для низкотемпературных измерений находят применение индиевые, германиевые и угольные терморезисторы.

Полупроводниковые терморезисторы отличаются от металлических меньшими габаритами. Обычно ТКС полупроводниковых терморезисторов имеет отрицательное значение и уменьшается обратно пропорционально квадрату абсолютной температуры. При температуре 20°С величина ТКС составляет 0,02-0,08К, что на порядок выше, чем у металлических терморезисторов.

Полупроводниковые терморезисторы выпускаются в большом ассортименте и имеют номинальные сопротивления при 20°С от 0,3 до 3300 кОм. Диапазон рабочих температур различных терморезисторов составляет от -100 до +300°С. Точность измерения температуры с помощью полупроводниковых терморезисторов близка к точности металлических терморезисторов при соблюдении сроков их поверки.

Разработаны терморезисторы с положительным значением ГКС на базе сегнетоэлектриков, в частности ВаТЮ3, резко изменяющие свое сопротивление при малом изменении температуры. За пределами этого интервала сопротивление с ростом температуры уменьшается. В указанном интервале температур значение I КС достигает 0,3-0,5К.

Такие полупроводниковые терморезисторы нашли применение в устройствах защиты электрических машин от перегревов. С их помощью проверяют, превышает температура допустимую или нет. Критическая температура, при которой начинается резкий рост сопротивления, составляет для различных полупроводниковых терморезисторов с положительным значением ТКС от +70 до +150°С.

Инерционность термопар и термометров характеризуется их постоянной времени. Различают термопары и термометры сопротивления:

- малоинерционные (постоянная времени меньше или равна 40°С для термопары и 9°С для термометра);

- средней инерционности (постоянные времени соответственно равны 60 и 80°С);

- большой инерционности (с постоянными времени до 3,5 и 4,0 мин.) и ненормированной инерционности.

Отдельную группу составляют измерители разового действия, к которым относятся теплочувствительные краски и легкоплавкие металлы. Эти измерители позволяют лишь ответить на вопрос, превысила ли измеряемая температура допустимую или нет. Если температура превысила допустимую, то теплочувствительная краска изменяет свой первоначальный цвет, а металлический предохранитель плавится, нарушает контакт в измерительной цепи и сигнализирует о недопустимом превышении температуры.

Особенности измерения температуры вращающихся частей электрических машин.

Температура вращающихся тел измеряется датчиками температуры, которые могут соединяться с индикатором через скользящий электрический контакт или бесконтактным способом. Возможно использование измерителей разового действия.

При использовании скользящего электрического контакта в качестве термопреобразователей используются термопары, термометры сопротивления или терморезисторы, которые через контактные кольца и щетки или жидкометаллические контакты соединяются с измерительными приборами. При использовании скользящего контакта в зоне последнего возникает коммутационная ЭДС. Сопротивление контакта сильно зависит от температуры, влажности, вибрации, скорости вращения и других факторов. В меньшей степени влияние указанных факторов проявляется в случае применения жидкометаллических контактов.

Скользящие контакты должны подвергаться испытаниям как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, что затрудняет их использование. Кроме того, в ряде модификаций электрических машин нет места для установки дополнительного щеточно-контактного узла.

Бесконтактная передача информации с термопреобразователя на измерительное устройство может осуществляться с использованием индуктивной, емкостной или СВЧ связи. Широкое распространение получили бесконтактные методы измерения температуры, основанные на измерении теплового излучения ротора.

Индукционная связь может осуществляться с помощью вращающегося трансформатора - воздушного или с магнитным сердечником. Вращающаяся катушка соединена с термометром сопротивления или терморезистором, а неподвижная включена в мостовую измерительную схему. Питание моста осуществляется от источника переменного тока.

В случае применения емкостной связи одна из обкладок конденсатора (обычно цилиндрического) вращается, а другая неподвижна. Время заряда или разряда конденсатора и его ток зависят от сопротивления термопреобразователя, соединенного с вращающейся обкладкой конденсатора.

В качестве термопреобразователей применяют и датчики с сердечниками из материалов, точка Кюри которых соответствует предельно допустимой температуре контролируемого элемента вращающегося ротора электрической машины.

СВЧ-связь применяется редко и осуществляется с помощью миниатюрных СВЧ-резонаторов, устанавливаемых на роторе. При изменении температуры в результате теплового расширения изменяются линейные размеры резонатора и его резонансная частота, что улавливается неподвижными приемниками частоты (частотомеры). Приемник может иметь шкалу в градусах либо может быть снабжен специальной градировочной таблицей или кривой, которые позволяют по известному значению частоты определять температуру.

