авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение эксплуатационной надёжности электрооборудования инфраструктуры предприятий апк на базе количественной термографии

На правах рукописи

МУХИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК НА БАЗЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург – Пушкин 2013 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «Мур манский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «МГТУ»)

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Власов Анатолий Борисович

Официальные оппоненты:

Беззубцева Марина Михайловна, доктор технических наук, профес сор, Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, заведу ющая кафедрой «Энергообеспечение производств в АПК»;

Гущинский Александр Геннадьевич, кандидат технических наук, до цент, филиал «Гатчинские электрические сети» ОАО «Ленэнерго», помощ ник директора.

Ведущая организация:

Государственное научное учреждение Северо-Западный научно исследовательский институт механизации и электрификации сельского хо зяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии).

Защита диссертации состоится «08» октября 2013 г. в 13 часов 30 ми нут на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу:

196601, Санкт-Петербург, Пушкин, Петербургское шоссе, 2, лит. А, СПбГАУ, ауд. 2.719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан "_" 2013 г.

Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.gov.ru http://spbgau.ru.

Ученый секретарь Смирнов Василий диссертационного совета Тимофеевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие агропромышленного комплекса (АПК) является стратегической задачей государственной деятельности для обеспече ния безопасности РФ. Структура АПК многообразна в силу специфических природно-климатических условий. Рыбохозяйственный комплекс, как часть АПК РФ, является поставщиком и потребителем продукции для различных секторов экономики. Предприятия рыбного хозяйства производят 11 % товар ной продукции продовольственного сектора РФ. На Европейском Севере, в частности Мурманской области, предприятия рыбного хозяйства являются градообразующими и их деятельность становится определяющей в производ стве валового регионального продукта. Рыбохозяйственный комплекс распо лагает многообразной материально-технической базой, в том числе производ ственной инфраструктурой, обеспечивающей портовое обслуживание флота.

Согласно «Концепции развития рыбного хозяйства РФ на период до 2020 года», федеральной целевой программе «Повышения эффективности использования и развития ресурсного потенциала рыбохозяйственного ком плекса в 2009 – 2013 годах» предусматривается поэтапное увеличение объё ма добычи водных биологических ресурсов, что обеспечит увеличение гру зооборота рыбными и торговыми терминалами морских портов РФ. Однако в период с 1990 по 2006 значительно снизились темпы обновления основных производственных фондов морских портов, в результате физический и мо ральный износ оборудования достиг критического уровня.

Техническое обслуживание и ремонт инфраструктуры предприятий рыбохозяйственного комплекса, в частности, электрооборудования рыбных и торговых терминалов морских портов осуществляются на основе систем кон троля технического состояния: РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испыта ний электрооборудования», «Правила устройства электроустановок», «Пра вила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» и т.д. В представленных документах изложены организационные и технические требования по обслуживанию и ремонту электрооборудова ния, приведены периодичность, объемы и регламент испытаний, рассмотре ны общие указания по устройству электроустановок и т.д.

Статистическая обработка данных дефектов, зафиксированных в про цессе эксплуатации электрооборудования морского порта г. Мурманска в пе риод 2008 – 2010 г.г., показала, что поток отказов различных элементов элек тропривода, в частности асинхронных двигателей, значителен.

Планово-предупредительные ремонтные работы не позволяют предот вращать дефекты, например, асинхронных двигателей, коммутирующей ап паратуры, силовой преобразовательной техники на ранней стадии развития.

Можно сделать заключение о целесообразности повышения уровня эксплуатационной надежности электрооборудования АПК путем применения современных методов технической диагностики. В связи с этим, считается целесообразным разработка и внедрение элементов системы контроля техни ческого состояния электрооборудования на базе количественной термогра фии, основы которой отражены в работах Власова А.Б., Вавилова В.П.

Элементы системы диагностики технического состояния электрообо рудования инфраструктуры АПК методом количественной термографии должны применяться в комплексе с другими видами контроля, предусмот ренными нормативно-технической документацией.

В настоящее время количественный термографический контроль тех нического состояния электрооборудования рыбных и торговых терминалов морских портов в литературных источниках не представлен.



Целью исследования является разработка и внедрение элементов си стемы контроля технического состояния электрооборудования предприятий АПК на основе количественной термографии.

Задачами исследования являются:

– анализ эксплуатационной надёжности электрооборудования предпри ятий АПК;

– разработка элементов системы контроля технического состояния электрооборудования на базе количественной термографии;

– создание тепловой диагностической модели асинхронного двигателя;

– анализ эффективности применения элементов системы контроля тех нического состояния электрооборудования методом количественной термо графии;

– расчёт экономического эффекта применения элементов системы кон троля технического состояния электрооборудования при внедрении методов количественной термографии в практику отдельных предприятий АПК.

Объектами исследования является электрооборудование инфраструк туры АПК, в том числе асинхронные двигатели серии АИР, K21R, Smh и др.

