"ГОСТ IEC/TS 60034-24-2015. Межгосударственный стандарт. Машины электрические вращающиеся. Часть 24. Онлайновое обнаружение и диагностика потенциальных отказов активных деталей вращающихся электромашин и деталей с подшипниковым током. Руководство по применению"
(введен в действие Приказом Росстандарта от 26.05.2016 N 423-ст)

Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ по межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 "Межгосударственная система стандартизации. Основные положения" и ГОСТ 1.2-2009 "Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, применения, обновления и отмены"

1 ПОДГОТОВЛЕН Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ") и Федеральным государственным унитарным предприятием "Всероссийский научно-исследовательский институт стандартизации и сертификации в машиностроении" (ВНИИНМАШ) на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 5

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 333 "Вращающиеся электрические машины"

3 ПРИНЯТ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 29 сентября 2015 г. N 80-П)

За принятие проголосовали:

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 26 мая 2016 г. N 423-ст межгосударственный стандарт ГОСТ IEC/TS 60034-24-2015 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 марта 2017 г.

5 Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TS 60034-24:2009 "Машины электрические вращающиеся. Часть 24. Онлайновое обнаружение и диагностика потенциальных отказов активных деталей вращающихся электромашин и деталей с подшипниковым током. Руководство по применению" ("Rotating electrical machines - Part 24: Online detection and diagnosis of potential failures at the active parts of rotating electrical machines and of bearing currents - Application guide", IDT).

Международный стандарт разработан техническим комитетом по стандартизации TC 2 "Вращающиеся машины" Международной электротехнической комиссии (IEC)

6 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Прогресс в методах проектирования и технологии производства электрических машин выражается в увеличении их надежности, однако полностью избежать отказов не удается. Поскольку требования к надежности постоянно растут, важно определить дефекты на ранней стадии, определить источник и серьезность неисправности с целью оценки риска развития процесса.

Целесообразно, чтобы информация, полученная методами, изложенными в настоящем руководстве, позволила дифференцировать неисправности и, таким образом, ее анализ мог бы стать исходными данными для полного мониторинга системы.

Целью настоящего руководства является предоставить возможные средства для достижения намеченных целей и объяснить их преимущества и недостатки. Обсуждаются минимальные требования, которым должны удовлетворять различные датчики, принимая во внимание различные проектные требования, остающиеся за рамками настоящего стандарта.

Настоящее руководство имеет отношение к диагностике неисправностей в активных частях многофазных вращающихся машин (всех типов неисправностей в обмотках статора и ротора, дефектов беличьих клеток, эксцентриситета) и токов через подшипники.

Настоящий стандарт предназначен для обнаружения и диагностики неисправностей в активных частях многофазных вращающихся машин (асинхронных и синхронных) и токов в подшипниках во время работы машины. Неисправности включают в себя:

- повреждения в обмотках;

- межфазные короткие замыкания;

- двухфазные и однофазные короткие замыкания на землю в двигателях с заземленной нейтральной точкой;

- статический и динамический эксцентриситет;

- дефекты стержней и соединительных колец беличьей клетки;

- подшипниковые токи.

Диагностика может быть осуществлена такими средствами, как измерительные катушки или частично - анализом напряжений и токов на зажимах двигателя.

Настоящий стандарт не включает обнаружение следующих неисправностей:

- вибрация (рассмотрена в стандартах ISO, например ISO 10816 и ISO 7919);

- частичный разряд (рассмотрена в стандарте IEC 60034-27);

- однофазные короткие замыкания в двигателях без заземления нейтральной точки звезды;

- неисправности сердечника.

В стандарт не включены также специальные методы диагностики машин специфического применения (например, турбогенераторов).

В настоящем стандарте нет нормативных ссылок.

В настоящем стандарте используются следующие термины и определения к ним.

3.1 коэффициент распределения (distribution factor): Коэффициент, относящийся к распределенным обмоткам и характеризующий уменьшение ЭДС из-за специфики распределения витков обмоток, расположенных в отдельных пазах;

3.2 коэффициент изменения шага обмотки (chording (pitch) factor): Коэффициент, относящийся к распределенным обмоткам и характеризующий уменьшение ЭДС витка из-за укорочения шага обмоток;

3.3 коэффициент секций (branch factor): Коэффициент, относящийся к распределенным обмоткам и характеризующий уменьшение ЭДС из-за ее различия в последовательных ветвях.

