Способ теплового контроля температуры обмоток электрических машин

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при оперативном контроле технического состояния электрических оребренных машин. Технический результат - упрощение оценки плотности теплового потока при сохранении достоверности измерений. Для достижения результата с помощью тепловизионного приемника определяют температуру станины электрической машины между ребрами у их основания t_макс и температуру поверхности окончаний ребер t_мин. Затем рассчитывают плотность теплового потока q_s., отходящего от обмотки к поверхности станины у основания ее ребер. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в процессе тепловых испытаний электрических машин.

Разработанный способ может быть использован в энергетике.

Известны прямые и косвенные способы для определения температуры обмотки статоров электрических машин.

На основе прямых способов производят непосредственное измерение температуры обмоток с использованием термокрасок, контактных термопар, терморезисторов, термометров, устанавливаемых в участках поверхности, прилегающих в пазах статора. Например, при измерениях методом термометра согласно ГОСТ 11828-86 температуру фиксируют термометром, который прикладывают к доступным местам, например поверхности лобовой обмотки статора электрической машины.

Использование термопар, терморезисторов, термоиндикаторов не дает достаточно достоверного результата, поскольку с их помощью оценивают только температуру поверхности обмотки электрической машины. Кроме того, затруднено крепление перечисленных индикаторов к поверхности обмотки машины.

Для определения неповерхностной (внутренней) температуры обмоток используют способ оценки температуры обмотки путем оценки ее сопротивления в холодном и разогретом состояниях (Проектирование электрических машин: учеб. для вузов / И.П.Копылов, Б.К.Клоков, В.П.Морозкин, Б.Ф.Токарев; Под ред. Копылова. - 3-е изд. испр. и доп. - Высш. шк. 2002. - 757 с.). Недостатком данного способа является то, что для оценки температуры обмотки путем измерения ее сопротивления в горячем и холодном состояниях необходимо отключать электрическую машину из эксплуатации.

Косвенный способ предполагает расчет значений температуры обмоток в пазах статора электрической машины по известным методикам на основе определяемого в процессе испытаний значения поверхностной плотности теплового потока q_s, отходящего от станины (Сипайлов Г.А., Д.И.Санников, В.А.Жадан. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. - М.: Высш. шк. 1989. - 239). Подобный метод предполагает контроль величины тепловых потерь в процессе эксплуатации машины.

Для оценки теплового состояния обмоток электрических машин актуальным является оценка плотности теплового потока непосредственно в процессе эксплуатации. Это необходимо для целей оперативной диагностики и вывода из эксплуатации электрических машин, имеющих температуру обмоток, превышающую предельные температуры, определяемые классом нагревостойкости изоляции, для последующего метрологического контроля.

Величина поверхностной плотности теплового потока q_s может быть оценена различными способами, например, установкой на поверхность изоляции обмотки контактных датчиков теплового потока, измеряющих значение q_s в отдельных участках поверхности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является принятый за прототип способ теплового контроля характеристик трансформаторов напряжения (Пат. РФ №2291455. опубл. 27.10.2005). Способ основан на том, что условно разбивают поверхность трансформатора на равные участки и определяют с помощью тепловизионного приемника температуру каждого участка, затем рассчитывают тепловой поток каждого участка и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток, характеризующий тепловые потери и определяющий значения погрешностей измерений. Недостаток способа состоит в трудоемкости расчета величины суммарного теплового потока, отходящего от всей боковой поверхности трансформатора.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении оценки плотности теплового потока при сохранении достоверности технической диагностики.

Для достижения указанного технического результата в способе теплового контроля температуры обмоток электрических машин, основанном на измерении с помощью тепловизионного приемника интенсивности оптического излучения обмотки, находящейся под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, и на определении температуры поверхности обмотки по зафиксированной интенсивности оптического излучения, определяют температуру станины электрической машины между ребрами у их основания t_макс и температуру поверхности окончаний ребер t_мин, рассчитывают плотность теплового потока q_s., отходящего от обмотки к поверхности станины.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему являются следующие:

сначала измеряют температуру станины электрической машины между ребрами у их основания t_макс, затем температуру поверхности окончаний ребер t_мин, после этого рассчитывают плотность теплового потока q_s., отходящего от обмотки к поверхности станины.

Наличие этих признаков позволяет существенно упростить оценку плотности теплового потока при сохранении достоверной оценки состояния электрической машины.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, представленным на фигуре.

На фиг. схематично представлено взаимное расположение поверхности станины с ребрами испытуемой электрической машины и тепловизионного приемника, так называемого тепловизора.

Позиции на чертеже: 1 - ребра станины 2; 3 - воздушный зазор между станиной 2 и статором 4; 5 - пазы с обмоткой статора 4; 6 - тепловизионный приемник; 7 - ЭВМ; 8 - теплограмма; 9 - гистограмма распределения температуры.