мощностью от 1,5 до 110 кВт;

преобразователи частоты IndraDrive, Refudrive 500 мощностью от 45 до 250 кВт;

сетевые контакторы и реле ES160, ES250, SIDX 31,41, Siemens 3RT10, 3RH19, 3RV14 и др.;

электрогидротолкатели EB320, BL200 и др.;

элементы трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ.

Предметом исследования являются элементы системы контроля тех нического состояния электрооборудования предприятий АПК на основе ко личественной термографии.

Базовыми методологическими научными работами в области коли чественной термографии являются работы Вавилова В.П., Власова А.Б.;

в об ласти тепловых расчётов электрических машин и аппаратов работы Сипайлова Г.А., Санникова Д.И., Жадана В.А., Борисенко А.И., Бурковского А.Н., Гурина Я.С., Радина В.И., Ройзена Л.И.;

в области теории теплопередачи работы Иса ченко В.П., Осипова В.А., Сукомела А.С., Лыкова А.В., Михеева М.А.;

в обла сти математической статистики работы Кремера Н.Ш., Блохина В.Г., Рябини на И.А.;

в области отраслевой энергетики работы Бородина И.Ф., Стребкова Д.С., Карпова В.Н., Гессена В.Ю., Епифанова А.П. и др.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена применением сертифицированных средств измерения исследуемых величин;

применением методов математической статистики;

экспертизой патента и программы ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ.

Научная новизна работы:

– разработан метод количественной термографии для диагностики тех нического состояния электрооборудования предприятий АПК;

– создана тепловая диагностическая модель асинхронного двигателя;

проанализирована возможность использования модели в различных тепловых режимах;

произведён анализ влияния параметров, учитываемых в модели, на результаты расчёта температуры обмотки статора;

– предложен математический аппарат статистической обработки данных дефектов электрооборудования, полученных на базе количественной термо графии в результате периодических термографических обследований объектов инфраструктуры предприятий рыбного хозяйства.

Практическая значимость работы. Разработаны и внедрены в произ водство отдельных предприятий элементы системы диагностики техническо го состояния электрооборудования на основе количественной термографии, состоящие из объектов исследования, диагностической модели, методики статистической обработки данных дефектов, регламента испытаний.

На примере асинхронного двигателя показана эффективность разрабо танной диагностической модели, позволяющей производить оперативный контроль текущего технического состояния электрической машины методом количественной термографии для различных стадий теплового режима.

Предложенная и теоретически обоснованная методика и созданное программное обеспечение могут быть использованы при дальнейшем разви тии элементов системы контроля технического состояния электрооборудова ния инфраструктуры АПК по данным количественной термографии.

Реализация работы. Элементы разработанной системы контроля тех нического состояния электрооборудования на базе количественной термо графии внедрены в производственный процесс ОАО «Мурманский морской торговый порт», ОАО «Окат».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертацион ной работы были представлены в виде докладов на всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новоси бирск, 2010;

международной молодёжной научно-практической конференции «Научно-практические исследования и проблемы современной молодёжи», Елабуга, 2010;

международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2011», Мурманск;

научно-техническом конкурсе молодых учёных и специалистов ОАО «Объединённая судостроительная корпорация», 2012;

международной научно-практической конференции профессорско преподавательского состава в г. Пушкин, Санкт-Петербург, 2012, междуна родной научно-технической конференции «Наука и образование – 2012», Мурманск;

международной научно-практической конференции по строитель ной механике корабля в г. Санкт-Петербурге, 2012.

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы опубликованы в 17 печатных работах, 6 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов на соискание учёной сте пени кандидата наук. Получен 1 патент РФ, 1 свидетельство о регистрации программ для ЭВМ.





Основными научными положениями и результатами, выносимыми на защиту, являются:

– разработанные элементы системы по контролю технического состоя ния электрооборудования инфраструктуры АПК на базе количественной тер мографии;

– созданная тепловая диагностическая модель асинхронного двигателя, объективно характеризующая текущее техническое состояния машины для различных стадий теплового режима;

– разработанная методика расчёта показателей эксплуатационной надёжности электрооборудования по данным количественной термографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, че тырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем стр., основного текста 114 стр., 38 рисунков, 38 таблиц, приложений на стр. (38 рис., 4 таблицы), список литературы из 178 наименований. В при ложение включены акты внедрения и использования результатов работы на предприятиях, свидетельства о регистрации патента и программы ЭВМ.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, по ставлены цели исследования, определены объект и предмет работы, изложе ны научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы ос новные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе (Система диагностики электрооборудования предпри ятий АПК на базе количественной термографии) произведён анализ суще ствующих систем технического обслуживания и ремонта электрооборудова ния рыбного и торгового терминалов морских портов, обоснована актуаль ность разработки и внедрения элементов системы контроля технического со стояния электрооборудования на основе количественной термографии.