Работа двигателя основана на образовании магнитного поля в зазоре, которое пронизывает площадь поперечного сечения пластин статора и ротора. Часть потока, проходящая через части машины вне сердечника, является паразитной. Поэтому доступные сигналы, пригодные для определения потенциальных неисправностей, обусловлены магнитным потоком в зазоре, который анализируется с целью отличия тех составляющих, которые обусловлены нормальной работой машины от происходящих в результате специфических неисправностей и отсутствуют в исправной машине.

Поскольку обмотки, создающие магнитный поток, распределены по окружности зазора симметрично, а векторная сумма создающих его токов равна нулю, поток в зазоре представляет собой периодическую функцию, которая может быть представлена как сумма гармонических составляющих, характеризуемых следующими параметрами:

- амплитудой;

- числом пар полюсов;

- угловой скоростью;

- фазовым углом;

- типом волны (вращающейся или неподвижной).

В таблице 1 показан состав поля в зазоре трехфазного асинхронного двигателя с целым числом пазов на полюс и фазу. Таблица может быть распространена и на двигатели с дробным числом пазов на полюс и фазу. Подобные таблицы могут быть разработаны и для двигателей с контактными кольцами, а также синхронные двигатели.

Метод определения неисправностей должен позволять обнаруживать их на ранней стадии. Поэтому оптимальным для достижения указанных целей является обнаружение существенных изменений сигналов при появлении набольших дефектов.

Обработка сигналов требует соответствующего электронного оборудования. Хотя разрешающая способность современного оборудования велика, в настоящем стандарте преимущество отдается сигналам, которые не требуют высокой точности измерительного оборудования.

Анализ токов или напряжений на клеммах статора позволяют обнаружить следующее:

различные частоты,

составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности,

различные амплитуды составляющих.

Вообще, изменение индукции в зоне воздушного зазора индуцирует напряжения в статорной обмотке соответствующих частот, что, в свою очередь, определяет наличие токов тех же частот. При возникновении неисправностей на основной ток питания накладываются дополнительные составляющие, параметры которых в зависимости от определенных неисправностей детально рассмотрены в таблице 1 для случая трехфазных асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Таблица 1 составлена для одной основной частоты питающего напряжения. Однако ее данные могут быть распространены и для других гармонических компонент (с различными значениями параметров напряжение-частота) в спектре питания двигателя, что характерно для электропривода по системе преобразователь частоты - двигатель.

В таблице 1 представлены составляющие поля в воздушном зазоре машины. Соответствующая составляющая индуцирует ЭДС в обмотке статора в зависимости от обмоточного коэффициента с учетом числа пар полюсов. Обмоточный коэффициент связан со следующими факторами:

- коэффициент распределения,

- коэффициент укорочения шага обмотки,

- коэффициент секций.

Коэффициент секции не получил широкого распространения среди инженеров, однако важен в текущем контексте. Каждая симметричная трехфазная обмотка в пазу состоит из p (в случае однослойной обмотки) или 2p (в случае двухслойной) одинаковых групп витков (ветвей), которые симметрично распределены по окружности. Они могут образовывать последовательные или параллельные ветви с максимальным числом a = 2p. Способ соединения определяет коэффициент секции для соответствующего числа пар полюсов.

Можно показать, что коэффициент секции равен нулю для полей, вызванных эксцентриситетом, v = p + 1 и v = p - 1 для всех обмоток с последовательным соединением групп. Поэтому оба типа эксцентриситета не могут быть определены для таких машин путем анализа статорного тока.

Коэффициент секций полей гармоник в соответствии с пунктами 1 - 4 таблицы 1 также зависит от геометрии, а также от количества пазов ротора. Эти параметры выбираются производителем машины исходя из различных соображений (например, чтобы уменьшить магнитное притяжение, избежать опасной магнитной звуковой эмиссии и т.п.) и обычно не известны потребителю. Поэтому не рекомендуется использовать гармоники полей ротора по пунктам 3 и 4 таблицы 1 в качестве сигналов для анализа статорного тока.

Группа обмоточных дефектов по пункту 3 таблицы 1 характеризует наиболее частые дефекты активных частей машины. Все они производят поля основной частоты. Таким образом, неисправности в обмотках не могут быть обнаружены с помощью анализа токов статора.

Изменения потока, вызванные неисправностями обмоток, имеют эллиптический характер, который означает наложение двух синусоид противоположного направления, имеющих одинаковое число полюсов и частоту, но различную амплитуду. В принципе, такие неисправности могут быть обнаружены путем анализа тока обратной последовательности на основной частоте.

