Разработка методов контроля вибрации тягового трансформатора электровоза ВЛ-80С

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Стабильное функционирование отраслей промышленности и сельского хозяйства обеспечивается развитой транспортной системой, в числе которой ведущее место занимает железнодорожный транспорт.

Сегодня в Республике Узбекистан проводятся целенаправленные мероприятия по дальнейшему развитию транспортного потенциала, что способствует укреплению политической и экономической независимости страны, обеспечивает её активную интеграцию в мировое сообщество. В частности, ведется строительство новых железнодорожных линий внутри страны, проводится реконструкция и электрификация основных транзитных железнодорожных участков, производится организация новых маршрутов и формирование контейнерных поездов, с целью открытия клиенто-ориентированных, коротких и удобных путей перевозок.

За годы независимости в Узбекистане сделаны достаточно весомые шаги по формированию единой сети железных дорог - сданы в эксплуатацию железнодорожные линии: Навои-Учкудук-Нукус и Ташгузар-Байсун-Кумкурган; электрифицированы линии Ташкент-Самарканд и Ташкент-Ходжикент; продолжается электрификация линии Тукимачи-Ангрен; построен совмещенный железнодорожно-автомобильный мост через реку Амударья: проведена реабилитация пути на участке Ташкент-Самарканд-Бухара; завершено строительство волоконно-оптических линий связи протяженностью более 600 км на участке Келес -- Бухара.

Железнодорожным транспортом страны перевозится грузов больше, чем всеми остальными видами транспорта. Особенно велико его значение в экспорте и импорте грузов.

На сегодняшний день ГАЖК «Узбекистан темир йуллари» является единым производственно-хозяйственным комплексом, предоставляющим транспортные железнодорожные услуги народному хозяйству и населению Республики Узбекистан.

Общая протяженность сети железных дорог составляет более 6020 км, в т.ч. общего пользования -- 4230 км. Средняя плотность железных дорог Узбекистана составляет 13,5 км на 1000 кв. км площади страны. В Узбекистане электрифицировано около 15% железных дорог общего пользования. тяговой трансформатор неисправность движение шум

Охват средствами диспетчерской централизации составляет 43%, автоблокировкой -- 54,6%, бесстыковыми путями --55,8%о.

За период 2004-2008 гг. рост объема перевозок грузов составил 45%, пассажирооборот вырос на 24%. грузооборот на 38%, объемы транзитных перевозок увеличились на 52%.

Несмотря на мировой финансово-экономический кризис, который способствует снижению объемов перевозок грузов в целом в большинстве стран мира, в Республики Узбекистан продолжается рост объемов перевозок. Особо следует отметить рост объема перевозок транзитных грузов в направлении Афганистана и Ирана.

В ГАЖК «Узбекистан темир йуллари» проводится работа по обновлению парка подвижного состава, до настоящего времени продлены сроки службы более 7000 грузовых, более 300 пассажирских вагонов и около 350 секций локомотивов. Кроме того, организовано строительство пассажирских вагонов, цистерн, крытых вагонов и полувагонов на базе имеющихся промышленных предприятий.

Железная дорога за годы независимости и создания государственной акционерной железнодорожной компании не только получила свое мощное развитие в виде новых линий и мостов, выхода на линию скоростных комфортабельных поездов «Регистан» (Ташкент-Самарканд), «Насаф» (Ташкент-Карши), «Шарк» (Ташкент-Бухара), но и украсилась красивейшими зданиями вокзалов, которые стачи олицетворением мощи и прогресса страны, щедрости и гостеприимства нашего народа.

В целях организации первого в Центральной Азии высокоскоростного пассажирского движения от Ташкента до Самарканда, ведутся переговоры с компанией «Тальго» (Испания) по приобретению высокоскоростного электропоезда, согласно подписанного Меморандума. Применение подвижного состава компании Тальго» позволит минимизировать затраты на модернизацию верхнего строения пути на участке высокоскоростного движения.

В целях обеспечения непрерывного и безопасного перевозочного процесса осуществляются проекты по обновлению и модернизации подвижного состава, как за счет собственных средств компании, так и с привлечением кредитных средств международных финансовых институтов.

Управление эксплуатации локомотивов является одним из важных подразделений ГЛЖК «Узбекистан темир йуллари» и имеет в своем распоряжении мощный парк тяговой силы -- тепловозов, электровозов и обеспечивает все виды пассажирских, пригородных и грузовых перевозок, маневровые работы. В восьми, имеющихся в распоряжении управления, депо выполняются работы по обслуживанию и ремонту техники.

Начиная с 2000 года управлением эксплуатации локомотивов на УП «Узжелдорреммаш» проводится капитально- восстановительный ремонт магистральных и маневровых тепловозов с продлением срока их службы, что позволяет увеличивает их пробег, сэкономить значительные валютные средства, как на покупку новых тепловозов, так и на их содержание, а также обеспечивает снижение эксплуатационных расходов по ГСМ на 15-20 %.

Так, за указанный период через капитально-восстановительный ремонт прошли 372 секции.

В целях более высокого сервисного обслуживания пассажиров в 2004 году компанией за счет кредитной линии ЕБРР были приобретены 12 современных электровозов производства Чжучжоуского электровозостроительного завода (КНР) общей стоимостью 40 млн. долл. США. Производство локомотивов на данном заводе осуществляется под контролем и на основе высокотехнологического оборудования компании Siemens, которое соответствует европейским стандартам качества. Указанные электровозы используются как для грузового, гак и для пассажирского движения. В настоящее время ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» подписала перевозок, маневровые работы. В восьми, имеющихся в распоряжении управления, депо перевозок, маневровые работы. В восьми, имеющихся в распоряжении управления, депо Меморандум с Чжучжоуским электровозостроительным заводом о создании центра сервисного обслуживания электровозов. В 2008 году ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» подписала контракт с Чжучжоуским электровозостроительным заводом на покупку 15 пассажирских электровозов общей стоимостью 73,8 млн. долларов США.

