Влияние состояния электрической изоляции на отказы электромеханических систем.

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что состояние ЭИМ и их параметров (сопротивление изоляции, пробивное напряжение, меха­ническая прочность и др.) в существенной мере определяет безотказ­ность многих ЭМС.

Наибольшее влияние на характеристики ЭИМ оказывают теплота, выделяемая при работе ЭМС, и различные механические воздействия.

Температурные аномалии, предшествующие отказу ЭМС, могут иметь однократные отклонения характерных температур за допустимые пре­делы, многократные циклические колебания температур в пределах их допустимых значений, однократные или многократные нагревы (охла­ждения) материалов с недопустимо большой скоростью.

На рис. 37 приведена графическая иллюстрация всех трех указан­ных выше характерных изменений нагрева ЭМС в процессе работы. В нервом случае (участок 1) имеет место большая скорость повышения температуры dΘ/dt > (dΘ/dt)доп.

 

Рис. 37. Изменение одного из параметров, определяющих отказ

При этом в ЭИМ могут возникать высокие температурные гради­енты и, как следствие, недопустимые термические напряжения в ди­электрике. Отказ в этом случае обусловлен появлением трещин в ЭИМ.

Па участке 2 отмечаются многократные циклические колебания напряжений, усталостные явления со снижением пластичности и проч­ности ЭИМ. Термические напряжения на участке 2 меньше, чем на пре­дыдущем участке, однако причины отказа аналогичные.

На участке 3 показана ситуация, когда резкое повышение темпера­туры за пределы допустимого значения ΘПР приводит к разрушению ЭИМ, то есть к отказу.

В рассмотренном примере тепловыми параметрами, определяю­щими надежность ЭМС, явились температура Θ, скорость ее изменения dΘ/dt, амплитуда Θ и число циклических колебаний температуры nΘ.

Все они - следствие изменения другого важного параметра ЭМС - тока нагрузки.

Часто температурные отклонения и колебания, приводящие к от­казам, непосредственно не измеряются и не регулируются. Измеряют и регулируют в этих случаях другие параметры, являющиеся аргументами при определении указанных температур. Например, температура теплопередающей поверхности ЭМС может зависеть от нагрузочных харак­теристик токоведуших частей и значения нагрузки.

Тепловые и механические воздействия на ЭИМ в процессе экс­плуатации ЭМС приводят к нарушениям их структуры и появлениям трещин, в которых аккумулируется вода. Малые размеры молекулы во­ды способствуют ее проникновению через любые микротрещины и да­же в межмолекулярные связи ЭИМ. В результате изменяются два глав­ных параметра, характеризующих работоспособность ЭИМ - это элек­трическая прочность UП и сопротивление изоляции RИЗ.

Для обеспечения нормальной работы ЭМС электрическая проч­ность ее изоляции должна быть выше приложенного к ней напряжения, в противном случае произойдет ее пробой и наступит отказ.

На рис. 38, а через UНОМ обозначено номинальное напряжение се­ти, к которой подключена ЭМС, а электрическая прочность изоляции в некоторый начальный момент времени t1 - через Umt1, Видно, что в мо­мент времени t1 имеет место определенный запас электрической проч­ности ΔUmt1 между рабочим напряжением установки (ЭМС) и пробив­ным напряжением ЭИМ. Этот запас равен разности между Umt1 и UНОМ, то есть ΔUmt1 = Umt1 - UНОМ. Чем больше ΔUm, тем меньше вероятность пробоя изоляции.

В процессе работы ЭМС изоляция претерпевает изменения под воздействием факторов, отмеченных выше. Поэтому снижается про­бивное напряжение ЭИМ. Оно займет к моменту времени t2 положение Umt2, а запас прочности между напряжением, приложенным к ЭИМ, и пробивной прочностью сократится до ΔUmt2 = Umt2 - UНОМ.

Если этот запас будет меньше, чем возможные в процессе эксплуатации ЭМС отклонения напряжения в большую сторону от номиналь­ного уровня, то наступит пробой изоляции и, следовательно, отказ ЭМС.

Аналогичная картина имеет место при изменении сопротивления изоляции. Чем меньше ее значение, тем больше будет ток утечки через изоляцию и тем быстрее происходит ее разрушение.

Схема, рассмотренная на рис. 38, а, пригодна для одиночной ЭМС. Если рассматривать совокупность однотипных ЭМС, то изоля­ция каждой из них имеет свое случайное пробивное напряжение, т. е, имеет место совокупность СВ первоначальных значений пробивных напряжений, которая характеризуется своим законом распределения.

 

Рис, 38. Соотношения между пробивным напряжением изоляции и напряжением сети: а - для одиночной ЭМС; б и в - для совокупности однотипных ЭМС

На рис. 38, б плотность распределения пробивного напряжения в момент времени t1 обозначена через f(Umt1). Видно, что оно имеет раз­брос значений и поэтому характеризуется средним значением Umt1ср и некоторым среднеквадратическим отклонением σm. Через некоторый промежуток времени t2 кривая распределения пробивного напряжения сместится влево и займет положение f(Umt2). При этом заштрихованная часть распределения будет соответствовать доли тех ЭМС, у которых пробивное напряжение меньше напряжения сети, т. е, в этой области будут иметь место пробои изоляции (отказы).

Вероятность отказа q(t) - это заштрихованная площадь кривой:

q(t) = Bep{ Umt2< UНОМ }.

Опыт свидетельствует, что напряжение в сетях отклоняется или колеблется вокруг некоторого среднего значения UСР и за счет проявле­ния случайных факторов также является случайной величиной с плот­ностью распределения f(U). Отклонения и колебания сверх номиналь­ного значения вызваны как включением и отключением нагрузки, так и возникновением разного рода перенапряжений (коммутационных и ат­мосферных). Закон распределения напряжения в сети на рис, 38, в обо­значен через f(U).

Заштрихованная зона соответствует вероятности пробоя изоляции за счет колебаний и отклонений напряжения и перенапряжения в сети, а вероятность сохранения работоспособности изоляции - это незаштри­хованная зона справа от нее.

На практике стремятся сохранить высоким, в пределах заложен­ных в техническую документацию требований, уровень сопротивления изоляции и ее пробивную прочность путем систематических проверок этих параметров и проведения технического обслуживания ЭМС.