В случае таких опасных неисправностей, как замыкания внутри обмоток, когда по одному из витков фазы в высоковольтном двигателе течет весьма большой ток, компонента обратной последовательности весьма мала. Она может быть также вызвана асимметрией питающего напряжения (обратная последовательность питающего напряжения может вызвать шести-десятикратную обратную последовательность тока). Вышесказанное означает, что не рекомендуется определять неисправности в обмотках путем анализа токов и напряжений.

Достоверное обнаружение неисправностей беличьей клетки ротора (разрушение стержней и колец) возможно путем анализа токов статора.

Следует отметить и другие ограничения анализа статорного тока. Статистика страховых компаний свидетельствует о том, что большинство неисправностей возникает во время переходных процессов, таких как пуск двигателя, короткое замыкание на клеммах, в процессе которых происходят броски токов. Проведение анализа тока в течение короткого периода переходных процессов малоперспективно.

Идеальный диагностический сигнал должен оставаться равным нулю в установившихся и переходных режимах работы исправного двигателя и расти при возникновении дефектов всех категорий, поименованных в пунктах 3 - 5 таблицы 1, а также идентифицировать различие между ними. Решения должны быть оптимальными для практической реализации.

В основе данных решений лежат выполненные из изолированного провода витки, диаметр которых выбирается исключительно из конструктивных соображений. Оба конца витка располагаются в пазах статора основной обмотки, обычно на стадии сборки машины между верхним слоем обмотки и пазовым клином. Возможен монтаж витка и на более поздней стадии. Концы витка располагаются насколько возможно близко концам обмотки.

Такое же внедрение в различные места расположения магнитного поля статора возможно с помощью иных датчиков, нежели измерительный виток.

Как правило, последовательно соединяются несколько витков с одинаковым шагом, сдвинутые друг относительно друга на одинаковый угол. Это делается с целью получить измерительную систему из вспомогательных витков с результирующим равным нулю обмоточным коэффициентом всех полей в зазоре при исправном состоянии машины, но максимальным обмоточным коэффициентом при числе пар полюсов, которое используется как базовое в процессе диагностики определенной неисправности.

Если система вспомогательных витков удовлетворяет названным выше условиям для базового поля, которое присутствует наряду с полями, возникшими от неисправностей, указанных в пунктах 3 - 5 таблицы 1, она считается законченной. Однако при этом имеет место одна трудность. Поля, возникающие при неисправностях обмоток в соответствии с пунктом 3, имеют эллиптическую форму. Если одно из них принято за базовое, индуцируемое напряжение измерительной системы будет зависеть от местоположения неисправности на окружности. Такая ситуация является неприемлемой.

Проблема может быть решена путем использования второй аналогичной системы витков, сдвинутой относительно первой на угол , где v - число пар полюсов базового поля. Обе группы витков образуют симметричную двухфазную систему, которая позволяет рассчитать симметричные компоненты по двум измеренным напряжениям. Симметричные компоненты уже не зависят от расположения неисправности.

Настоящее руководство не предполагает детальное описание процедуры проектирования системы измерительных витков. Можно упомянуть лишь, что минимальное число витков составляет от 6 до 12 в зависимости от данных испытуемой машины и желаемой точности диагностики.

Базовое поле берется из списка полей в зазоре, которые возбуждаются определенной неисправностью, но равны нулю в исправной машине. Поэтому амплитуда базового поля почти не изменяется в процессе переходных процессов. Это положение проверяется экспериментально.

Процедура диагностики описана в таблице 2. Критерием неисправности в обмотке является наличие обеих симметричных составляющих (прямой и обратной последовательности) на основной частоте. Напряжения в случае статического эксцентриситета имеют также основную частоту, однако напряжение обратной последовательности U_n равно нулю. Динамический эксцентриситет может быть вызван другими неисправностями и соответствовать другим характерным частотам индуцированного напряжения. Асимметрия ротора индуцируется другими характерными частотами индуцированного напряжения; индуцированное напряжение становится равным нулю при синхронной частоте вращения машины (s = 0), поскольку токи, ответственные за создание базового поля, отсутствуют.

В заключение следует отметить, что профессионально спроектированная система дополнительных обмоток является подходящим инструментом выявления и диагностики неисправностей.

Для полноты освещения вопроса следует упомянуть и о других типах диагностических обмоток, предлагаемых в технической литературе, например, на одном статорном зубце. Они могут быть полезны для исследования отдельных эффектов, но не пригодны для комплексной диагностики, а потому не могут быть рекомендованы для применения в инженерной практике.

