СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЛИСТОВ ШИХТОВАННЫХ СЕРДЕЧНИКОВ СТАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для контроля состояния изоляции между листами электротехнической стали шихтованных сердечников статоров электрических машин.

В России и за рубежом широко распространен электромагнитный способ контроля состояния изоляции между листами электротехнической стали шихтованных сердечников статоров электрических машин [1]. Способ состоит в том, что в испытуемом сердечнике с помощью намагничивающей обмотки, намотанной вокруг этого сердечника, создают кольцевой переменный магнитный поток с низким уровнем индукции (не более 0,1 Тл), устанавливают опорный сигнал равным сигналу индуктивного датчика-сканера, установленного на бездефектном месте расточки сердечника, после чего этим датчиком осуществляют сканирование поверхности расточки сердечника при неизменном опорном сигнале. При этом местные дефекты изоляции листов выявляют по сопоставлению сигнала датчика и опорного сигнала. В настоящее время используются три метода определения состояния изоляции по результатам сканирования: измерение составляющей сигнала датчика, находящейся под углом в 90 градусов по отношению к опорному сигналу (квадратурная составляющая) [1], измерение разности фаз между сигналом датчика и опорным сигналом [2], измерение дополнительных потерь на исследуемом участке по амплитуде сигнала датчика и разности фаз между сигналом датчика и опорным сигналом [3]. Все эти методы основаны на допущении, что при нарушении изоляции в теле сердечника образуется замкнутый контур (контур повреждения), активное сопротивление которого намного меньше индуктивного, что, в свою очередь, влечет за собой синфазность эдс, индуцированной в контуре повреждения кольцевым потоком, и порожденного ею тока.

Данное допущение вполне справедливо в тех случаях, когда в сердечнике во время испытаний создают кольцевой поток промышленной частоты (50-60 Гц). Однако в последнее время с целью повышения точности и надежности обнаружения дефектов, а также с целью уменьшения мощности источника питания намагничивающей обмотки, проводят испытания сердечников на частоте, значительно превышающей промышленную (200-5000 Гц) [4]. При этом пренебрежение индуктивным сопротивлением и, как результат, сдвигом тока в контуре повреждения относительно породившей его эдс приводит к грубым ошибкам.

Указанные положения поясняются фиг.1, на которой приведена общепринятая схема испытательного устройства и векторной диаграммой (фиг.2). На фиг.1 обозначены:

1 - индуктивный датчик;

2 - намагничивающая обмотка;

3 - источник опорного сигнала;

4 - проверяемый сердечник;

5 - регулируемый источник питания обмотки намагничивания;

6 - блок управления;

7 - амперметр;

8 - внутренний корпус проверяемой машины;

9 - внешний корпус проверяемой машины;

10 - компьютер.

Проверяемый сердечник 4 установлен на ребрах во внутреннем корпусе 8, который, в свою очередь, находится внутри внешнего корпуса 9. На сердечник наматывается обмотка намагничивания 2, питаемая от регулируемого источника переменного тока 5, и источник опорного сигнала 3, который может иметь различное устройство, а в данном случае представляет собой один контрольный виток. Выходы источника опорного сигнала 3 и индуктивного датчика 1, представляющего собой катушку на ферромагнитном или на немагнитном сердечнике, подключены к блоку управления 6, а через него - к компьютеру 10.

При подаче с блока питания 5 напряжения повышенной частоты f на зажимы намагничивающей обмотки 2 по ней идет ток I_о (фиг.2, масштабы для наглядности не соблюдены), порождающий в проверяемом сердечнике 4 кольцевой магнитный поток Ф_о, часть которого Ф_so ответвляется в сердечник датчика 1. Поток Ф_so индуктирует в его обмотке эдс E_so. Если где-либо под датчиком изоляция между листами стали нарушена, то в этом месте образуется короткозамкнутый контур, который пронизывается потоком Ф_о (или его частью), наводящим в этом контуре эдс Е_к. Если частота f равна промышленной (величины, относящиеся к промышленной частоте отмечены индексом 1, а относящиеся к повышенной частоте - индексом 2 и толстыми линиями), то указанная эдс порождает в контуре ток I_к1, который практически совпадает по фазе с эдс Е_к. Ток I_к1, в свою очередь, порождает поток Ф_к1, часть которого Ф_sк1 замыкается через датчик 1. Поток Ф_sк1 наводит в нем эдс E_sк1, находящуюся в квадратуре с эдс E_so. Вследствие этого вектор результирующей эдс датчика E_s1 поворачивается на некоторый угол относительно вектора «бездефектной» эдс E_so и синфазной с ней эдс источника опорного сигнала Е_о. В данном случае источником опорного сигнала служит контрольный виток 3. Этот виток пронизывается все тем же кольцевым потоком Ф_о, поэтому его эдс Е_о совпадает по фазе с эдс E_so. Таким образом, квадратурная составляющая сигнала датчика пропорциональна току контура повреждения и поэтому она может служить критерием состояния сердечника, на чем и основаны вышеуказанные методы контроля сердечников.