Также приобретены четыре пассажирских тепловоза серии ТЭП70БС производства Коломенского тепловозостроительного завода, продукция которого полностью отвечает техническим требованиям по эксплуатации и ремонту на предприятиях ГРЖК «Узбекистон темир йуллари».

В период 2009-2013 годов предусматривается приобретение 13 единиц пассажирских тепловозов и 10 секций электровозов.

Компанией также реализуется проект «Модернизация дизельных локомотивов», который предусматривает установку 90 комплектов дизелей производства Коломенского завода (Россия) и вспомогательного оборудования на существующие тепловозы серии ТЭ10М.

На предприятиях республики освоен выпуск триплекса для локомотивов и МВПС, силовых контактов для главного контроллера электровоза, для тепловозов типа ТЭМ-2 и ТЭ-10 изготавливаются цилиндры компрессора КТ-76. Согласно ежегодного Единого комплексного плана повышения технического уровня компании в текущем году внедрены в локомотивное депо комплексы интеллектуальных производственных автоматизированных реостатных испытаний «Кипарис», стенды по обкатке топливных насосов высокого давления дизелей типа «-100, Д-49, Д-50, комплекс оперативной диагностики «Прогноз-1 М», микропроцессорное устройство для проверки турбокомпрессоров дизелей тепловозов. Внедрены стенды для балансировки роторов турбокомпрессоров.

1. КОНСТРУКЦИЯ ТЯГОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОДЦЭ-5000/25В. ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ

1.1 Конструкция тягового трансформатора ОДЦЭ-5000/25В

Cостоит из шихтованного магнитопровода, на котором намотаны первичная и вторичная обмотки, при этом вторичных обмоток может быть несколько.

После подъёма токоприёмника (рис. 1.1) и включения ГВ по первичной обмотке тягового трансформатора будет протекать переменный ток I₁. Этот ток создаёт переменный магнитный поток Ф₁, который замыкается по магнитопроводу, пересекает свою первичную обмотку и наводит в ней ЭДС самоиндукции Е₁.

Магнитный поток Ф₁ пересекает вторичную обмотку трансформатора и наводит в ней ЭДС взаимоиндукции Е₂.

Величина ЭДС взаимоиндукции Е₂ во вторичной обмотке трансформатора зависит от величины питающего напряжения U₁ и от соотношения числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора, т.е. от коэффициента трансформации K_ТР, который определяется соотношением K_ТР = W₁/W₂.

Если K_ТР > 1, то трансформатор понижающий.

Если K_ТР < 1, то трансформатор повышающий.

Если K_ТР = 1, то - разделительный.

С помощью трансформатора, изменяя K_ТР, можно получить любую величину напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора.

КПД трансформатора очень высокий и составляет 99,6 %, поэтому мощность первичной обмотки трансформатора равна мощности его вторичной обмотки, т.е. можно написать равенство U₁I₁ = U₂I₂. Из этого равенства видно, что в понижающих трансформаторах во сколько раз понижается напряжение U₂, во столько же раз увеличивается ток I₁ во вторичной обмотке по сравнению с первичной обмоткой трансформатора.

Если произойдет к.з. во вторичной обмотке трансформатора и по ней начнёт протекать значительный ток I₂, то пропорционально этому увеличится ток I₁ в первичной обмотке трансформатора. Связь между этими двумя токами I₁ и I₂ происходит через магнитный поток трансформатора.

Коэффициент трансформации можно определить и по соотношениям токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора K_ТР = W₁/W₂ = I₂/I₁.

В одном витке любой обмотки трансформатора наводится одна и та же ЭДС e = U₁/W₁.

Общий магнитный поток трансформатора Ф равен разности магнитных потоков Ф₁ и Ф₂.

Рис. 1.1. Принцип работы трансформатора

Назначение. Тяговый трансформатор типа ОДЦЭ-5000/25Б служит для понижения напряжения контактной сети до значений, приемлемых для питания тяговых электродвигателей электровоза, через выпрямительные установки, а также для питания вспомогательного оборудования электровоза.

Технические характеристики ОДЦЭ-5000/25Б

Масса выемной части, кг 5100

Масса бака с арматурой, кг 1600

Масса масла, кг 1300

Общая масса, кг 8000

Габаритные размеры, мм:

Длина 2595

Ширина 2000

Высота 2760

Номинальная мощность обмоток, кВ*А:

Сетевой 4485

Тяговых 4260

собственных нужд 225

собственных нужд при резервировании 406

Номинальное напряжение обмоток, В:

сетевой 25 000

тяговых, на выводах (а1-01) и (а2-02) 1218

собственных нужд, на выводах:

а5-х 232

а4-х 406

а3-х 638

Номинальный ток обмоток, А:

Сетевой 179,4

Тяговых 750

собственных нужд 550

собственных нужд при резервировании 1000

КПД, % 98,2

Средняя температура масла, °С 71,2

Расход воздуха на охлаждение, м³/мин 330

Число секций радиаторов системы охлаждения 2x3

Устройство. Трансформатор типа ОДЦЭ-5000/25Б (рис. 1.2) состоит из активной части, помещённой в бак с трансформаторным маслом, а также системы охлаждения.

Активная часть - состоит из шихтованного магнитопровода и трёх обмоток.

Магнитопровод - двухстержневой, шихтованный, состоит из двух вертикальных стержней и двух горизонтальных ярм.