При использовании тороидальных витков, прикрепленных впереди машины или витков вокруг вала машины, используются допущения. В обоих случаях осевой поток, созданный машиной, должен быть использован для обнаружения ее неисправностей. Такие приближения неблагоприятны по следующим причинам.

Осевые составляющие потока всегда являются паразитными и нежелательными, поскольку нормальная работа машины основана на тех составляющих потока, которые пересекают поперечное сечение пластин. Осевой поток весьма мал из-за высокого магнитного сопротивления воздуха. Его величина не может быть оценена аналитическими методами.

Поток, вызванный наиболее значительными неисправностями в обмотках, имеет основную частоту, а амплитуда его осевой составляющей весьма мала.

Только в случае эксцентриситетов в двухполюсной машине ее поле с числом пар полюсов p - 1 вырождается в униполярное, которое может быть успешно измерено витком, расположенным вокруг статора или установленным на конце сердечника.

За указанным исключением использование витков для измерения осевого потока не рекомендуется.

Некоторые авторы считают целесообразным для обнаружения искажений внутреннего поля машины измерение напряжения на валу.

Напряжения на валу индуцируются кольцевым магнитным потоком вокруг вала. Кольцевой поток вызывается неравномерностями ярма статора (например, фиксирующими пазами) и их распределением по окружности в случае питающейся от сети машины. Кольцевой поток возникает лишь в случае, если интеграл напряженности магнитного поля по окружности отличен от нуля. Поля с числом пар полюсов p и 3p наиболее существенны в этом отношении. Данное физическое обоснование показывает, что влияние неисправностей обмоток на напряжение на валу носит паразитный характер и слишком мало, чтобы служить основой для устройства датчика неисправностей.

При питании от преобразователя напряжение на валу может заметно вырасти за счет составляющих кольцевого потока, вызванных синфазным напряжением преобразователя. Поэтому рост напряжения на валу не имеет отношения к распределению рабочего потока машины и потому не пригодно в рассматриваемом контексте.

Суммируя вышесказанное, выявление неисправностей активных частей машины не может быть осуществлено путем анализа напряжения на ее валу.

Токи в подшипниках могут быть вызваны следующими причинами:

- неравномерности ярма статора;

- синфазные токи в случае питания от преобразователя.

В случае, когда ярмо имеет неравномерности, например вентиляционные каналы, стыки и швы и т.п., их число и распределение по периферии имеют решающее значение для возникновения осевого напряжения, которое определяет прохождение тока через оба подшипника. Подшипниковые токи обычно содержат составляющую преимущественно на основной частоте, наложенную на составляющую тройной частоты, обусловленную эффектом насыщения. Длительный опыт показывает, что подшипникам угрожает напряжение на валу, превышающее (200 - 250) мВ действующего значения. Производитель должен принять меры для исключения токов в подшипниках путем применения соответствующего типа изоляции. Обычно применяется несколько типов.

Если подшипник на пассивном конце вала надежно изолирован, нет необходимости в иных средствах защиты. Однако, если по каким-либо причинам не исключено нарушение изоляции, необходим мониторинг ее состояния.

Если вращающаяся машина питается от преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока, синфазное напряжение является дополнительным источником токов в подшипниках. В зависимости от конструктивных особенностей эти токи могут протекать только через один подшипник (при электроэрозионной обработке ток заземления возвращается в преобразователь по контуру заземления) или они циркулируют через оба подшипника, будучи вызваны емкостными токами между обмоткой и пластинами сердечника.

Синфазные токи могут быть измерены, однако они могут истекать из различных частей корпуса на землю, а потому не пригодны для определения неисправности. Производитель или пользователь должен определить необходимость изоляции одного или обоих подшипников.

При выборе изоляции подшипников необходимо учитывать, что частота синфазных токов находится в килогерцовом диапазоне, и потому анализ электроэрозионных пробоев требует значительного усиления изоляционных свойств. Емкостные токи не могут быть снижены тонкой изоляционной пленкой толщиной несколько сотен микрон.

При использовании заземляющей щетки протекающий по ней ток может быть использован для нахождения его источника.

Разрушение изоляции подшипника или разряд через масляную пленку подшипника могут быть обнаружены измерением напряжения вал - земля с помощью измерительной щетки.

Испытательные контактные щупы могут быть установлены с обеих сторон изоляции с целью измерения напряжения на ней или тока через подшипники, когда перекрывается изоляция. Такие измерения требуют специальных высокочастотных приборов и кабелей, и в настоящее время применяются редко.