Diagnostyka eksploatacyjna napędów elektrycznych w przemyśle

Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki

AUTOREFERAT PRACY DOKTORSKIEJ

Diagnostyka eksploatacyjna napędów

elektrycznych w przemyśle cementowym na przykładzie Cementowni ODRA S.A.

Autor: mgr inż. Marek Kacperak

Promotor: dr hab. inż. Sławomir Szymaniec prof. PO

Opole 2012

2

Autor składa promotorowi pracy Panu dr hab. inż. Sławomirowi Szymańcowi Profesorowi Politechniki Opolskiej serdeczne podziękowania za pomoc w realizacji pracy. Praca została napisana w ramach realizacji projektu badawczego własnego Nr N N510 536639 „Czujniki do pomiarów off-line i on-line wyładowań niezupełnych w silnikach elektrycznych oraz system kalibracji torów pomiarowych Projekt finansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

3

Spis treści

1.Wprowadzenie 1.1 Wstęp ………………………………………………………………………… 1.2 Cele i tezy pracy ……………………………………………………………... 1.3 Stan zagadnienia ……………………………………………………………... 1.4 Wprowadzanie zmian wyposażenia elektrycznego układów napędowych …...

1.4.1.Modernizacja wyposażenia pól zasilających silniki 6 kV………………... 1.4.2.Układy rozruchowe silników pierścieniowych …………………………... 1.4.3.Układy przeniesienia napędu …………………………………………….. 2. Diagnostyka eksploatacyjna elektrycznych napędów przemysłowych - badania własne …………………………………………………………………... 2.1. Klasyfikacja napędów ………………………………………………………… 2.2. Monitoring układów napędowych ……………………………………………. 2.3. Przeciążenia i zakłócenia technologiczne układu napędzanego ……………… 2.4. Wprowadzenie systemu kontroli drgań układów napędowych –badania własne ……………………………………………………………... 2.4.1. Pomiary drgań bezwzględnych off-line………………………………… 2.4.2. Pomiaruy drgań względnych on-line – badania własne ………….. 2.5. Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń …………………………………… 2.5.1. Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń napięciem stałym off-line …... 2.5.2. Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń na podstawie pomiarów wyładowań niezupełnych on-line - badania własne ……………………. 3. Pomiary wyładowań niezupełnych w warunkach przemysłowych - badania własne ………………………………………………………………….. 3.1.Aparatura diagnostyczna do pomiaru wyładowań niezupełnych on-line InsulGard firmy Eaton Cutler-Hammer ……………………………… 3.2. Układ do pomiaru on-line wyładowań niezupełnych InsulGard firmy EATON dla napędu młyna surowca SZUf-1412LL …………………………. 4. Własna metoda oceny stanu izolacji stojanów silników wysokonapięciowych w oparciu o wyliczenie współczynnika w1 i w2 zmiany wartości pdi [mW] od warunków środowiska pracy ……………………………………………………... 4.1. Charakterystyczne zmiany poziomów wzn oraz występujące wymuszenia środowiskowe …………………………………………………………………. 4.2. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 10°C÷13 °C , wilgotność względna około 70%- zimne rozruchy w latach 2010, 2011, 2012 po remoncie ……………………………………………………………... 4.3. Wpływ temperatury i wilgotności na poziom sygnałów pdi (mW), pulse count PPS, Qmax (mV) podczas rozruchów …………………………………. 4.4. Ujemna korelacja temperaturowa sygnałów wnz pdi, Qmax, pulse count PPS podczas pracy silnika w okresie zimowym w latach 2010, 2011 i 2012…….. 4.5 Obszar warunków środowiskowych; wilgotność względna 32%÷50% temperatury z przedziału 20°C÷24 °C – wpływ zmian wilgotności względnej powietrza …………………………………………………………. 4.6. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r do 06.2012r …………………………………………..