По результатам проведённого анализа систем контроля технического состояния электрооборудования морского порта сформулированы выводы:

– отсутствуют методы экспресс-диагностики технического состояния электрооборудования в процессе эксплуатации под нагрузкой;

– отсутствуют научно-обоснованные методы безразборной оценки тех нического состояния оборудования по результатам наблюдений в количе ственном виде.

Для доказательства предположения об ухудшении технического состо яния объектов исследования проведена статистическая обработка данных дефектов элементов технологического комплекса морского порта г. Мурман ска, накопленных в течение 03.2008 – 08.2010 г.г.

В результате рассчитано:

– отказы элементов электропривода, связанные с повреждением ком мутирующей аппаратуры, достигают 40,6% от общего числа отказов, элек трических двигателей 19,3%, преобразовательной техники 10%, электриче ских кабелей 4,4%;

– экспериментальные значения потока дефектов (t) электрооборудо вания, представленные на рисунке 1, за период 29 месяцев лежат в пределах 0,0038 – 0,014 мес.–1;

– экспериментальные значения потока дефектов (t) электрических машин за период 30 месяцев лежат в пределах 0,0128 – 0,032 мес.–1;

– экспериментальные значения потока дефектов (t) коммутирующей аппаратуры за период 29 месяцев лежат в пределах 0,0103 – 0,1833 мес.–1;

– дефекты трансформаторных подстанций (ТП) 6/0,4 кВ, связанные с повреждениями контактных соединений, достигают 95%.

Отмечается, что дефекты электрооборудования морского порта приво дят к аварийному прерыванию технологического процесса и экономическим потерям.

w, 0, мес.–1 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 10 20 Срок эксплуатации, мес.

Рисунок 1 – Зависимость экспериментальных значений потока отказов электрооборудования от времени Проведённый анализ дефектов электрооборудования морского порта позволяет сделать выводы:

– в современных условиях интенсификации производства, изношенно сти оборудования, применение систем контроля технического состояния не позволяет обеспечить безаварийную эксплуатацию элементов технологиче ского комплекса;

– системы контроля технического состояния электрооборудования не достаточно эффективны для решения задачи оперативного неразрушающего диагностирования дефектов элементов электропривода, электрических и теп ловых сетей морского порта на ранних стадиях развития.

Это доказывает необходимость развития систем контроля технического состояния электрооборудования инфраструктуры АПК. Для этого целесооб разны разработка и внедрение методов диагностирования электрооборудова ния предприятий АПК в процессе эксплуатации под нагрузкой на базе коли чественной термографии.

В результате анализа руководящих документов метода тепловизионной диагностики сделаны следующие выводы:

– тепловизионный контроль энергетического оборудования решает за дачу поиска дефектных мест поверхности однотипного оборудования, рабо тающего в одинаковых эксплуатационных условиях, путём визуализации участков с повышенной температурой;

– в процессе тепловизионного контроля техническое состояние обору дования оценивается по диагностическому параметру температуре поверх ности исследуемого объекта;

– в литературе представлено ограниченное количество тепловых диа гностических моделей энергетического оборудования, необходимых для ре шения задач «диагноза»;

– не анализируются причины отказа, закономерности развития дефек тов и повреждений;

– научно не обоснована периодичность тепловизионных испытаний.

На сегодняшний день метод тепловизионной диагностики преимуще ственно позволяет решать задачу «диагноза», в то время как вторая задача технической диагностики – «прогноз», не анализировалась.

Решения задачи «диагноза», включающие в себя поиск места неис правности, определение причин отказа, контроль технического состояния объектов исследования на основе количественной термографии, основаны на возможности количественного учета тепловых потоков от поверхности обо рудования, на разработке тепловых диагностических моделей.

Решения задачи «прогноза», позволяющие определить и прогнозиро вать техническое состояние объекта, основаны на методах математической статистики и обработки данных тепловизионной диагностики.

В результате проведённого анализа выдвинуто предположение о необ ходимости повышения эксплуатационной надёжности электрооборудования инфраструктуры АПК путем разработки и внедрения в производство элемен тов системы контроля технического состояния объектов исследования на ба зе количественной термографии, позволяющие решать задачи технической диагностики – «диагноза» и «прогноза».

Во второй главе (Тепловая диагностическая модель асинхронного двигателя) разработана диагностическая модель асинхронного двигателя на основе количественной термографии для стационарного теплового режима, проанализирована возможность использования разработанной диагностиче ской модели асинхронного двигателя на базе количественной термографии в регулярном тепловом режиме, разработана тепловая модель участка оребрен ной поверхности станины статора асинхронного двигателя на основе метода электротепловой аналогии, произведён анализ влияния параметров, учитывае мых в модели, на результаты расчёта диагностических параметров техниче ского состояния.

Для решения задачи «диагноза» автором предлагается подход, позво ляющий определять тепловое состояние объектов исследования путем анали за пространственного распределения тепловых потоков, расчета диагности ческих параметров технического состояния на основе тепловых диагностиче ских моделей по данным количественной термографии.