При подаче на обмотку возбуждения напряжения с повышенной частотой 500-5000 Гц векторная диаграмма существенно изменяется. Индуктивное сопротивление контура повреждения становится сравнимым с активным, а при расположении повреждения даже на незначительной глубине под поверхностью сердечника в несколько раз превосходит его. При этом ток контура I_k2 существенно отстает от породившей его эдс и он вместе с созданными им потоками Ф_k2 и Ф_sk2 (аналогами уже упоминавшихся потоков Ф_k1 и Ф_sk1) занимает положение, представленное на фиг.2 жирными стрелками. Соответственно отклоняется от вертикали та составляющая эдс датчика E_sk2, которая является мерой тока повреждения I_k2, и результирующая эдс датчика занимает положение, обозначенное вектором E_s2. Теперь уже ее квадратурная составляющая не может служить мерой состояния изоляции, и использование ее в качестве такой меры может привести к ошибочным заключениям. Исключение их и является целью настоящего изобретения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, описанное в [5] (прототип). Здесь в сердечнике магнитопровода создают переменный кольцевой магнитный поток повышенной частоты. Сканирование рабочей поверхности производят индуктивным датчиком на немагнитном сердечнике (потенциометр Чаттока). Его сигнал с помощью фазочувствительного детектора разлагают на две составляющие: одну синфазную с опорным сигналом, другую - квадратурную. С помощью этих составляющих формируют выходной сигнал, по которому судят о состоянии изоляции в данном месте. Иными словами, здесь при питании намагничивающей обмотки повышенной частотой в основу контроля положено допущение о 90-градусном сдвиге между опорным сигналом и той составляющей сигнала датчика, которая вызвана дефектом изоляции листов, что, как было указано выше, уже не соответствует действительности.

Предлагаемый способ контроля свободен от этого недостатка. При его использовании также в сердечнике магнитопровода создают переменный кольцевой магнитный поток повышенной частоты, устанавливают величину опорного сигнала равной по амплитуде и фазе величине сигнала датчика (безразлично, какой конструкции), установленного на бездефектое место в расточке сердечника, т.е. уравнивают эдс датчика E_s0 и эдс источника опорного сигнала Е₀ по величине и фазе, после чего производят сканирование рабочей поверхности индуктивным датчиком при неизменном опорном сигнале. При этом сигнал датчика включают встречно с опорным сигналом и эту разность подают на милливольтметр. Очевидно, что если в процессе сканирования при неизменной величине Е₀ датчик окажется на месте нахождения дефекта, разностный сигнал будет как раз той эдс E_sk2, которая является мерой дефекта.

Для реализации этого способа предлагается устройство, схема которого представлена на фиг.3. Здесь обозначены:

11 - устройство регулирования опорного сигнала;

12 - регулятор напряжения;

13 - фазовращатель;

14 - устройство измерения напряжения.

Все остальные элементы установки аналогичны изображенным на фиг.1. Устройство регулирования опорного сигнала в данном случае выполнено в виде регулятора напряжения 12 и фазовращателя 13, соединенных последовательно. Выход источника опорного сигнала 3 подключен к входу устройства регулирования опорного сигнала, а выход этого устройства включен встречно с сигналом датчика 1, и этот разностный сигнал подан на устройство измерения напряжения 14, которым в простейшем случае может служить цифровой или аналоговый милливольтметр. При необходимости это устройство может иметь выход для подключения компьютера 10, используемый для визуализации, архивирования и документирования результатов контроля.

Контроль начинают с установки величины опорного сигнала: при включенной намагничивающей обмотке 2 датчик 1 устанавливают в расточке сердечника 4 на бездефектное место (место устанавливают несколькими пробами, если случайно датчик все же окажется на поврежденном участке, это выявится в процессе испытаний), регулированием амплитуды (с помощью регулятора напряжения 12) и фазы (с помощью фазовращателя 13) опорного сигнала сводят разностный сигнал к минимуму. После этого, не меняя установок регулятора напряжения и фазовращателя, проводят сканирование рабочей поверхности сердечника. При этом величина разностного сигнала в данном месте является характеристикой качества изоляции листов.

Очевидно, что измерительная система будет тем чувствительнее к выявлению дефектов изоляции листов сердечника, чем точнее будет настроен минимум разностного сигнала при установке величины опорного сигнала. Теоретически он должен быть равен нулю, однако на практике он отличается от нуля из-за наличия в сигналах высших гармоник и окружающих помех. Поэтому целесообразно разностный сигнал от датчика 1 и источника опорного сигнала 3 подавать на устройство измерения напряжения 14 через фильтр 15, настроенный на пропускание только частоты выходного напряжения блока питания намагничивающей обмотки 5 (фиг.4).