Использование теплового излучения вращающихся частей электрических машин для измерения их температуры стало возможным после разработки приемников излучения, имеющих длину волны около 5 мкм, что соответствует области излучения слабо-нагретых тел с температурами около100°С (в частности, на базе сернистого свинца). Для бесконтактного измерения температуры вращающихся частей можно использовать стандартные фотоэлектрические пирометры и тепловизоры, которые серийно выпускаются промышленностью.

Измерение температуры в трансформаторах.

Температуру отдельных частей трансформатора и охлаждающих сред измеряют в соответствии с требованиями ГОСТ 3484-88*. Измерение температуры охлаждающей среды (трансформаторное масло, жидкий негорючий диэлектрик, воздух, элегаз) осуществляют методом термометра, а температуры обмоток - методом сопротивления. В случае невозможности применения метода сопротивления для определения температуры обмоток применяют метод термометра. Используемые при этом датчики температуры не отличаются от описанных ранее.

В соответствии с ГОСТ 3484-88* за среднюю температуру обмоток масляного трансформатора или трансформатора, заполненного жидким негорючим диэлектриком, принимается температура масла (жидкого негорючего диэлектрика) в верхних слоях, если трансформатор не подвергался нагреву в течение 20 ч., и после заливки прошло не менее 6 ч. Температура средних слоев масла не должна превышать 40°С

За среднюю температуру обмоток сухих трансформаторов, не подвергавшихся нагреву и находящихся не менее 16 ч., в помещении, в котором колебания температуры охлаждающего воздуха не превышают 1°С в час, принимают среднее арифметическое показаний двух термометров, установленных у верхнего и нижнего краев боковой поверхности одной из наружных обмоток.

Температуру воздуха измеряют с помощью трех или более термометров, расположенных с трех сторон трансформатора примерно на середине его высоты на расстоянии 1-2 м., от охлаждающей поверхности. Каждый термометр помешают в наполненный трансформаторным маслом сосуд объемом не менее 1 л., хорошо отражающий внешние тепловые излучения.

2. Измерение вибрации

Для этого используются практически те же приборы, что и для измерения шума. Отличие заключается лишь в датчике и в некоторых случаях в наличии дифференцирующих цепочек, которые позволяют определять по измеренной эффективной скорости вибрации вибрационные ускорение или смещение. Иными словами, описанные ранее шумомеры могут применяться в качестве виброметров, если вместо микрофона в качестве чувствительного элемента используется вибродатчик. Отличие заключается в области измеряемых частот, поскольку при измерении вибраций достаточно производить измерения в диапазоне от 5 до 1000 Гц. Внешние устройства для анализа вибраций такие же, как и используемые для анализа шумов. При измерении параметров вибрации могут быть использованы кинематический и динамический принципы измерения. При использовании кинематического принципа координаты точек исследуемого объекта измеряются относительно выбранной неподвижной системы координат. Динамический принцип заключается в измерении параметров вибрации относительно искусственной неподвижной системы отсчета, в большинстве случаев инерционного элемента.

Датчики вибраций по способу измерения можно разделить на две группы - контактные и бесконтактные. Преимуществом бесконтактных датчиков является возможность проведения измерений с высокой точностью в труднодоступных местах в условиях воздействия внешних электромагнитных полей. В качестве этих датчиков могут использоваться оптические, электромагнитные, электрические, радиоволновые, акустические и радиационные устройства, механически не связанные с испытуемой машиной и поэтому не вносящие искажений в картину вибраций. Однако при промышленных испытаниях используются более дешевые контактные датчики, масса которых незначительна и поэтому их применение практически не вносит искажений в вибрационное состояние исследуемых трансформаторов и электрических машин, включая машины малой мощности.

В качестве контактных датчиков вибрации получили распространение электродинамические и пьезоэлектрические датчики, электрические сигналы на выходах которых пропорциональны скорости вибрации и вибрационному ускорению соответственно. Чтобы точность измерения вибраций была удовлетворительной, масса датчика не должна превышать 5% от массы измеряемого объекта.

Наиболее миниатюрными являются пьезоэлектрические датчики (акселерометры), активный элемент которых изготовлен на основе пьезокварца, цирконато-титановых керамик или титаната бария.

Выбор материала пьезоэлектрического датчика определяется допустимой величиной температурной погрешности. Использование цирконато-титановых керамик обеспечивает работу датчика с погрешностью ±20% в диапазоне 200-250°С, при погрешности ±5% температурный диапазон сокращается до 40-60°С.

При использовании кварца обеспечивается погрешность ±2% в диапазоне до 400°С. Для измерения вибрации в зоне температур до 100°С высокую точность дает применение титанита циркония или бария.

