Оценка остаточного ресурса электрооборудования по физическим характеристикам

Введение. Направления развития эффективной системы технического сервиса электрооборудования изложены в концепции развития электрификации села, которые предусматривают решение ряда неотложных проблем по повышению надежности сельских электроустановок. Большое внимание уделено повышению эффективности использования электрооборудования, направленное на снижение интенсивности отказов, продление сроков службы электрооборудования и сокращение длительности простоев технологических процессов. Разработка новых методов построения эффективной системы технического сервиса и повышения эксплуатационной надежности электрооборудования необходима также в связи с ростом цен на энергоносители и электротехническое оборудование. Повышение эксплуатационной надежности применяемого электротехнического оборудования и уровня организации его технического сервиса обеспечивает и гарантирует устойчивость выполнения технологических процессов при снижении затрат на поддержание электроустановок в работоспособном состоянии [1,2, 3].

Все электротехнические изделия рассчитаны на определенный предусмотренный техническими условиями запас работоспособности - ресурс. Полный ресурс - наработка электротехнического изделия за весь срок службы до конца эксплуатации. Запас работоспособности по мере использования изделия уменьшается и завершается переходом в предельное состояние, после чего эксплуатация заканчивается или прерывается до восстановления в процессе ремонта. Остаточный ресурс - наработка электротехнического изделия от рассматриваемого момента времени до отказа невосстанав-ливаемого электротехнического изделия или до капитального ремонта восстанавливаемого [4].

Результаты и их обсуждение. Скорость расходования ресурса электротехнического изделия зависит от его конструкции, качества примененных материалов, изготовления и монтажа, уровня эксплуатации. Оценку остающихся возможностей безаварийного функционирования и решение вопроса о дальнейшей судьбе электротехнического изделия по завершении определенного периода его эксплуатации можно выполнить путем расчета остаточного ресурса в виде наработки в часах «чистого» рабочего времени электротехнического изделия либо срока службы в годах или месяцах, учитывающего изнашивание электротехнического изделия и в технологических паузах, т.е. в неработающем состоянии.

Наработку следует рассчитывать для электротехнических изделий, применяемых на ремонтных заводах и в механических мастерских, гаражах, котельных. Для изделий, работающих на животноводческих объектах, насосных станциях, в кормоцехах, парниках и теплицах, комплексах по переработке навоза и протравливанию семян, на складах химикатов и удобрений, станциях по приготовлению рабочих жидкостей, необходимо определять остаточный срок службы, поскольку в них оборудование изнашивается непрерывно под воздействием высокой влажности, агрессивной среды и других дополнительных неблагоприятных факторов [4].

Электрифицированные технологические линии сельскохозяйственного производства комплектуются электрооборудованием, которое изнашивается со временем в разной степени. В результате этого по окончании определенного периода эксплуатации уровень надежности каждого элемента и всей технологической линии может принять различные значения. Во избежание неожиданных отказов электрифицированной техники необходимо заранее оценить возможный срок ее выхода из строя и заблаговременно предусмотреть меры по предотвращению простоев оборудования.

Для этих целей разработана методика оценки остаточного ресурса электрооборудования и показателей остаточной надежности, позволяющая в условиях сельскохозяйственных предприятий спрогнозировать на основе данных диагностики изменение технического состояния и выход из строя электроустановок, работающих в различных условиях эксплуатации.

Оценка остаточного ресурса электрооборудования осуществляется с целью:

• -    прогнозирования длительности безаварийной работы;

• -    определения дальнейшей техникоэкономической целесообразности использования после завершения определенного периода функционирования:

• -    совершенствования конструкции электротехнических изделий и применяемых при их изготовлении материалов и технологий;

• -    оптимизации показателей эксплуатации, использования, ремонта и хранения;

• -    обоснования номенклатуры и объема резервного и обменного фондов электрооборудования и его комплектующих (запасных элементов);

• -    обоснования требований по надежности разрабатываемой и модернизируемой электрифицированной сельскохозяйственной техники;

• -    выявления наиболее ненадежных участков электрифицированных производственных линий и выбора целесообразных способов устранения недостатков.