5 6 7 7 8 10 12 17 17 21 21 23 25 29 34 36 41 48 48 50 52 52 54 56 63 66 68

4

4.7. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r do 06.2012r …………………………………………… 4.8. Wybór poziomów odniesienia do analizy pomiarów wnz oraz określenie współczynników stanu izolacji w1 i w2 ……………………………………… - Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w1 ………………..

- Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w2 ……………….. 5.Wnioski ……………………………………………………………………………. Wykaz publikacji ………………………………………………………………….. Literatura …………………………………………………………………………..

76 81 84 85 86 88 89

5

1 Wprowadzenie 1.1Wstęp

Przemysł cementowy jest nieodłącznie związany z gospodarką danego państwa. Procesy

przebiegające w gospodarce w sposób bezpośredni wpływają na zapotrzebowanie na cement. Obserwując naszą gospodarkę w czasach powojennych widzimy występowanie okresów wzmożonych inwestycji w przemysł cementowy. Powojenna odbudowa kraju spowodowała odtworzenie wcześniej pracujących zakładów. Jednym z nich była „Cementownia ODRA” odbudowana w latach 50-tych. Dalszym impulsem była modernizacja kraju w latach 80-tych. Wybudowano nowe zakłady oraz przeprowadzono gruntowne modernizacje. Czasy transformacji oraz gra rynkowa zmieniła podejście do inwestycji oraz zakresów modernizacji. Zaczyna się liczyć nie tylko zdolność produkcyjna, ale ponad wszystko jak najniższy koszt produkcji. Cementownie obecnie są w rękach prywatnych, co ułatwia podejmowanie decyzji uzasadnionych ekonomicznie. Duży nacisk jest położony na jakość produktu oraz intensyfikację wydajności procesów technologicznych. Chęć stabilnej praca ciągów technologicznych oraz wcześniejszego wykrywania potencjalnych awarii uczyniła z monitoringu i diagnostyki urządzeń podstawowy element zarządzania produkcją.

Zakłady przemysłowe pracujące w ruchu ciągłym wymagają specyficznego podejścia do spraw remontowych. Dużym wyzwaniem jest utrzymanie w sprawności ruchowej instalacji w okresie między przeglądowym.

Bardzo istotne są działania prewencyjne podejmowane podczas krótkotrwałych zatrzymań instalacji. Proces monitoringu i diagnostyka układów napędowych pozwala na określenie stanu technicznego instalacji. Zbierając dane diagnostyczne na temat poszcze- gólnych obiektów możemy planować zakresy rocznych remontów. W skrajnych przypadkach określamy czy dany napęd (np. silnik) nadaje się do remontu kapitalnego. W takich przypadkach musimy porównać koszty remontu i zakup nowej jednostki.

Budowane w latach 70-tych zakłady przemysłowe oraz modernizowane w tamtym czasie starsze obiekty pracują do obecnych lat. Sytuacja rynkowa zmusza właścicieli do eksploatacji tych obiektów. W latach poprzednich te instalacje były zapasowymi środkami produkcji. Zwiększony popyt na towary w tym cement zmienia charakter ich pracy, stają się one ważnym elementem gry rynkowej. Aby intensywnie eksploatować stare układy konieczna jest modernizacja aparatury kontrolno pomiarowej oraz wprowadzenie systemu diagnostycznego. Łatwiejszą drogą byłoby wybudowanie nowych instalacji, przeszkodą jest jednak czas oraz koszty takich zmian. Jedynym rozwiązaniem jest cykliczna ocena stanu technicznego oraz stopniowa modernizacja poprawiająca sprawność układów napędowych [8].