Стержни магнитопровода (рис. 1.3, а) набраны из листов электротехнической стали (толщиной 0,35 мм) пакетами разной ширины и имеют ступенчатое сечение, близкое к круглому. Все листы стержней спрессованы и скреплены пятью шпильками, при этом для изоляции шпильки пропущены внутри бакелитовых трубок, а под гайки подложены бакелитовые шайбы.

Ярма набраны из листов электротехнической стали пакетами разной длины. При сборке с боков ярм устанавливаются швеллера, которые стянуты по концам друг с другом болтами, вкрученными в торцы стальных планок в прорези стержней магнитопровода. При этом ярма скрепляются с вертикальными стержнями магнитопровода.



Рис. 1.2. Тяговый трансформатор ОДЦЭ-5000/25Б:

1 - маслоуказатель; 2 - расширительный бак; 3 - балка-камера; 4 - устройство для осевой стяжки обмоток; 5 - опора трансформатора; 6 - масляные радиаторы; 7 - активная (выемная) часть; 8 - отвод; 9 - нижняя ярмовая балка; 10 - опорная балка; 11, 13 - пробки; 12 - резиновое уплотнение; 14 - выводы обмотки собственных нужд; 15 - выводы тяговых вторичных обмоток; 16 - выводы первичной (сетевой) обмотки; 17 - электрический масляный насос; 18 - стальные заглушки; 19 - упоры для крепления активной части

Рис. 1.3. Магнитопроводы шпилечной (а) и бесшпилечной (б) конструкции: 1 - нижнее ярмо; 2 - шпилька; 3 - стержень; 4 - верхнее ярмо; 5 - бандаж стержня

К двум швеллерам нижнего ярма приварены снизу две планки, через которые активная часть опирается на дно бака через приваренные к дну бака конуса для фиксации. К двум швеллерам верхнего ярма сверху крепится крышка болтами со свободным ходом 20 мм за счёт овальных отверстий для четырёх верхних болтов. За счёт этого активная часть всегда стоит на дне бака и одновременно её крышка плотно притянута к фланцам бака через прокладки из маслоустойчивой резины.

Обмотки трансформатора - трансформатор имеет три обмотки (рис. 1.4, а): первичную обмотку (сетевую) с выводами А-Х на напряжение 25 кВ (862 витка) и две вторичные обмотки. Вторичные обмотки разделяют на: обмотку собственных нужд с выводами х-а5-а4-а3 на напряжение до 638 В (22 витка) для питания вспомогательного оборудования электровоза и главную вторичную обмотку (тяговую) для питания тяговых двигателей. Тяговая вторичная обмотка состоит из двух нерегулируемых частей с выводами а1-х1 и а2-х2 (по 22 витка), где наводится ЭДС по 638 В и двух регулируемых частей с выводами 1-01 и 5-02 (по 20 витков), где наводится ЭДС по 580 В. Каждая регулируемая часть обмотки разделена на четыре секции (по 5 витков), в каждой из которых наводится ЭДС по 145 В.

Все три обмотки трансформатора намотаны на шесть бакелитовых цилиндров, установленных на двух вертикальных стержнях магнитопровода, по три цилиндра один внутри другого. На двух внутренних цилиндрах находятся нерегулируемые части тяговой вторичной обмотки, на двух средних цилиндрах находится первичная (сетевая) обмотка. На двух наружных цилиндрах находятся регулируемые части тяговой вторичной обмотки, а также обмотка собственных нужд.

Рис. 1.4. Схема соединения обмоток трансформатора (а) и схема циркуляции масла (б): Н - масляный насос; А - активная часть; Т - теплообменники

Все обмотки трансформатора намотаны из медных шин различного сечения, изолированных кабельной бумагой на текстолитовые планки (толщиной 20 мм), установленные вдоль бакелитового цилиндра. Между витками на этих планках установлены прокладки из электрокартона. За счёт такой намотки, каждый виток обмотки омывается трансформаторным маслом со всех четырёх сторон.

При сборке активной части при снятом верхнем ярме на стержни магнитопровода (на нижнее ярмо) устанавливаются стальные шайбы, на которые веером устанавливаются текстолитовые бруски для подхода масла к обмоткам снизу. На них устанавливаются также по три текстолитовых кольца (толщиной 50 мм) один внутри другого. На эти шесть колец устанавливаются нижним витком шесть цилиндров с обмотками. На верхний виток на каждом цилиндре устанавливаются текстолитовые кольца. На них веером устанавливаются текстолитовые бруски, предназначенные для выхода масла от обмоток трансформатора. На эти текстолитовые бруски устанавливаются две стальные шайбы (прессующие кольца).

Затем к двум стержням магнитопровода крепится верхнее ярмо. В отверстия с резьбой в приварных втулках сбоку швеллеров верхнего ярма вкручиваются шпильки, которые через специальные башмаки, через верхнюю стальную шайбу, текстолитовые бруски, через три текстолитовых кольца плотно сжимают между собой через изоляцию витки всех обмоток на шести цилиндрах.

На электровозах ВЛ80^С используется устройство для автоматической прессовки обмоток тягового трансформатора, на башмаки наклонных шпилек давят сильные сжатые пружины сбоку.

Выводы всех обмоток трансформатора выведены наружу через изоляторы в отверстиях крышки. Средние утолщения изоляторов укреплены к крышке с помощью фланцев с резиновыми прокладками, которые приклеивают к крышке. Крышка с изоляторами имеет свободный ход до 20 мм.

Бак трансформатора - выполнен сварным из стали толщиной 10 мм, восьмигранной формы. Внутрь бака на дно опускается активная часть трансформатора и затем крышка трансформатора крепится к фланцам бака по периметру болтами через прокладки из масломорозоустойчивой резины.