Статистический анализ данных отказов электрооборудования морского порта г. Мурманска показал, что 19,3% отказов обусловлены дефектами асинхронных двигателей (АД), на долю которых приходится до 20% трудо ёмкости обслуживания и до 35% трудоёмкости восстановления работоспо собного состояния электрооборудования. Это доказывает необходимость со здания тепловой модели АД, используя метод количественной термографии для дистанционной, бесконтактной и оперативной диагностики технического состояния электрической машины в процессе эксплуатации под нагрузкой.

Для расчёта диагностических параметров технического состояния, в том числе коэффициента теплоотдачи от поверхности в различных точках станины статора, Вт/м2оС;

плотности теплового потока qs, Вт/м2;

темпера туры обмотки статора в стационарном тепловом режиме tрасч, оС автором раз работана диагностическая модель электрической машины по данным количе ственной термографии, представленная на рисунке 2.

а) б) Рисунок 2 – Диагностическая модель электрической машины:

а) вид плоскости Хr;

б) вид плоскости XY Диагностическая модель состоит из ребра станины статора (1), станины статора (2), воздушного зазора между сердечником и ребристой покрышкой (3), спинки сердечника статора (4), обмотки статора расположенной в пазах (5), пленки односторонней изоляции (6).

В процессе испытаний фиксировались термограммы (рисунок 3, а) реб ристой поверхности станины электрической машины по мере прогревания двигателя вплоть до установления равновесного теплового состояния. В ре зультате обработки термограмм получены гистограммы (рисунок 3, б) рас пределения температуры в локальных точках поверхности станины.

Центральной задачей при оценке величины теплового потока на основе данных количественной термографии является расчет коэффициента тепло отдачи r эксп от поверхности в произвольных точках станины АД. Используя подходы, разработанные в научной школе Ройзена Л.И., Дулькина И.Н. зна чение коэффициента r эксп определяется по соотношению:

mrэксп ст f p rэксп, (1) up где fp, up – площадь и периметр поперечного сечения ребра соответственно;

ст – коэффициент теплопроводности материала станины статора;

mr эксп – коэффициент.

а) б) Рисунок 3 – Термограмма (а) и гистограмма (б) температур поверхности АД Коэффициент mr эксп, определяется по соотношению:

arcch макс мин, mrэксп (2) l* где l * l – высота ребра станины статора.

Превышение температуры в основании ребра станины статора АД макс определяется по соотношению:

макс = tмакс – t0, (3) где t0 – температура окружающей среды;

tмакс – максимальная температура между рёбрами станины статора.

Превышение температуры на конце ребра станины статора мин опре деляется по соотношению:

мин= tмин – t0, (4) где tмин – максимальная температура на конце ребра станины статора.

При оценке величины суммарной плотности теплового потока qs, рас пространяющегося из разогретого сердечника, следует учитывать возможные пути его распространения.

В первом приближении полагается, что тепловой поток распространя ется в станине радиально (по оси r) и продольно (по оси Y), согласно рисун ку 2 и определяется соотношением:

qs = qsr + qsпр, (5) где qsr – величина плотности теплового потока входящего в ребро станины и распространяющегося радиально по оси r;

qsпр – величина плотности теплового потока входящего в ребро станины и распространяющегося продольно по оси Y.

Величина теплового потока qs, входящего в ребро станины и распро страняющегося радиально, рассчитывается по выражению:

rэксп макс qs, (6) k Bi p Bi c thN ст где k ;

Bi p thN Bi c thN ст Вiр, Вiст – коэффициенты Био;

Nр, Ncт – характеристические размеры.

Плотность теплового потока входящего в ребро станины статора АД и распространяющегося продольно определяется по соотношению:

ср i ст П ik mik L q sik i th, (7) А ik где ср i – среднее значение коэффициента теплоотдачи от поверхности ста нины;

Пik, Аik, mik – параметры элемента, характеризующие поверхность стани ны, прилегающие к ее торцам;

L – длина станины статора АД;

ст – коэффициент теплопроводности материала станины статора.

Для расчёта значений линейной плотности теплового потока, распро страняющегося от сердечника статора, линейных термических сопротивле ний основания станины, воздушного зазора, спинки сердечника статора ис пользуется методика, основы которой изложены в работах Лыкова А.В., Лу канина В.Н., Михеева М.А., Исаченко В.П., Сипайлова Г.А., Гурина Я.С.

В конечном счёте определяются значения температуры на каждом слое конструкции АД и температура обмотки в пазу статора.

С целью анализа точности расчётов диагностических параметров тех нического состояния по данным количественной термографии проведены термографические испытания на ряде АД серий АИР, K21R, Smh и др. (мощ ностью от 1,5 до 110 кВт).

Отдельные результаты термографического исследования на основе раз работанной диагностической модели АД АИР80А4У3 представлены на ри сунке 4. Расчетные данные температуры обмотки в пазу статора получены на основе диагностической модели электрической машины на базе количе ственной термографии. Экспериментальные значения измерены термопара ми, установленными в паз сердечника статора. При сравнении расчётных и экспериментальных значений в стационарном тепловом режиме расхождение не превышало 5%.

