Определение повреждений обмоток машин переменного тока

Повреждения обмоток электрических машин в основном вызы­ваются повреждениями их изоляции от износа и старения, пробоев в результате перенапряжений, механических причин, воздействия кислот, щелочей, масла, влажной среды, морской и пресной воды.

Износ и старение приводят к значительному снижению сопро­тивления изоляции. Естественной их причиной является длитель­ный срок эксплуатации. В результате старения изоляция теряет свою эластичность, становится хрупкой, легко трескается и лома­ется, ухудшаются ее диэлектрические свойства. Старение изоляции ускоряется при перегревах обмотки до температур, выше допусти­мых для данного класса изоляции. Вследствие испарения связую­щих происходит снижение механической прочности изо­ляции. Такие компоненты, как хлопчатобумажная пряжа (лента), шелк, электрокартон, бумага, становятся хрупкими, на поверхно­сти изоляции появляются трещины. В местах действия механиче­ских нагрузок изоляция постепенно разрушается, происходят местное вытекание лака или компаунда, разбухание изоляции в вентиляционных каналах, в местах выхода обмотки из пазов и в лобовых частях. Причиной перегрева обмоток, помимо перегру­зок по току, может явиться ухудшение вентиляции вследствие по­степенного сужения или закупорки воздушных путей в процессе эксплуатации.

Механические повреждения изоляции могут быть вызваны не­брежностью или неосторожностью при сборке, разборке или транс­портировке машины. Иногда изоляция лобовых частей обмоток статоров машин переменного тока нарушается вентилятором при его неисправности. Повреждения могут быть вызваны мелкими посторонними предметами, попадающими в машину с охлаждаю­щим воздухом. Причиной нарушения изоляции могут быть неис­правности сердечника ротора (якоря). Недостаточная запрессовка листов электротехнической стали, ослабление распорок в охлаж­дающих каналах и нажимных пальцев крайних листов пакетов стали могут вызвать длительную вибрацию листов стали и перетирание изоляции. Часто механические повреждения изоляции обус­ловлены действием центробежных и электромагнитных сил. Во вра­щающихся обмотках при их неплотной укладке, под воздействием центробежных сил возможно перемещение проводов и перетирание их изоляции. Перемещение проводников обмотки ротора (якоря) может возникнуть из-за усыхания изоляции обмоток, изоляционных прокладок и распорок. Ослабление этих элементов крепления об­мотки в ее лобовых частях может привести к их деформации, появ­лению трещин и надрывов в изоляции.

При пуске асинхронных двигателей с короткозамкнутым рото­ром, а также при внезапных коротких замыканиях синхронных ге­нераторов на их обмотки действуют электромагнитные силы, зна­чительно превосходящие номинальные значения. Эти силы, пропор­циональные квадрату величины тока, носят периодически переменный характер. Они расшатывают части обмоток, приводят к перетиранию их изоляции, а в более тяжелых случаях — к пов­реждению. Электромагнитные силы в большей мере проявляются в обмотках статора с длинными лобовыми частями, используемыми в быстроходных асинхронных и синхронных машинах.

Механические воздействия могут привести к появлению цара­пин, вмятин, трещин и разрывов изоляции. Чаще повреждения бывают в местах изгибов обмотки, выхода ее из пазов статора, в местах перекрещивания лобовых частей.

В процессе эксплуатации машины возможно попадание на об­мотки минерального масла пли консистентной смазки, что приводит к повреждению изоляции. Наличие масел па поверхности изоляции способствует ее загрязнению и снижению поверхностного сопро­тивления.

Воздействие влажной среды, пресной или морской воды вызыва­ет отсыревание обмотки и ухудшение ее диэлектрических свойств. В отличие от старения изоляции обмотки отсыревание является обратимым процессом. При сушке изоляционные свойства обмотки могут быть восстановлены.

Все перечисленные причины приводят к снижению сопротивле­ния изоляции обмотки и ее повреждению. Поэтому периодические замеры сопротивления изоляции позволяют своевременно выявить ухудшение ее состояния и предупредить повреждения обмоток.

Наиболее тяжелым видом повреждения изоляции является про­бой, приводящий к немедленному выходу электрической машины из эксплуатации. Самыми распространенными причинами пробоя изоляции в судовых условиях являются: отсыревание, чрезмерные перегревы, механические повреждения, попадание в обмотку по­сторонних металлических предметов, дефекты изоляции, общее ее старение.

Повреждения обмоток машин переменного тока могут быть раз­делены на короткие замыкания их отдельных частей, обрывы н пло­хой контакт, замыкание обмоток на корпус. В процессе эксплуата­ции встречаются следующие виды коротких замыкании в обмотках: витковые – в одной катушке; между катушками одной катушечной группы; между разными катушечными группами обмотки одной фазы; между витками обмоток разных фаз.

Замыкания между катушками одной и той же катушечной груп­пы и разных катушечных групп чаще возникают в их лобовых частях и в перемычках, соединяющих катушки и катушечные груп­пы между собой. Замыкания между катушками одной и той же фазы, между катушками разных фаз могут быть и в пазовых частях. В двухслойных обмотках с укороченным шагом в ряде пазов размещаются стороны катушек, принадлежащих раз­ным фазам. Все эти виды замыканий приводят к образова­нию в обмотках статора или фазного ротора короткозамкнутых контуров. Э.Д.С., наводимая вращающимся магнитным полем, вызы­вает в них токи. В зависимости от сопротивления контуров токи могут достигать большой величины, что, в свою очередь, приводит к значительному нагреву замкнутых элементов обмотки.