Бак трансформатора с активной частью через четыре приварных конуса с боков бака и через резиновые конуса опирается на два поперечных средних двутавровых бруса рамы кузова.

Внизу сбоку бака выполнены: пробка для взятия пробы масла и кран для слива масла и заполнения бака маслом в депо (в нормальном положении должны быть опломбированными). Внизу на дне бака находится пробка для слива остатков масла.

В верхней части, сбоку на баке укреплён масляный насос МН типа 4ТТ-63/10. С обеих сторон бака укреплены по три секции масляных радиаторов, закрытых решётками с воздухопроводами от вентиляторов МВ3 и МВ4. Каждая секция радиаторов состоит из латунных овальных трубок (10 рядов по 9 трубок в каждом), закреплённых в решётках, для обдува воздухом от вентиляторов.

В дополнение к баку трансформатора находится расширитель, который служит для восприятия излишков масла из бака при его нагревании, а также для уменьшения поверхности соприкосновения масла с воздухом. Расширитель сварен из стали (размером 500x1500x600 мм) и укреплён на кронштейнах. Расширитель соединяется с баком трансформатора трубой через отверстие в крышке трансформатора. Бак трансформатора полностью заполнен трансформаторным маслом, а расширитель только частично.

Трансформаторное масло служит изоляцией между всеми обмотками трансформатора и одновременно является охлаждающей жидкостью. Технические характеристики трансформаторного масла следующие: цвет светло-жёлтый; температура застывания 35 °С; температура вспышки +135 °С; слой масла толщиной 2,5 мм должен выдерживать без пробоя в течение одной минуты напряжение не менее 35 кВ.

Для контроля уровня масла на расширителе сбоку установлено масломерное стекло, где нанесены риски нормального уровня масла для трёх температур: -50, +15, +50 °С.

Для контроля за работой масляного насоса служит манометр, установленный на нагнетательном патрубке МН, за показанием которого можно наблюдать из коридора. Давление масла должно находиться в пределах 0,8 ч 1,0 кгс/см².

Для контроля за температурой трансформаторного масла в верхних слоях бака служит термосигнализатор. Он состоит из датчика в виде баллончика, заполненного легкокипящей жидкостью и погружённого в бак. Датчик через капиллярную трубку соединён с чёрной стрелкой прибора, укреплённого сбоку на расширительном баке (красная и жёлтая стрелки нужны для регулировки температуры, при которой замыкаются контакты двух блокировок термосигнализатора, на электровозах ВЛ80^С эти блокировки в схеме не используются).

Сбоку на расширителе вварена трубка с пробкой для доливки масла на ремонтах. Сверху на расширителе выполнено отверстие со змеевиком для выхода и входа воздуха в расширитель.

Система охлаждения обмоток трансформатора (рис. 1.4, б) является принудительной, так как охлаждение происходит за счёт принудительной циркуляции трансформаторного масла масляным насосом, через радиаторы.

При работе масляного насоса нагретое масло забирается из верхних слоёв бака и по двум маслопроводам направляется в радиаторы (по три секции с каждой стороны бака), которые обдуваются воздухом от МВ3 и МВ4.

Охлаждённое в радиаторах масло снизу бака за счёт маслонаправленного щита из электрокартона направляется через зазоры в веерообразных текстолитовых брусках ко всем обмоткам на шести бакелитовых цилиндрах. При этом масло, нагреваясь, поднимается вверх, где снова забирается насосом и направляется в радиаторы.

2. При работе электровоза температура трансформаторного масла не должна превышать +85 °С длительно и 95 °С в течение 2 ч. При нарушении этих норм необходимо снизить нагрузку и выяснить причины повышения температуры.

3. Не допускается включение нагрузки без электронасоса, если температура масла выше +30 °С.

4. При резком повышении температуры трансформаторного масла необходимо отключить тяговый трансформатор до устранения причин неисправности.

5. Не допускается включение нагрузки на трансформатор (питание ТЭД) при отключённых вентиляторах МВ3 и МВ4. Допускается работа трансформатора при отключённых вентиляторах МВ3 и МВ4 и при нагруженной обмотке собственных нужд.

6. После длительного отстоя электровоза в зимнее время при отрицательных температурах масла включать нагрузку на трансформатор следует при отключённом МН, который можно будет включить, когда масло прогреется до +15 °С.

1.2 Основные неисправности тягового трансформатора и их влияние на безопасность движения

Шум трансформаторов

Шум трансформаторов обусловлен главным образом явлением магнитострикции. К другим источникам шума, характерным для больших трансформаторов с форсированными системами охлаждения, относятся вентиляторы и масляные насосы. Кроме того, шум создаётся электродинамическими усилиями в обмотках и электромеханическими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой. Уровень шума трансформаторов в большей мере определяется величиной электромагнитных нагрузок и габаритными размерами.

Магнитострикция - явление изменения формы и размеров ферромагнитного тела, помещённого в переменное магнитное поле.

Главная причина шума заключается в вибрации сердечника, которая возникает вследствие магнитострикции, зависящей как от индукции, так и от физических и структурных параметров электротехнической стали. Вибрация передаётся баку через масло и непосредственно через опоры магнитопровода. Так как расстояние от магнитопровода до стенки бака мало по сравнению с длиной волны (в масле длина волны для частоты 100 Гц составляет около 12 м), то можно считать, что каждая часть бака воспроизводит вибрации самой близкой части магнитопровода.

В ряде случаев преобладающими могут становиться другие источники шума. В целом, можно сказать, что у трансформаторов преобладает магнитный шум.