Для доказательства гипотезы об адекватности значений температуры обмотки статора, полученных на основе диагностической модели электриче ской машины методом количественной термографии, использовался крите рий Фишера (F – критерий). В результате определено, что с вероятностью Р0,95 рассчитанные данные являются адекватными в стационарном тепловом режиме.

t, o C экспериментальные данные 20 расчётные данные 0 20 40 60 Время испытаний, мин Рисунок 4 – Зависимость температуры статорной обмотки АИР80А4У в процессе испытаний С целью доказательства предположения об использовании тепловой диагностической модели АД на основе количественной термографии для расчета температуры обмотки в пазу станины статора при переходных режи мах, в частности, до установления стационарного теплового состояния, про ведены теоретические и экспериментальные исследования различных стадий процесса нагрева АД. Сделаны выводы:

– в процессе нагрева АД обнаруживаются неупорядоченный, регуляр ный и стационарный тепловые режимы;

– в стадии регулярного режима с вероятностью P0,95 значения темпа нагрева обмотки статора и оребренной поверхности между рёбрами станины статора АД одинаковы;

– при регулярном тепловом режиме расхождения данных температуры обмотки статора, рассчитанных на основе диагностической модели электри ческой машины и экспериментальных значений, не превышают 5%.

Представленные выводы доказывают, что по мере нагрева машины, начиная с момента наступления регулярного режима, возможно использова ние тепловой модели АД для расчета температуры обмотки статора на основе метода количественной термографии.

Таким образом, разработанная диагностическая модель электрической машины на основе количественной термографии позволяет оценить темпера туру обмотки в пазу статора до момента наступления стационарного теплового режима. Подобный подход направлен на ускорение диагностики технического состояния электрической машины в процессе эксплуатации под нагрузкой.

Для расчёта температуры различных точек поверхности электрической машины разработана электротепловая модель участка станины статора согласно методу электротепловой аналогии. С этой целью станину условно разбили на сегменты, для которых рассчитаны тепловые сопротивления. Это позволило определить температурное поле поверхности с учетом изменения коэффициен та теплоотдачи в разных точках станины.

На результаты расчёта температуры обмотки статора АД, по данным количественной термографии, оказывают влияние различные параметры, учитываемые в диагностической модели. В результате испытаний выявлены наиболее существенные параметры:

– температура поверхности станины в точке tмакс – X1;

– изменение температуры по высоте ребра t – X2;

– коэффициент теплопроводности материала станины статора ст – X3;

– коэффициент теплопроводности материала пазовой изоляции обмот ки статора и – X4.

Для нахождения функциональной зависимости, описывающей взаимо связь исследуемых параметров и температуры обмотки в пазу статора АД, используется методика полного факторного эксперимента второй степени для четырех параметров. В результате рассчитана функциональная зависимость:

Y = 89,148+0,029X1+1,332X2–0,396X3–2,845X4+0,015X1X2+0,033X1X3+ +0,055X2X3+0,007X2X4–0,015X3X4–0,053X12–0,023X22+0,044X32+ 0,519X42 (8) Расхождения расчётных данных температуры обмотки АД, полученные на основе модели электрической машины на базе количественной термографии, и значений, рассчитанных на основе уравнения (8), составляют до 0,23%.

Для анализа влияния параметров, учитываемых в модели на результаты расчёта, используя уравнение (8), построены графики зависимости температуры обмотки статора АД от исследуемых параметров (рисунок 5). В результате ана лиза представленных данных сделан вывод, что наибольшее влияние на расчет значения температуры статорной обмотки электрической машины оказывает коэффициент теплопроводности материала пазовой изоляции и.

а) б) Рисунок 5 – Зависимости температуры ста торной обмотки tоб от различных факторов.

На основании проведённых теоретиче ских и экспериментальных исследований разработан и зарегистрирован патент «Спо соб теплового контроля температуры обмо ток электрических машин», основанный на определении температуры обмотки статора электрической машины по зафиксированной интенсивности оптического излучения с по мощью тепловизионного приёмника.

Создана программа «Расчёт температу ры обмотки по данным количественной термографии». Использование про граммы позволяет произвести расчет температуры обмотки АД по данным ко личественной термографии на основе учета конструкционных особенностей АД, свойств металлов, величины нагрузки, температуры окружающей среды, коэффициента излучательности.

Для организации проведения термографического контроля, обработки результатов, анализа и составления заключения о техническом состоянии электрооборудования отдельных предприятий рыбопромышленного ком плекса разработаны и внедрены в производственный процесс ОАО «Мурман ский морской торговый порт» «Методические рекомендации термографиче ского контроля технического состояния электрооборудования портальных кранов».

В третьей главе (Анализ показателей эксплуатационной надёжности электрооборудования предприятий АПК на базе количественной термогра фии) предложена методика и рассчитаны параметры эксплуатационной надёжности объектов исследования по данным, полученным в результате ди агностики на основе количественной термографии.