В известных устройствах для контроля изоляции листов шихтованных сердечников статоров электрических машин путем создания в сердечниках кольцевого переменного магнитного потока с индукцией не более 0,1 Тл источником опорного сигнала 3 является либо особая катушка [1], либо датчик, полностью аналогичный датчику-сканеру [2], либо специальный виток, наматываемый на время испытаний вокруг ярма испытуемого сердечника [4, 5]. Однако вне зависимости от конструкции во всех случаях этот источник является дополнительным устройством, устанавливаемым на проверяемом сердечнике 4 и внешним по отношению к блоку управления 6, что увеличивает состав всего устройства контроля и повышает трудоемкость проведения испытаний. Метод, основанный на применении разностного сигнала, позволяет встроить источник опорного сигнала в блок управления 6. Схема устройства с таким встроенным источником опорного сигнала приведена на фиг.5.

Здесь 16 - встроенный источник опорного сигнала.

Встроенный источник опорного сигнала представляет собой маломощный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходу регулируемого источника питания обмотки намагничивания 5 параллельно с обмоткой намагничивания 2, а вторичная обмотка подключена к входу устройства регулирования опорного сигнала 11, сигнал с которого, как и в предыдущих случаях (фиг.3, 4), включен встречно с сигналом датчика 1. Очевидно, что и в данном случае перед началом сканирования поверхности проверяемого сердечника 4 должна производиться установка опорного сигнала, состоящая в выравнивании по амплитуде и фазе (с помощью устройства 11) опорного сигнала и сигнала датчика, установленного на бездефектном месте. При необходимости трансформатор 16 может быть заменен другими устройствами (например, оптронной парой), однако во всех случаях в целях безопасности целесообразно исключить гальваническую связь источника питания обмотки намагничивания со всеми измерительными цепями блока управления.

Источники информации

1. Sutton J. EICID: an easier way to test stator cores. Electrical Review, 207, 1, July, 1980.

2. Патент на изобретение RU 2082274, 09.08.1994.

3. Бутов А.В., Пикульский В.А., Поляков Ф.А., Шандыбин М.И. Электромагнитный метод выявления замыканий листов активной стали статора турбогенератора. «Электрические станции», 1998, №11.

4. Патент на изобретение RU 2195681, 04.06.2001.

5. Патент на изобретение GB 2382878, 04.12.2001.

Изобретение относится к области контроля электрических машин. Технический результат: повышение точности выявления дефектов и чувствительности при повышенных частотах, упрощение. Сущность: в испытуемом сердечнике с помощью намагничивающей обмотки создают кольцевой переменный магнитный поток с низким уровнем индукции. Осуществляют сканирование поверхности расточки сердечника с помощью индуктивного датчика. Измеряют амплитуду разности между сигналом датчика и опорным сигналом, равным сигналу датчика, установленного на бездефектном месте, по которой судят о состоянии изоляции. Устройство содержит обмотку намагничивания, датчик, регулируемый блок питания намагничивающей обмотки, источник опорного сигнала и блок управления. Блок управления содержит устройство регулирования опорного сигнала по амплитуде и фазе и устройство измерения напряжения. Ко входу устройства регулирования подключен источник опорного сигнала. Выход устройства регулирования включен встречно с выходом датчика. Полученный разностный сигнал подан на вход устройства измерения напряжения через фильтр, настроенный на пропускание только частоты выходного напряжения источника питания намагничивающей обмотки. Источник опорного сигнала может быть встроен в блок управления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля изоляции листов шихтованных сердечников статоров электрических машин, при котором в проверяемом сердечнике создают кольцевой переменный магнитный поток с индукцией не более 0,1 Тл, устанавливают опорный сигнал равным сигналу датчика, установленного на бездефектном месте расточки проверяемого сердечника, после чего этим датчиком осуществляют сканирование поверхности расточки, во время которого сопоставляют сигнал датчика и опорный сигнал, отличающийся тем, что при сканировании датчиком поверхности расточки сердечника измеряют амплитуду разности между сигналом датчика и опорным сигналом и по величине этой амплитуды судят о состоянии изоляции листов сердечника.2. Устройство для контроля изоляции листов шихтованных сердечников статоров электрических машин путем создания в сердечниках кольцевого переменного магнитного потока с индукцией не более 0,1 Тл, содержащее обмотку намагничивания, датчик, регулируемый блок питания намагничивающей обмотки, источник опорного сигнала и блок управления, отличающееся тем, что блок управления содержит устройство регулирования опорного сигнала по амплитуде и фазе и устройство измерения напряжения, причем к входу устройства регулирования опорного сигнала подключен источник опорного сигнала, выход указанного устройства регулирования опорного сигнала включен встречно с выходом датчика, а полученный разностный сигнал подан на вход устройства измерения напряжения.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок управления содержит фильтр, настроенный на пропускание только частоты выходного напряжения блока питания намагничивающей обмотки, причем разностный сигнал подается на вход устройства измерения напряжения через этот фильтр.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что источник опорного сигнала выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу блока питания намагничивающей обмотки, вторичная обмотка подключена к входу устройства регулирования опорного сигнала, причем указанный трансформатор встроен в блок управления.