Магнитный шум. Сердечники трансформаторов под действием магнитострикции деформируются. Если бы удлинения листов сердечника были прямо пропорциональны квадрату индукции, то колебания вследствие магнитострикции содержали бы только одну частоту, равную удвоенной частоте сети. Но на самом деле эта зависимость отличается от указанной, поэтому механические колебания, а соответственно, и произведённый шум, содержат высшие гармоники.

Для определения относительного количественного удлинения вследствие магнитострикции в настоящее время имеются достаточные данные как для горячекатаной, так и для холоднокатаной стали. В горячекатаной листовой стали повышением содержания кремния можно почти полностью исключить явление магнитострикции. Например, в стали, содержащей 6% кремния, магнитострикция почти не наблюдается. Однако такую сталь практически невозможно использовать для трансформаторов из-за плохих механических свойств.

Относительное удлинение холоднокатаной трансформаторной стали меньше, чем горячекатаной, при одинаковой индукции. Однако поскольку индукция в трансформаторах с сердечниками из холоднокатаной стала больше, чем в случае применения горячекатаной стали, то удлинения сердечников представляют близкие значения. Эксперимент показал, что уровень шума холоднокатаной стали при индукции равной, 1,55 Тл, такой же, как и у горячекатаной при индукции, равной 1,35 Тл. При возрастании индукции в трансформаторе с сердечником из холоднокатаной стали с 1,55 до 1,65 Тл уровень шума трансформатора возрастёт примерно на 8 дБ.

Магнитопроводы трансформаторов могут попасть в резонанс как с колебаниями, вызванными магнитострикцией, так и с различными гармониками сил, возникающих в сердечнике. Когда магнитопровод или другие детали трансформатора попадают в резонанс с указанными гармониками, то в спектре шума трансформатора появляются преобладающие уровни в более широком диапазоне, который охватывает резонансные частоты, кратные удвоенной частоте питания.

Исследования показали, что гармоники колебаний магнитопровода трансформатора в наибольшей степени проявляются при больших значениях индукции, когда проходят нелинейный участок кривой намагничивания и когда колебания вследствие магнитострикции содержат много гармоник.

В трансформаторах важная составляющая шума генерируется поперечными вибрациями листов магнитопровода. Вибрации являются следствием различия в длине и толщине листов, составляющих сердечник, и различия значений коэффициента удлинения листов пакета, что ведёт к изменению зазора сочленений в функции мгновенных значений индукции. Эти отклонения вызывают перераспределение во времени магнитных потоков от одного листа к другому и, следовательно, к поперечным вибрациям листов. Поток изменяется во времени и, следовательно, изменяется степень насыщения сердечника. Указанные причины одновременно вызывают искажение кривой намагничивания и, следовательно, увеличение содержания высших гармоник и шума, вызванного магнитострикцией.

Необходимо отметить, что длина магнитопровода изменяется не только из-за магнитострикции, но также из-за действия магнитных сил, возникающих при переходе магнитного потока от одного листа к другому (соседнему). Это явление возникает, когда параллельные листы имеют различную магнитную проницаемость.

Опыт показывает, что продольные и поперечные вибрации листов стали магнитопровода являются источниками шума примерно одинаковой мощности. По этой причине даже при полном подавлении одного из источников уровень шума трансформатора не уменьшится более чем на 3 дБ.

Шум, вызванный магнитными силами, как правило, имеет важное значение только в реакторах (дросселях), имеющих конструктивные воздушные зазоры. В этом случае между двумя частями, ограничивающими зазор, возникают переменные силы магнитного притяжения с удвоенной частотой намагничивания.

Шум, вызванный электродинамическими усилиями в обмотках трансформатора, работающего под нагрузкой, обычно невелик благодаря отсутствию люфтов в осевом направлении, так как прессовка обмоток считается упругой. По этой причине уровень шума практически не зависит от нагрузки. Это обстоятельство даёт возможность нормировать уровень шума при работе трансформатора в режиме холостого хода. Однако характер и величина нагрузки трансформатора влияют на индукцию в стали и, следовательно, на уровень магнитного шума.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ВИБРАЦИИ КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИИ ТЯГОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА

2.1 Оборудование и установки для измерения уровня шума и вибрации

Измерение уровня шума. Измерение акустических параметров связано с рядом трудностей, обусловленных следующими причинами:

малой величиной абсолютных значений измеряемых величин, так как акустические давления составляют 10^-6...10^-8 от статического атмосферного давления;

большим диапазоном измеряемых частот от 2 до 30000 Гц;

резонансными особенностями звуковых излучателей и приёмников, а также самого помещения, в котором производятся измерения;

сложностью акустических полей в помещениях и их зависимостью от частоты;

сложностью и неустойчивостью спектра звуков, шумов и вибраций, а также явлениями дифракции вблизи акустических приёмников.

Поэтому для акустических измерений высокой точности необходимы как измерительные аппараты и анализаторы, соответствующие предъявляемым требованиям, так и специально оборудованные помещения, обеспечивающие образование звуковых полей самых простых конфигураций.

Для измерения уровня акустического давления в газовой среде, выражаемого в децибелах, используется аппарат, называемый шумомером. Шумомер (рис. 2.1) состоит из измерительного микрофона, усилителя, корректирующих цепей, детектора и индикатора, шкала которого отградуирована в децибелах относительно порогового значения акустического давления. В шумомерах предусматривается несколько временных характеристик, позволяющих измерять стабильные, стационарные и импульсные шумы.