Diagnostyka eksploatacyjna jest to zespół działań podjętych na obiekcie technologicznym w trakcie prowadzenia produkcji w celu uzyskania informacji o:

• aktualnym stanie technicznym urządzenia, • przyczynach pogorszenia się stanu technicznego urządzenia, • prognozowanym czasie bezawaryjnej pracy urządzenia, • koniecznych zabiegach konserwacyjnych i remontowych przy najbliższym

postoju. Dla prowadzenia poprawnej diagnostyki należy określić dla poszczególnych typów urządzeń niezbędny technicznie i ekonomicznie uzasadniony zakres prowadzonej diagnostyki. W przy-padku eksploatacji napędów elektrycznych zależnej od ich stanu technicznego, remont wykonywany jest tylko wtedy, gdy jest on niezbędny [57]. Poprzez pomiary można określić kiedy rozpoczęło się uszkodzenie, monitorować jego rozwój i przewidzieć czas kiedy ma nastąpić remont [57].

6

1.2 Cele i tezy pracy Cel pracy

Celem pracy jest opracowanie efektywnej diagnostyki eksploatacyjnej napędów przemysłowych w przemyśle cementowym w szczególności maszyn elektrycznych w tych napędach. Diagnostyka będzie obejmowała uszkodzenia typu elektromagnetycznego i me-chanicznego najczęściej występujące w tych napędach. Przedmiotem badań będą głównie silniki indukcyjne pierścieniowe i klatkowe o izolacji VPI i Resin-Rich na łożyskach tocznych i ślizgowych.

Tezy pracy

Pracy silników elektrycznych z napędów przemysłowych w cementowniach towarzyszą wyładowania niezupełne (wnz). Analiza wnz z uwzględnieniem rozkładów fazowo-rozdzielczych może być wykorzystana do diagnostyki on-line izolacji tych silników w tym do diagnostyki czół uzwojeń.

Opracowany system doboru kryteriów i wyznaczania obszarów obserwacji wyładowań

niezupełnych dla danej maszyny pozwala na ciągłe śledzenie starzenia się izolacji oraz pozwala ocenić skuteczność czynności naprawczych.

Metoda analizy stanu izolacji na podstawie obserwacji wnz w wyznaczonych

obszarach pracy układu izolacji z wykorzystaniem stanów przejściowych (zmiana temperatury, wilgotności powietrza chłodzącego, obciążenia maszyny, rozruch) pozwala ocenić stopień degradacji stanu izolacji.

W analizie w dziedzinie czasu i częstotliwości sygnału drgań względnych wałów

silników pierścieniowych zawarta jest informacja o stanie technicznym tego napędu.

Praca ma charakter technologiczny zmierzający do zmniejszenia awaryjności urządzeń technologicznych w krajowych cementowniach. Uzyskane w ten sposób obniżenie kosztów produkcji poprawi konkurencyjność tej gałęzi przemysłu w Unii Europejskiej.

7

1.3 Stan zagadnienia

Podstawowym zadaniem pracy było wprowadzenie niezbędnych zmian w wyposażeniu technicznym maszyn elektrycznych oraz budowa systemu diagnostycznego on-line i off-line, zapewniającego bezawaryjną pracę napędów elektrycznych pomiędzy rocznymi przeglądami układu technologicznego cementowni. Sytuacja zastana na rok 2006 to wysoka awaryjność układów technologicznych:

o nitka wypału klinkieru awaryjne postoje 14 dni /rok (straty to 100tys.zł/dobę razem straty 1,4 mln zł),

o młyny cementu awaryjne postoje 28 dni/rok (straty 24 tys. zł/dobę razem 670 tys. zł).