Для решения задачи «прогноза» и расчёта показателей эксплуатацион ной надёжности электрооборудования морского порта автором разработана методика статистической обработки массива данных дефектов, полученных на основе количественной термографии.

В результате периодических обследований электрооборудования пор тальных кранов и электрических сетей в порту г. Мурманска в период с г. по 2012 г. накоплен массив данных дефектов.

Обработка результатов обследований электрооборудования по данным количественной термографии позволила рассчитать параметры эксплуатаци онной надежности объектов исследования.

Например, анализ представленных на рисунке 6 данных, показал, что для исследуемой выборки АД электропривода портальных кранов экспери ментальные значения вероятности безотказной работы R(t) лежат в пределах 0,966 – 0,995;

для исследуемой выборки контактных соединений ТП 6/0,4 кВ значения R(t) лежат в пределах 0,994 – 0,999.

R (t ) 0, 0, 0, 0, 0, 0 10 20 Срок эксплуатации, мес.

а) б) Рисунок 6 – Зависимость экспериментальных значений вероятности безотказной работы R от времени:

а) асинхронных двигателей;

б) контактных соединений ТП 6/0,4 кВ Для оценки периодичности обследований электрооборудования рассчи таны и представлены на рисунке 7 значения накопления отказов n в течение календарных месяцев. С целью определения, являются ли полученные зави симости n(t) линейными, рассчитаны коэффициенты линейной корреляции Пирсона. В результате доказана линейная зависимость количества дефектов n от времени исследования. Следовательно, представленные на рисунке 7 ли нии тренда, позволяют рассчитать количество новых дефектов за необходи мый период времени. В результате обоснована периодичность повторных термографических обследований элементов электрооборудования.

n (t ) n (t ) n = 0,27t n = 0,4833t 0 20 40 60 0 10 20 Срок эксплуатации, мес.

Срок эксплуатации, мес.

а) б) Рисунок 7 – Накопление дефектов n со временем:

а) асинхронных двигателей;

б) контактных соединений ТП 6/0,4 кВ В частности, для исследуемой выборки АД электропривода портальных кранов термографическое обследование необходимо проводить с периодич ностью не реже одного раза в два месяца;

для исследуемой выборки ТП 6/0, кВ с периодичностью не реже одного раза в 3 месяца.

В результате анализа накопленных данных дефектов электрооборудо вания морского порта, используя критерий Колмогорова, Мизеса, Смирнова подтверждена гипотеза об экспоненциальном характере функции распреде ления вероятности безотказной работы и гипотеза об однородности выборок данных дефектов. Это позволяет проводить совместную обработку данных по надежности элементов электрооборудования АПК, относящихся к много образным объектам, эксплуатирующихся при неодинаковых условиях и нагрузках в различные годы.

В частности, рассчитаны и представлены на рисунке 8 функции рас пределения пуассоновского потока дефектов F*(t), F(t), а также значения рас хождения D(t). С уровнем значимости 0,0005 для исследуемой выборки ТП 6/0,4 кВ для расчета параметров эксплуатационной надежности контактных соединений могут быть использованы теоретические функции пуассоновско го потока отказов и распределения вероятности безотказной работы в виде F(t) = 1 exp( 0,00228t), P(t) = exp( 0,00228t).

Для анализа эффективности внедрения элементов системы диагностики технического состояния электрооборудования на базе количественной термо графии рассчитаны значения гамма-процентного ресурса исследуемой вы борки АД электропривода портальных кранов, коммутирующей аппаратуры и контактных соединений ТП 6/0,4 кВ морского порта г. Мурманска.

F (t ), 0, F *(t ), 0, D (t ) 0, 0, 0, 0, 0 20 40 Срок эксплуатации, мес.

Рисунок 8 – Функции распределения наработки до отказа (объект: контактные соединения исследуемой выборки ТП):

1 – F*(t);

2 – F(t);

3 – D(t) На рисунке 9 представлены графики экспериментальных функций ве роятности безотказной работы АД. До внедрения элементов системы (рису нок 9, кривая 1) 50% наработка до отказа для исследуемой выборки АД со ставила 32 месяца. Регулярные термографические обследования позволили обнаруживать дефекты на ранней стадии развития и увеличить 50% наработ ку до отказа до 40 месяцев (рисунок 9, кривая 2).

В результате проведённых исследований сделан вывод, что применение элементов системы диагностики электрооборудования на базе количествен ной термографии привело к:

– снижению потока дефектов (t) асинхронных двигателей с 0, мес. до 0,01763 мес.-1;

- – повышению ресурса асинхронных двигателей в 1,25 раза;

коммути рующей аппаратуры в 1,2 раза;

– расчёту закона распределения параметров эксплуатационной надёж ности КС ТП 6/0,4 кВ.

P (t ) 0, 0, 0, 0 10 20 30 40 50 Срок эксплуатации, мес.