3. Определения области безыскровой работы машин постоянного тока

Перед испытаниями щетки устанавливаются в положение, соответствующее геометрической нейтрале. Установка может проводиться методом реверсирования (при работе машины под нагрузкой с притертыми и пришлифованными к коллектору щетками) или индуктивным методом (при неподвижном якоре).

При использовании метода реверсирования считается, что положение щеток соответствует нейтрале в том случае, если в результате изменения направления вращения у двигателя при неизменных значениях напряжения, тока нагрузки и тока возбуждения практически не изменяется частота вращения (опыт рекомендуется проводить при номинальной частоте вращения), а у генератора при неизменных значениях частоты вращения, тока нагрузки и тока возбуждения практически не изменяется напряжение (питание обмотки возбуждения должно быть независимым).

Для машин со смешанным возбуждением как при правом, так и при левом направлении вращения согласное или встречное включение обмоток должно сохраняться неизменным.

При использовании индуктивного метода положение щеток, соответствующее нейтрале, определяется по чувствительному магнитоэлектрическому прибору (предпочтительно с нулем в середине шкалы), который подключают к щеткам разной полярности, а в обмотку главных полюсов подают импульсами питание oт постороннего источника постоянного тока.

При положении щеток, соответствующем нейтрале, прибор не должен давать отклонений или эти отклонения должны быть минимальными и направленными в разные стороны. Опыт повторяют при установке якоря в различные положения по отношению к полюсам. При отсутствии напряжения постоянного тока в обмотку главных полюсов можно подавать напряжение переменного тока и использовать чувствительный вольтметр переменного тока.

Испытания, связанные с определением области безыскровой работы, необходимы для настройки добавочных полюсов машины и проводятся при номинальной частоте вращения путем изменения магнитодвижущей силы (МДС) обмотки добавочных полюсов. Определение области безыскровой работы проводят в режиме нагрузки при практически установившейся температуре активных частей машины, соответствующей номинальному режиму работы.

При промышленных испытаниях машин мощностью свыше 500 кВт допускается проводить это испытание в режиме короткого замыкания при номинальной частоте вращения. Изменение МДС обмотки добавочных полюсов производят одним из следующих способов:

- с помощью постороннего источника постоянного тока, который подключают к зажимам обмотки добавочных полюсов, включенной в общую цепь машины (при испытании машины высокого напряжения посторонний источник постоянного тока заземляют или, если это возможно, надежно изолируют от земли);

- постороннего источника постоянного тока, питающего обмотку добавочных полюсов, отключенную от остальных цепей испытуемой машины (в этом случае ток дополнительного питания добавочных полюсов следует определять как разность между током нагрузки в момент отсчета и током в обмотке добавочных полюсов);

- наложенной на добавочные полюса временной обмотки, питаемой от постороннего источника постоянного тока. В этом случае ток дополнительного питания получают приведением тока питания временной обмотки к числу витков добавочных полюсов (этот способ целесообразно применять только в тех случаях, когда отсутствует возможность применения первых двух способов);

- шунтирования обмотки добавочных полюсов (у машин с сильными добавочными полюсами).

Таким образом, при испытаниях обмотку добавочных полюсов питают дополнительным током ±Д/, который изменяют постепенно до появления искрения. Проведя испытания при различных значениях тока якоря, получают два ряда точек, определяющих верхнюю и нижнюю границы области безыскровой работы машины. Границы области должны соответствовать исчезновению искрения при изменении тока подпитки. Иными словами, внутри области машина работает со степенью искрения 1 по шкале ГОСТ 183-74.

электрооборудование термопреобразователь трансформатор

Отклонение средней линии области безыскровой работы вверх от оси абсцисс (пунктирная линия на рис. а) свидетельствует о том, что МДС обмотки добавочных полюсов является недостаточной. Отклонение средней линии области безыскровой работы вниз (рис. б) указывает на то, что МДС обмотки добавочных полюсов является чрезмерной.

В первом случае необходимо увеличить МДС обмотки добавочных полюсов путем увеличения числа витков последней или уменьшить воздушный зазор под добавочным полюсом. Во втором случае, наоборот, нужно увеличить воздушный зазор под добавочным полюсом или уменьшить МДС обмотки добавочных полюсов.

Список литературы

1. Каминский М.Л. Проверка и испытание электрических машин. М., «Энергия», 1977.

2. Н.Ф. Котеленец, Н.А. Акимова, М.В. Антонов «Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин». Издательство: Академия - 2003.

3. Справочник по наладке эл. оборудования промышл. предпр. (под. ред. Зименкова М.Г. и др.) Энергоатомиздат, М. 1983.

4. Лекции по наладке электрооборудования.

Размещено на Allbest.ru