По точности измерения шумомеры в соответствии с ГОСТ 17187-81 подразделяются на четыре класса: 0, 1, 2 и 3. Приборы класса 0 применяются в качестве образцового средства измерений и градуируются на рабочих эталонах, класса 1 - для точных лабораторных и натурных измерений, класса 2 - для измерений нормальной точности, класса 3 - для ориентировочных измерений. Шумомеры классов 0 и 1 имеют стандартный диапазон частот 12,5 Гц...20 кГц, класса 2 - 8 Гц...20 кГц, класса 3 - 31,5 Гц...8 кГц. Некоторые шумомеры снабжены октавными и третьоктавными фильтрами, которые позволяют более тщательно анализировать шум в требуемом частотном диапазоне. Динамический диапазон уровня измеряемого шума составляет: минимальный - 15...35, максимальный - 140...160 дБ.

Рис. 2.1. Структурная схема шумомера:

1 - микрофон; 2 - предусилитель; 3 - аттеньюатор (переключатель пределов); 4 - усилитель; 5 - цепи фильтров частотных характеристик; 6 - внешние фильтры; 7 - квадратичный детектор (цепь возведения в квадрат); 8 - цепь экспоненциального усреднения; 9 - индикатор, градуированный в децибелах

В шумомере используется измерительный микрофон ненаправленного типа с диапазоном частот от 31,5 до 12500 Гц. Чувствительность микрофона не должна изменяться более чем на ±0,5 дБ при изменении давления окружающей среды на +10%.

В зависимости от уровня и частоты шума, а также от условий проведения измерений используются следующие типы микрофонов: конденсаторный, пьезоэлектрический и электродинамический. Наибольшее распространение для измерения шумов электрических машин получили конденсаторные микрофоны (рис. 2.2), имеющие высокую чувствительность и хорошую частотную характеристику до 10...40 кГц. Кроме того, микрофоны этого типа нечувствительны к внешним электромагнитным полям. Недостатком конденсаторных микрофонов является относительно высокий уровень собственных шумов (35...50 дБ). Это, однако, является вполне приемлемой величиной для большинства электрических машин и трансформаторов, так как нижние допустимые уровни шума электрических машин, измеренные на расстоянии 1 м, составляют 49…64 дБ (по ГОСТ 16372-93 «Машины электрические вращающиеся. Допустимые уровни шума»). Для трансформаторов на расстоянии 0,3 м допустимые уровни шума составляют 47...66 дБ (по ГОСТ 12.2.024-76 «Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля»). Большинство шумомеров класса 1 снабжено конденсаторными микрофонами. Конденсаторный микрофон для нормальной работы требует поляризации ёмкости от специального источника питания, который встраивается в шумомер, и применения предусилителя. Это наиболее дорогой из всех микрофонов.



Рис. 2.2. Устройство (а), схема подачи поляризованного напряжения (б) и относительная частотная характеристика (в) однодюймового конденсаторного микрофона при углах падения 0°, 90°, при случайном падении (R) и по давлению (Р): 1 - диафрагма; 2 - задняя пластина (неподвижный электрод); 3 - изолятор; 4 - корпус; 5 - отверстие для выравнивания давления; 6 - звуковое давление; 7 - выход; 8 - источник поляризующего напряжения

Пьезоэлектрический микрофон (рис. 2.3) не требует источника поляризации для нормальной работы и обладает значительной ёмкостью. Однако его чувствительность при том же диаметре на порядок ниже, чем у конденсаторного микрофона, в связи с чем их применяют в шумомерах класса 2.

Электродинамические микрофоны (рис. 2.4) применяют в шумомерах класса 2. Они имеют низкий уровень собственного шума (10...15 дБ) и дешёвы в изготовлении. Однако на их работу сильно влияют внешние электромагнитные поля, что требует известной осторожности при выборе таких микрофонов в качестве датчиков шума электрических машин и трансформаторов. В некоторых шумомерах используется два усилителя, один из которых включён на выходе микрофона, а другой - на выходе шумомера для обеспечения устойчивой работы внешних устройств. Усилитель имеет перегрузочную способность не менее 12 дБ по отношению к максимальному отклонению на показывающем приборе шумомера.

Шумомер имеет характеристики коррекции, обозначаемые буксами А, В, С. Указанные характеристики отражают субъективное восприятие шума ухом человека. В настоящее время получила преимущественное распространение корректированная кривая А, которая используется для анализа и регистрации уровня шума наряду с линейной характеристикой. Амплитудно-частотные характеристики, соответствующие кривым коррекции А, B, С, Приведены на рис. 4.5.

Рис. 2.3. Устройство пьезоэлектрического микрофона:

1 - мембрана; 2 - выходные контакты; 3 - пьезоэлектрическая пластина; 4 - игла

Как видно из рис. 2.5, при измерении по кривой коррекции А сильно ослабляются низкочастотные компоненты шума, поэтому измерение должно проводиться на двух кривых - корректированной А и некорректированной (линейной). Путём сравнения результатов измерения по этим кривым можно судить о том, какая часть спектра является преобладающей.

Если уровень шума по кривой А оказывается существенно меньшим, чем при измерении на линейной шкале, это означает, что измеряемый шум содержит большие низкочастотные составляющие. Если показания близки, то шум имеет преимущественно высокочастотные составляющие.

Рис. 2.4. Устройство катушечного (а) и ленточного (б) электродинамических (динамических) микрофонов: 1 - катушка; 2 - диафрагма; 3 - корпус; 4 - постоянный магнит; 5 - лента

Рис. 2.5. Характеристики коррекции шумометаров

Цепь экспоненциального усреднения имеет два режима работы: F (быстро) с постоянной времени 125 мс и S (медленно) с постоянной времени 1 с.

В индикаторе предусмотрена настройка для измерения пиковых, действующих или средних значений уровня шума. Кроме того, при использовании корректированной или линейной кривой по нему можно получить некоторые сведения о тональности шума Измеренный шумомером уровень интенсивности звука не даёт спектр частот, поскольку корректирующие цепи шумомера позволяют только качественно определить частотный состав шума (при сравнении уровней шума по линейной шкале и шкале А).