Рисунок 9 – Зависимость P(t) дефектов асинхронных двигателей:

1 – ср 0,02179 мес.-1;

2 – ср 0,01763 мес-1.

Полученные в результате исследования данные дают возможность ре шать задачу «прогноза» технического состояния и позволяют:

– определять параметры эксплуатационной надежности электрообору дования;

выявлять их особенности, тенденции развития;

– планировать, изменять структуру и объёмы ремонтных работ в зави симости от текущего технического состояния электрооборудования инфра структуры АПК;

– увеличить время безаварийной эксплуатации объектов.

В четвёртой главе (Экономический эффект технической диагностики электрооборудования предприятий АПК на базе количественной термогра фии) представлен расчет экономического эффекта от внедрения в производ ственный процесс отдельных предприятий элементов системы технической диагностики электрооборудования по данным количественной термографии.

При расчёте экономического эффекта учитывались затраты на обеспе чение производства и производительность работ. В результате внедрения и использования элементов системы диагностики на базе количественной тер мографии были получены расчёты экономического эффекта, подтверждённые актом от предприятия ОАО «Мурманский морской торговый порт»:

– при обследовании технического состояния элементов электропривода портальных кранов морского порта экономический эффект составил 585,4 тыс.

рублей в год;

– при обследовании элементов электрических сетей морского порта экономический эффект составил 240 тыс. рублей в год;

– при обследовании элементов теплоэнергетического оборудования экономический эффект составил 107,9 тыс. рублей в год.

Как показал анализ расчета с учётом выявленных повреждений, эконо мический эффект достигается за счёт оптимизации режимов эксплуатации в соответствии с техническим состоянием, уменьшением общего числа повре ждений и ремонтов, в том числе аварийных, снижения затрат на ремонтно восстановительные работы.

Общие выводы 1. Статистической обработкой данных отказов электрооборудования предприятий АПК подтверждено положение об ухудшение их технического состояния. Установлено, что по причине дефектов коммутирующей аппара туры происходит 40,6% от общего числа отказов;

по причине дефектов асин хронных двигателей 19,3%. Обоснована необходимость внедрения нового инженерного метода диагностики технического состояния электрооборудо вания АПК по данным количественной термографии.

2. Разработаны и теоретически обоснованы элементы системы кон троля технического состояния электрооборудования предприятий АПК на базе количественной термографии, включающие регламент термографиче ских обследований, диагностическую модель, метод статистической обра ботки полученных данных. Подобный подход позволяет решать задачи «диа гноза» и «прогноза» технического состояния электрооборудовании АПК на базе количественной термографии.

3. Для решения задачи «диагноза» создана тепловая диагностическая модель асинхронного двигателя на базе количественной термографии. Экс периментально установлено, что использование модели позволяет рассчитать температуру обмотки статора электрической машины с точностью 5%.

4. На основании разработанного метода и экспериментальных исследо ваний зарегистрирован патент №2455657 МПК G01R35/00 «Способ теплово го контроля температуры обмоток электрических машин». Использование указанного метода позволяет оперативно и дистанционно получать информа цию о техническом состоянии обмоток асинхронного двигателя в процессе эксплуатации под нагрузкой.

5. Для решения задачи «прогноза» разработана методика статистиче ской обработки данных и определена периодичность термографических об следований электрооборудования предприятиях АПК. Выявлено, что для ис следуемой выборки асинхронных двигателей экспериментальные значения вероятности безотказной работы R(t) лежат в пределах 0,966 – 0,995, термо графические обследования необходимо проводить с периодичностью не реже одного раза в два месяца. Для исследуемой выборки контактных соединений ТП 6/0,4 кВ значения R(t) лежат в пределах 0,994 – 0,999, термографические обследования необходимо проводить с периодичностью не реже одного раза в 3 месяца.

6. Выполненные в диссертации разработки, в том числе патент №2455657 МПК G01R35/00 и программа для ЭВМ № 20116165, были внед рены в производство ОАО «Мурманский морской торговый порт», что поз волило увеличить ресурс работы электрооборудования в 1,25 раза.

7. Экономическая оценка результатов внедрения метода количествен ной термографии в производство ОАО «Мурманский морской торговый порт» обеспечило сокращение производственных затрат в размере 585,4 тыс.

рублей в год для подъёмно-транспортного оборудования;

240 тыс. рублей в год для объектов электрических сетей;

107,9 тыс. рублей в год для объектов теплоэнергетики.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах Статьи, опубликованные в журналах, рекомендуемых ВАК 1. Мухин, Е.А. Оценка технического состояния электрооборудования судов методом тепловизионной диагностики /А.Б. Власов, Е.А. Мухин// Экс плуатация морского транспорта – 2010. – №3 (61). – С. 66-69.

2. Мухин, Е.А. Применение тепловизионной диагностики для оценки теплового состояния электрооборудования и температуры обмотки судовых электродвигателей /А.Б. Власов, Е.А. Мухин// Вестник МГТУ: Труды Мур ман. гос. техн. ун-та. – 2010. – Т. 13, №4/2. – С. 937 – 941.