Остаточный ресурс может оцениваться не только при помощи информации, полученной по результатам обработки статистических данных по отказам электрооборудования, но и по физическим характеристикам расходования ресурса (параметрам состояния). Этот метод наиболее эффективен для контроля технического состояния при организации оптимальной эксплуатации электрооборудования сельскохозяйственных предприятий. Предполагаются регулярные эксплуатационные измерения и наблюдения либо специальные испытания в течение достаточно длительного времени, в результате чего выявляется характер и скорость изменения во времени физической характеристики (сопротивления изоляции, тока утечки, степени окисления контактов, величины зазора и т.д.). Получив такие данные и сравнивая их с эталонными или нормируемыми предельными значениями, можно оперативно определить срок возможного достижения этого предельно допустимого состояния электротехническим изделием [5, 6, 7].

Прогнозирование технического состояния электротехнического изделия может осуществ ляться на основе анализа процессов деградации как непосредственно основных его элементов (степень физического износа), так и качественных параметров всего электротехнического изделия (технических характеристик - функциональных показателей). В зависимости от поставленной задачи оценивается изменение внутреннего состояния (зазоры, геометрические размеры сопряжений, растворов контактов, состояние трущихся или контактных поверхностей, микро- и макротрещины в изоляции, изломы проводников, ослабление затяжки и т.п.) либо технологических параметров электротехнического изделия (величины коэффициентов полезного действия и мощности, максимально допустимый рабочий ток, мощность, крутящий момент, интенсивность светового или теплового потока и др.), которые определяют потребительские качества электротехнического изделия и возможность его использования.

При этом используются типовые математические методы: регрессионный анализ, основанный на экстраполяции результатов измерений, когда будущие значения измеряемого физического показателя оцениваются по результатам предыдущих измерений, а в научных исследованиях - динамические модели и неопределенные функции. Изменение контролируемой физической характеристики во времени может происходить с постоянной или меняющейся скоростью [7, 8, 9,10].

На рисунке 1 схематично представлен график изменения физической характеристики.

Рисунок 1 - График изменения физической характеристики

В этом случае для оценки остаточного ресурса R применяется следующее выражение:

„ _I(ph^-a)I(W-1)a^

I                                                      >

Еі^я-д)!

і=і где ^и- интервал времени, через который производится измерение физической характеристики;

N - число измерений физической характеристики с момента монтажа электротехнического изделия;

Р_прю- предельно допустимое значение контролируемой физической характеристики;

р,, р_м, р_т - значение физической характеристики в предыдущем, последующем и последнем измерении кр_г-Рх = Рз~ Р -X

Из выражения (1) следует, что остаточный ресурс (наработка или срок службы) электротехнического изделия при относительно равномерном его износе определяется частным от деления разности между предельным значением р_пре6ъ /?_гна среднюю скорость изменения изучаемой физической характеристики, которая равна:

R(t) = [0,5 (0,08 - 0,05) (4-1)] / [0,03 -

Таким образом, подшипники наблюдаемого электродвигателя смогут безотказно проработать еще 1,5 года.

Применяемые в сельскохозяйственном производстве электротехнические изделия (электродвигатели, магнитные пускатели, автоматические выключатели, светильники, облуча-тельные и нагревательные устройства, электропроводка, погружные электронасосы и т.д.) как в целом, так и их элементы эксплуатируются до предельного состояния, определяемого соответствующими нормами и ГОСТами.

В случае значительного расхождения во времени скорости изменения контролируемого параметра предложен способ эксплуатационного контроля состояния изоляции и прогнозирования ресурса обмоток электродвигателей по графическим зависимостям, которые построены на основании выявленных закономерностей по полученным эмпирическим уравнениям, для

Й^-АяР^^-С-/-1

где (N-1) - число интервалов измерений.