Для анализа спектрального состава шумов используется частотный спектрометр, состоящий из входного усилителя, системы полосовых фильтров, корректирующих цепей А, В, С и выходного усилителя, управляющего измерительными и регистрирующими приборами. Спектрометр, соединённый с самописцем, позволяет автоматически записывать спектрограмму (зависимость уровня шума в децибелах от частоты) на бумагу стандартных размеров.

Если измерение уровня шума допускается производить как в свободном, так и в реверберационном и полуреверберационном полях, то анализ шума производится только в условиях свободного поля. Для создания свободного акустического поля при анализе шумов используются специальные помещения, называемые заглушёнными камерами, в которых пол, стены и потолок надёжно изолированы как от внешних, так и от вспомогательных внутренних виброакустических источников, сведена до минимума возможность отражения звуковых волн, устранены электромагнитные помехи, которые могут отрицательно повлиять на работу измерительной аппаратуры.

В настоящее время имеются материалы и конструкция покрытия внутренней поверхности заглушённых камер, позволяющие довести коэффициент поглощения падающей звуковой волны до 99% при частотах свыше 100 Гц и 93…99% в диапазоне частот 50...100 Гц. Таким образом, степень приближения акустического поля к свободному оказывается весьма высокой. Для уменьшения внешних шумов и вибраций камеру устанавливают на собственном, отдельном от здания, фундаменте и тщательно заделывают стыки и соединения. В существующих заглушённых камерах уровень внешних шумов доведен до 18...20 дБ.

2.2 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 интегродифференцирующих 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 отсчёта, 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 дешёвые 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 даёт применение титаната циркония или бария.

2.3 Особенности измерения уровня шума трансформаторов

Допустимые значения среднего уровня звука и методы его измерения при промышленных испытаниях изложены в ГОСТ 12.2.024-76. Этот стандарт распространяется на силовые масляные трансформаторы общего назначения мощностью от 100 кВ*А и выше и напряжением до 750 кВ включительно. По заказу потребителя трансформаторы должны изготавливаться мощностью 16...200 МВ*А с уровнем звука, пониженным не менее чем на 10 дБ по сравнению с указанным в стандарте.

Как правило, при испытаниях трансформаторов заглушённые камеры не используются. Поэтому для проведения испытаний необходимо выбирать время суток, когда внешние шумы минимальны. Кроме того, можно использовать передвижные звукопоглощающие стены, играющие роль экранов, поскольку главной излучающей шум поверхностью трансформатора является вертикальная. Стены устанавливаются с той стороны, с которой производятся измерения.

Во время измерений необходимо, чтобы вибрации не передавались от трансформатора полу, а возможные акустические отражающие поверхности находились не ближе 3 м от точек измерения. При проведении испытаний следует исключить влияние внешних электромагнитных полей на результаты измерений. Поэтому при испытаниях рекомендуется применять конденсаторные микрофоны.

Измерения шума трансформаторов проводятся в режиме холостого хода при номинальных напряжении и частоте. Точки измерения располагают вокруг трансформатора на измерительных линиях, лежащих в горизонтальных плоскостях (рис. 2.8 и 2.9) на расстоянии 0,3 м от условной излучающей поверхности. При высоте бака до 2,5 м измерительные линии располагаются на половине высоты, а при высоте бака 2,5 м и более - на 1/3 или 2/3 высоты.

Расстояние между соседними точками измерения не должно превышать 1 м, а число точек измерения должно быть не менее шести. Для трансформаторов с форсированным охлаждением (типа Д, ДЦ) измерения проводятся два раза - при включённом и отключённом дутье в одной и той же точке с максимальным уровнем звука на измерительном расстоянии 2 м.

2.4 Диагностика трансформаторов

По опыту многолетней эксплуатации трансформаторов установлены типичные виды повреждений, их признаки, возможные причины и способы выявления.

Магнитопровод. При наличии дефекта в межлистовой изоляции возможны перегревы, вызываемые вихревыми токами или токами в короткозамкнутых контурах, образованных в результате нарушения изоляции массивных деталей остова от активной стали. В случае конденсации влаги на поверхности масла она попадает на верхнее ярмо, проникает между пластинами активной стали в виде водомасляной эмульсии, разрушает межлистовую изоляцию и вызывает коррозию стали. По этим причинам ухудшается состояние масла (понижается температура вспышки, повышается кислотность) и увеличиваются потери холостого хода.

Обмотки. Наиболее характерным видом повреждений в обмотках является витковое замыкание. Причиной его может быть разрушение изоляции из-за старения вследствие её естественного износа или из-за продолжительных перегрузок трансформатора при недостаточном охлаждении обмоток. Нарушение изоляции витков может произойти также вследствие механических повреждений при коротких замыканиях. Признаками витковых замыканий являются срабатывание газовой защиты, повышенный нагрев, различие в сопротивлениях фаз постоянному току и т.д.

На трансформаторах мощностью от 1000 кВ*А устанавливается газовое реле, срабатывание которого происходит в результате выделения внутри трансформатора газов из-за разложения масла, вызванного указанными повреждениями. О причинах срабатывания газовой защиты и о характере повреждения можно судить по результатам химического анализа скопившегося в реле газа, который позволяет выявить повреждения на ранней стадии их возникновения и в ряде случаев оперативно устранить их.

Методы контроля интегрального состояния изоляции трансформаторов (сопротивление изоляции, коэффициент абсорбции, tgд, C₂/C₅₀ и др.) не позволяют обнаружить частичные повреждения изоляции в начальной стадии их развития и указать характер и степень имеющегося повреждения. Поэтому одним из наиболее перспективных направлений в исследовании повреждений работающих трансформаторов является периодический анализ содержания растворённых в масле газов, определяемых хроматографическим методом.