В процессе эксплуатации электрических машин в обмотке рассеивается активная мощность тепловых потерь, которые, в конечном счете, обуславливают ее нагрев и отвод тепла от нее через спинку статора, станину и ребра станины.

Потери мощности, выделяемые в объеме обмотки статора электрической машины, определяют величину теплового потока, который выходит через поверхность ребристой станины электрической машины.

В процессе работы изменение температуры поверхности станины 2 с ребрами 1 контролируют с помощью тепловизионного приемника 6 - прибора, регистрирующего излучение от объекта и определяющего температуру одновременно во всех точках поверхности станины 2 в режиме реального времени. В процессе испытаний производят непрерывный контроль температуры в любой точке поверхности станины 2 с ребрами 1 по мере разогрева электрической обмотки машины.

Испытание проводят при температуре окружающей среды t₀. Ребра 1 нагреваются выходящим тепловым потоком q_s. По мере разогрева поверхности изменяется интенсивность теплового излучения, исходящего от поверхности. Сканер тепловизионного приемника 6 регистрирует инфракрасное излучение как от поверхности станины 2 между ребрами 1 у их основания с температурой t_мах, так и от окончаний ребер 1 с температурой t_мин. Видеосигнал от сканера тепловизионного приемника 6 поступает в ЭВМ 7 для хранения информации и ее дальнейшей обработки. Тепловизионное изображение представляют в виде цветной (или черно-белой) теплограммы 8, цветовая гамма (или оттенки серого цвета) которой соответствует определенным значениям температуры любой точки поверхности ребер 1 в фиксированный момент времени. С помощью ЭВМ 7 значение температуры каждой точки теплограммы 8 поверхности может быть оценено с точностью до 0,1°С.

По мере разогрева поверхности за счет протекания тока в обмотке статора 4 происходит фиксация тепловых изображений ребер 1, информация о которых сохраняется в памяти ЭВМ.

Путем обработки теплограммы 8 на ЭВМ 7 рассчитывают температуру любой точки поверхности, в том числе между ребрами 1 и на поверхности окончания ребра 1.

Если обмотки в пазах 5 статора 4 обладают анизотропией тепловых свойств или в конструкциях обмотки имеются, например, внутренние дефекты, то распределение температуры в различных участках поверхности будет неидентичным.

Плотность теплового потока q_s, подходящего к несущей стенке толщиной δ_ст с ребрами 1 высотой l, толщиной δ, расстоянием между ребрами s, периметром u, площадью поперечного сечения f, коэффициентом теплопроводности λ ребер 1 станины 2, оценивают следующим образом.

Для оценки плотности теплового потока q_s, подходящего к внутренней поверхности основания станины 2, используют выражение (Ройзен Л.И, Дулькин И.Н. Тепловой расчет оребренных поверхностей / под ред. В.Г.Фастовского. - М.: Энергия, 1977. - 256 с.):

где Bi=αδ/2λ; Bi_ст=αδ_ст/2λ; N_ст=(s/2)(α/λδ_ст)^1/2; N=l(2α/λδ_ст)^1/2,

α - коэффициент теплоотдачи.

По мере распространения теплового потока (ось у) от основания ребра 1 к его окончанию температура поверхности ребра 1 уменьшается от значения t_макс до t_мин.

Распространение теплового потока через ребро прямоугольной формы описывается известным соотношением:

где m=(αu/λ_рf)^0,5.

Значения t_макс и t_мин оценивают в процессе тепловизионного испытания, далее рассчитывают отношение, величину ch(mh) и экспериментальное значение m. Затем рассчитывают экспериментальные значения коэффициента теплоотдачи α на поверхности ребер 1 в исследуемой области поверхности: α=m²λf/u и при известных геометрических параметрах ребер - значения Bi, Вi_ст, N, N_ст.

Окончательно, на основе соотношения (1) рассчитывают плотность теплового потока q_s, подходящего к основанию станины 2.

По сравнению с известным способом существенно упрощена оценка плотности теплового потока при сохранении достоверности оперативного контроля и диагностики технического состояния электрических машин непосредственно в процессе их эксплуатации

Способ теплового контроля температуры обмоток электрических машин, основанный на измерении с помощью тепловизионного приемника интенсивности оптического излучения обмотки, находящейся под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, и на определении температуры поверхности обмотки по зафиксированной интенсивности оптического излучения, отличающийся тем, что определяют температуру станины электрической машины между ребрами у их основания t_макс и температуру поверхности окончаний ребер t_мин, рассчитывают плотность теплового потока q_s., отходящего от обмотки к поверхности станины.