Если в результате вычислений по выражению (1) получается отрицательное значение R?, то это свидетельствует об уменьшении значения физической характеристики электротехнического изделия с течением времени (например, снижение сопротивления изоляции). Положительное значение к_г указывает на её рост (например, увеличение размера зазора в подшипнике). Поэтому целесообразнее брать абсолютное значение разности р как в числителе, так и в знаменателе.

Пример. Измерением при помощи датчика линейных перемещений величины радиального зазора в шарикоподшипниках электродвигателя 4А132М4УЗ мощностью 11 кВт на 1500 Имин, через каждые полгода получены следующие результаты в мм: pi=0,02, р2=0,03, рэ=0,04, Р4=0,05. Оценить остаточный ресурс подшипников указанного эле продвигателя.

Решение. Как видно из результатов измерения, скорость возрастания зазора постоянна, при этом: Дг_я = 0,5 года, р_прей = 0,08 мм, N=4, р_г =0,05 мм. Подставляя в нее значения параметров, получаем

|,02) + (0,04 - 0,03) + (0,05 - 0,04)] = 1,5 года.

заданного сочетания эксплуатационных факторов: температуры, влажности, концентрации в воздухе агрессивных примесей и числа пусков эле продвигателей в сутки, исходя из первоначальной величины сопротивления изоляции [7]. По этим графическим зависимостям для известного сочетания эксплуатационных фапоров определяют в процессе прапической эксплуатации ожидаемое сопротивление изоляции и ресурс обмоток элепродвигателей на данный момент времени, на основании которых принимают решение о продолжении использования в работе, проведении мероприятий по техобслуживанию, ремонту или замене электродвигателей.

На рисунке 2 представлена в общем виде зависимость для определения величины сопротивления изоляции Z и прогнозирования ресурса обмоток в процессе эксплуатации электродвигателей.

R - полный; Rn - использованный; Ro-остаточный ресурс Рисунок 2 - Зависимость для определения сопротивления изоляции и прогнозирования ресурса обмоток электродвигателей

Наиболее распространенными и значимыми электротехническими изделиями являются асинхронные электродвигатели. В них чаще всего выходят из строя обмотки и подшипниковые узлы. Изоляция обмотки считается нормальной, если её сопротивление, измеренное мегаомметром, не менее 0,5 Мом, а в погружных электронасосах - 5 Мом. Состояние подшипников оценивается измерением их температуры (максимальная рабочая температура не должна превышать температуру окружающего воздуха более, чем на 45-50 °C, при этом абсолютное ее значение - не выше 80 °C) или величиной радиального зазора.

Сопротивление изоляции не менее 0,5 Мом должно быть также у светильников, в электропроводках между проводами (жилами) и по отношению к земле, измеренное мегаомметром на участке между смежными предохранителями или автоматами и за последним предохранителем (автоматом). У большинства электронагревательных устройств (для некоторых из них в инструкциях заводов-изготовителей указываются свои цифры) значения сопротивления изоляции, например, для трубчатых нагревательных элементов относительно корпуса -1 Мом. Для катушек магнитных пускателей при температуре 20 °C, катушек реле, средств автоматизации, датчиков, облучательных установок, электрообогреваемых полов, коммутационной аппаратуры (выключателей, переключателей, контроллеров и т.п.), если в заводских инструкциях на них не указаны иные значения, то принимаются значения не менее 1 Мом.

Выводы. Информация по остаточному ресурсу электротехнических изделий позволяет спланировать электротехническим службам выезды на соответствующие объекты в нужное время, имея при себе инструменты, приборы, а также необходимые в данный момент запасные части, элементы и материалы. Это позволяет владельцам техники спрогнозировать ожидаемую длительность её безаварийной работы, уточнить номенклатуру запасных частей резервного фонда, материалов и сроки их приобретения, предусмотреть средства на предстоящие профилактические мероприятия, а также упредить преждевременный выход электрооборудования из строя, обеспечить экономию средств, времени и трудозатрат.