В настоящее время установлены связи между выделяемыми в масло газами и причинами их появления. Так выделение водорода (Н₂) свидетельствует о наличии в трансформаторе искровых и дуговых частичных разрядов, ацетилена (С₂Н₂) - о наличии электрической дуги и искрения, этилена (С₂Н₄) - о местных нагревах масла и бумажно-масляной изоляции выше 873 К, метана (СН₄) - о местных нагревах изоляции в диапазоне 673...873 К или о сопровождающих нагрев частичных разрядах, этана (С₂Н₆) - о местных нагревах масла и изоляции в диапазоне 573...673 К, оксида и диоксида углерода (СО, СО₂) - о старении и увлажнении масла и твёрдой изоляции, диоксида углерода - о нагреве твёрдой изоляции.

Кроме указанных газов в масле может содержаться кислород (воздух), наличие которого свидетельствует о нарушении герметичности трансформаторов, и вода, наличие которой приводит к ухудшению изоляционных свойств трансформаторного масла.

Методы отбора проб масла для анализа содержания в ней воды и растворённых газов, а также их хроматографический анализ изложены в гл. 5. Отметим, что в настоящее время в мире выпускается большой спектр хроматографических установок, позволяющих проводить анализ содержания воды и растворённых газов. Основной недостаток этих установок - невозможность получать информацию в режиме «on-line», поскольку между отбором пробы масла и получением результатов анализа проходит длительное время (в основном на транспортирование проб), а сам анализ с подготовкой установки занимает 2...3 ч.

Отечественные установки, содержащие хроматограф, пробоотборники, программное обеспечение результатов анализа и различное вспомогательное оборудование, разработаны во ВНИИЭ (НПФ «Электра»). Эти установки позволяют обнаруживать вредные компоненты при следующей нижней концентрации: вода - 2,0 г/т, воздух - 0,03 %, водород - 0,0005 %, метан, этан, этилен - 0,0001 %, ацетилен - 0,00005 %, оксид и диоксид углерода - 0,002 %.

Принцип действия существующих установок непрерывной диагностики основан на измерении объёма всех растворённых в масле газов или на определении его объёмного сопротивления. Для герметичных трансформаторов и высоковольтных маслонаполненных вводов используются установки, работающие по принципу изменения давления и температуры масла.

В ВЭИ была создана и внедрена дистанционная система диагностики ССГ-1, предназначенная для работы в составе АСУТП непрерывного контроля и прогнозирования состояния трансформаторов. Шкаф ССГ-1 устанавливается у трансформатора и подключается к его заземлённой системе охлаждения в двух точках с разным давлением масла, чтобы обеспечить его естественную циркуляцию через установку. Установка в автоматическом режиме осуществляет периодический контроль концентрации всех горючих газов и температуры масла в месте присоединения. Длительность цикла измерений составляет 4 ч. Если суммарная объёмная концентрация горючих газов не превышает 500 ppm, то состояние изоляции трансформатора не вызывает подозрений, если концентрация находится в диапазоне 500...1500 ppm, то хроматографический анализ масла должен проводиться не реже планового, если концентрация превышает 1500 ppm, то следует внимательно следить за скоростью нарастания концентрации горючих газов и провести внеочередной хроматографический анализ. Концентрация свыше 3000 ppm свидетельствует о развитии серьёзного дефекта и требует принятия срочных мер для предотвращения аварии.

За рубежом получили распространение установки непрерывного действия HYDRAN фирмы «Syprotec Corp» (США) различных модификаций, которые также подключаются непосредственно к трансформатору. Они измеряют суммарную концентрацию горючих газов и пересчитывают её в водородный эквивалент. Математическое обеспечение установок позволяет анализировать поступающие данные и прогнозировать развитие дефектов, которые могут привести к аварии трансформатора.

Для контроля состояния герметичных трансформаторов и вводов в ВЭИ были разработаны микропроцессорные датчики давления и температуры, устанавливаемые с помощью штуцеров непосредственно на баке или сводах. Они измеряют температуру и давление масла в месте установки и соединяются с системой диагностики. Снижение давления ниже нормы свидетельствует о наличии течи масла, а повышение давления и (или) температуры - о внутреннем повреждении в трансформаторе или вводах. Скорость изменения контролируемых параметров свидетельствует о степени серьёзности повреждения.

Там же была создана установка для непрерывного контроля изоляционных свойств масла путём измерения его объёмного сопротивления с_V. Испытательная ячейка подключается к заземлённому маслопроводу трансформатора и периодически передаёт данные о величине с_V в систему контроля параметров. По величине с_V, на которую влияют продукты старения масла, можно судить о величине его tgд.

В совокупности с другими датчиками эта установка может входить в состав диагностической системы трансформатора.

Одной из составляющих диагностической системы может служить подсистема, построенная на базе математической модели нагрузочной способности трансформатора (см. подразд. 2.3), которая для своей работы не требует установки датчиков внутри трансформатора. Для её функционирования необходимы данные о текущей нагрузке трансформатора (обычно существующая измерительная система содержит датчики мощности трансформатора по фазам), о его напряжении и температуре окружающей среды. Кроме того должны быть известны потери холостого хода и короткого замыкания, а также расчётные (номинальные) значения превышений температуры обмотки и масла в верхних слоях. Такая подсистема оценки интегрального износа изоляции позволяет в режиме «on-line» получать данные о степени износа изоляции и прогнозировать срок службы трансформатора. Эта информация в сочетании с плановыми проверками характеристик изоляции (сопротивление изоляции, коэффициент абсорбции и др.) позволяет проводить ремонт по мере необходимости в зависимости от степени реального износа изоляции трансформатора.

...