3. Мухин, Е.А. Статистический анализ повреждений электрооборудо вания портальных кранов /А.Б. Власов, Е.А. Мухин// Вестник АГТУ: Мор ская техника и технология. – 2011. – №1. –С. 23 – 27.

4. Мухин, Е.А. Методика расчета температуры обмоток электрической машины на основе количественной термографии /А.Б. Власов, Е.А. Мухин// Вестник МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2011. – Т. 14, №4. – С. – 680.

5. Мухин, Е.А. Тепловой анализ электрической машины на основе теп ловизионной диагностики /А.Б. Власов, Е.А. Мухин// Эксплуатация морского транспорта – 2012. – №1 (67). – С. 54 – 57.

6. Мухин, Е.А. Факторный анализ диагностической модели тепловизи онного контроля электрической машины /А.Б. Власов, Е.А. Мухин, Б.Д. Ца рёв// Вестник МГТУ: труды Мурман. гос. техн. ун-та. – 2013. – Т. 16, №1. – С. 46 – 51.

Другие научно-технические работы 7. Мухин, Е.А. Расчёт температуры обмотки по данным количествен ной термографии / А.Б. Власов, Е.А. Мухин, Б.Д. Царёв// Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 20116165 регистр.

24.07.2011 Рос. агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2011 г.

8. Пат. 2455657 Российская Федерация, МПК G 01 R 35/00. Способ теп лового контроля температуры обмоток электрических машин / Мухин Е.А., Власов А.Б.: заявитель и патентообладатель МГТУ. Заявка №2011110026/ 28(014596);

заявл. 16.03.2011, опубл. 10.07.2012., бюлл. № 19.

9. Мухин, Е.А. Предупреждён – значит вооружён / А.Б. Власов, Е.А.

Мухин, Б.Д. Царёв // Энергонадзор – 2010. – №8 (17). – С. 23 – 25.

10. Мухин, Е.А. Новый метод. Откажет – не откажет / А.Б. Власов, Е.А.

Мухин // Энергонадзор – 2010. – № 9 (19). – С. 42 – 44.

11. Мухин, Е.А. Пирометрическое определение технического состояния электротехнического комплекса судов / Е.А. Мухин // «Наука. Технологии.

Инновации»: Материалы всероссийской науч. конф. мол. учёных / НГТУ. – Новосибирск, 2010. – Ч.2. – С. 237 – 239.

12. Мухин, Е.А. Тепловизионная диагностика состояния обмотки элек трической машины / Е.А. Мухин // «Научно-практические исследования и про блемы современной молодёжи»: Труды II межд. мол. науч.-практ. конф. / Ела бужский филиал КГТУ им. А.Н. Туполева. – Елабуга, 2010. – Т.1. – С. 164 – 166.

13. Мухин, Е.А. Оценка теплового состояния / А.Б. Власов, Е.А. Мухин // Энергонадзор – 2011. – № 2 (20). – С. 24 – 26.

14. Мухин, Е. А. Метод статистический обработки отказов электрообо рудования на объектах морского транспорта / Е. А. Мухин // МНТК «Наука и образование – 2011». [Электронный ресурс] / Материалы международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2011» – электрон.

текст подг. ФГОУВПО "МГТУ". С. 1009 – 1013.

15. Мухин, Е.А. Дистанционное определение температуры статорной обмотки асинхронного двигателя / Е.А. Мухин // Материалы XLIX МНСК «Студент и научно-технический прогресс» / НГУ. – Новосибирск, 2011. – Физика. – С. 11.

16. Мухин, Е.А. Тепловая модель асинхронного двигателя на основе количественной термографии / Е.А. Мухин // Материалы VII международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и тех ники - 2011» / Наука и образование. – Przemysl, Poland 2011. – Технические науки. – С. 7 – 11.

17. Мухин, Е.А. Расчёт температуры статорной обмотки асинхронного двигателя по данным количественной термографии / Е.А. Мухин // Материа лы научной конференции профессорско-преподавательского состава, науч ных сотрудников и аспирантов СПбГАУ «Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования» / СПбГАУ – Санкт-Петербург-Пушкин, 2012. – С. 322 – 325.

18. Мухин, Е.А. Анализ термографирования электрической машины при помощи электротепловой модели станины / Е. А. Мухин, Б. Д. Царёв // МНТК «Наука и образование – 2012». [Электронный ресурс] / Материалы международной научно-технической конференции «Наука и образование – 2012» – электрон. текст подг. ФГОУВПО "МГТУ". С. 907 – 910.

19. Мухин, Е.А. Оценка надёжности оборудования портальных доко вых кранов методом тепловизионной диагностики /Е.А. Мухин // Научно техническая конференция по строительной механике корабля, посвящённая памяти профессора П.Ф. Папковича / ФГУП «Крыловский государственный научный центр». – Санкт-Петербург, 2012. – С.99 – 100.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.