При несвоевременном обнаружении короткое замыкание может привести к отключению машины и обугливанию изоляции или даже перегоранию обмотки, к повреждению листов стали сердечника. Нагрев короткозамкнутого контура является одним из основных признаков, по которому можно выявить поврежденную часть об­мотки.

Короткие замыкания в обмотках. Внешним проявлением корот­кого замыкания в обмотках статора асинхронного двигателя явля­ются, помимо значительного нагрева отдельных катушек, ненор­мальное гудение, уменьшение вращающего момента и затрудненный пуск двигателя, неравенство токов в обмотках фаз. Витковые за­мыкания в обмотке статора вызывают искажение магнитного поля, нарушение его симметрии, что приводит к вибрации и односторон­нему притяжению ротора. Так как короткозамкнутые катушки ос­лабляют магнитный поток в месте их расположения, ротор притя­гивается к части статора, противоположной этим местам.

При наличии замыканий в различных элементах обмотки фаз­ного ротора наблюдаются колебания тока в обмотках статора, вра­щающий момент двигателя уменьшается, ненагруженный асин­хронный двигатель, включенный и сеть с разомкнутой цепью рото­ра, начинает медленно вращаться.

В синхронных генераторах короткозамкнутые контуры в обмот­ке статора приводят к уменьшению числа витков поврежденных обмоток фаз, ослаблению магнитного поля машины. Все это вызы­вает снижение напряжения на зажимах генератора и его несим­метрию.

Если внешний осмотр и ощупывание обмотки в отключенной от сети машине не позволяют выявить место короткого замыкания, для его определения может быть использовано несколько методов.

В асинхронных двигателях с фазным ротором прежде всего оп­ределяют, где находится поврежденная обмотка — в статоре или роторе. Для этого при разомкнутой цепи ротора на обмотку стато­ра подают пониженное напряжение, равное 0,25…0,3 номинального, и замеряют напряжение на кольцах ротора. При наличии короткозамкнутых витков на роторе напряжение между кольцами будет разным; оно не меняется при повороте ротора. Минимальное значение напряжения при этом будет на кольцах, к которым подключена поврежденная обмотка. Если обмотка ротора не имеет повреждений, а в обмотке статора имеются короткозамкнутые контуры, напряжение на кольцах ротора при его медленном поворачивании будет меняться и они небудутравны между собой.

Поврежденную обмотку фазы можно определить, замеряя ток, потребляемый из сети, в трех подводящих проводах. При соединении обмоток фаз звездой наибольшим будет ток обмотки с короткозамкнутыми контурами. При соединении треугольником наибольшими будут токи в подводящих проводах, подключенных к зажимам поврежденной обмотки. Напряжение должно быть и понижено до 0,25…0,3 номинального. Ротор может быть заторможен или вращаться. При определении этим способом поврежденной обмотки фазы статора в синхронных машинах обмотка возбуждения неподвижного ротора должна быть замкнута на разрядный резистор.

Следует иметь в виду, что в синхронных машинах с неподвижным ротором и исправной обмоткой статора значение тока, потребляемого из сети разными фазами, зависит от положения ротор. Однако в этом случае при повороте ротора токи будут изменяться в одних и тех же пределах.

Замкнутую катушку или катушечную группу можно найти, замеряя напряжение на выводах катушечных групп или катушек, при этом напряжение на выводах, имеющих замыкание, будет меньше, чем на выводах исправных. Для замера напряжений нужно зачистить изоляцию соединительных проводов либо проколоть ее острыми щупами.

Неисправность обмотки фазы с короткозамкнутыми витками, катушками или катушечными группами может быть определена по значению сопротивления; поврежденная обмотка имеет меньшее сопротивление постоянному току, измеренное методом вольтметра и амперметра или мостиком. При соединении обмотки статора звездой наибольшее сопротивление будет между выводами обмоток двух неповрежденных фаз. При соединении треугольником наименьшим будет сопротивление между зажимами поврежденной обмотки фазы.

У синхронных генераторов обмотка фазы с короткозамкнутыми витками может быть проверена путем замера напряжения на выводах обмотки статора. При этом ротор приводят во вращение с синхронной угловой скоростью и устанавливают ток возбуждения, обеспечивающий U = (0,25…0,3)U_ном: напряжение на зажимах поврежденной обмотки будет минимальным. Замкнутую накоротко катушку или катушечную группу можно определить, замерив напряжение на выводах катушечных групп и катушек.

Для определения места виткового замыкания в обмотке фазы можно воспользоваться методом ее последовательного деления на равные части. Предварительно отсоединенную от других повреж­денную обмотку фазы делят пополам путем распайки соединений между катушечными группами. На каждую половину поочередно подается пониженное напряжение. Часть обмотки с короткозамкнутыми контурами будет потреблять больший ток, определяемый по амперметру. Осуществляя таким образом последовательное деле­ние поврежденной части обмотки пополам, путем сравнения токов в них находят поврежденную катушечную группу, а затем и ка­тушку.

Делением поврежденной обмотки фазы на части можно определить короткозамкнутые катушки также с помощью мегаомметра без подачи напряжения на обмотку. На рисунке 10.22, поясняющем сущ­ность этого метода, показана обмотка фазы, состоящая из восьми катушек. Между катушками 2 н 6 имеется короткое замыкание.

Рисунок 10.22 – Схема определения места короткого замыкания