Duża awaryjność układów technologicznych była powodowana wieloma czynnikami występującymi w układzie napędowym. Poprawa zdolności ruchowej urządzeń wymagała podejścia kompleksowego do tematu. Określenie przyczyn występowania awarii ukierunkowało podjęcie działań naprawczych. Przyczyny powstawania awarii:

o awarie wyłączników mocy 6 kV, o złe działanie zabezpieczeń pół odpływowych 6 kV, o niekontrolowane ilości rozruchów silników, o zły stan techniczny rozruszników silników pierścieniowych, o stosowanie sztywnych sprzęgieł o zły stan techniczny ram i fundamentów silników, o trwałe przeciążenia silników

Podjęte działania modernizacyjne oraz wprowadzenie systemu diagnostycznego doprowadziło do poprawy zdolności ruchowej urządzeń technologicznych i zmniejszyło koszty produkcji. Sytuacja 2011 roku to duże ograniczenie postojów awaryjnych spowodowanych niesprawnością maszyn elektrycznych, dla przykładu:

• nitka wypału klinkieru awaryjne postoje 0 dni, • młyny cementu awaryjne postoje 3 dni (awaria układu rozruchowego silnika

synchronicznego). Dodatkową zaletą wprowadzonych zmian jest zmniejszenie rozmiarów i skutków awarii mechanicznych. Ten efekt uzyskano przez wczesną detekcje rozwijających się uszkodzeń. Wprowadzenie monitoringu parametrów i diagnostyki układów napędowych wymusiło podniesienie jakości wykonywanych remontów. 1.4 Wprowadzanie zmian wyposażenia elektrycznego układów napędowych

Podstawowym kryterium działalności przedsiębiorstwa po transformacji Polskiej

Gospodarki w system wolnorynkowy jest konkurencyjność na rynku. Dla uzyskania konkurencyjności konieczne jest poszukiwanie rejonów działalności przedsiębiorstwa w których można obniżyć koszty produkcji. Zmniejszenie liczby awarii, ograniczenie ich skutków jest jednym z nich [42].

Autor po głębokiej analizie awaryjności określił zakresy koniecznych zmian wyposażenia elektrycznego. Do najważniejszych należała wymiana przestarzałych zabez-pieczeń oraz wyłączników mocy pól 6 kV. Do częstych wypadków wypalenia wirników napędów młynów cementu dochodziło przez zbyt częste załączanie silnika. Zły stan techniczny sprzęgieł i fundamentów w krótkim czasie degradował łożyska. W układach wentylatorów dochodziło do drgań spowodowanych technologicznymi niewywagami wirników. Cieplne procesy technologiczne mają negatywny wpływ na pracę silników oraz układów smarowania. Zmiany wprowadzone przez Autora zostały przedstawione poniżej.

8

1.4.1 Modernizacja wyposażenia pól zasilających silniki 6 kV Konwencjonalne wyposażenie pól 6 kV oparte na przekaźnikach elektromechanicznych często ulegało awariom. Złe działanie zabezpieczeń oraz aparatury zasilania 6 kV oraz 0,4 kV doprowadzało do zezwolenia na wielokrotne rozruchy. Dla przykładu; napędy młynów cementu nie były wyposażone w napędy pomocnicze potrzebne do dokładnego ustawienia włazów zasypowych kul (kule różnej średnicy w młynach komorowych są czynnikiem mielącym cement). Podczas remontu konieczne jest sortowanie kul i dodanie nowych przez właz walczaka młyna. Wielokrotnie uruchamiano i zatrzymywano młyny tylko po to aby ustawić właz w pozycję załadunku. Bezwładność układu walczaka młyna powodowała konieczność kilkukrotnego uruchamiania i zatrzymywania układu dla uzyskania odpowiedniej pozycji włazu. Autor zaproponował zamontowanie napędów pomocniczych, co ograniczyło rozruchy wykonywane dla ustawienia włazu w pozycji pionowej.

Rosnące ceny energii elektrycznej, praca w układzie taryfowym B23 (układ trzech stref opłat za energię; szczyt przedpołudniowy, szczyt popołudniowy, reszta doby) spowodowały konieczność pracy w strefach o najniższej cenie. Energia elektryczna stanowi około 20% kosztów produkcji. Koncentracja pracy w nocy od godz. 22 do 7 rana oraz od godz. 13 do 19 w dzień (układ godzin dla pory letniej trwającej 6 miesięcy) powoduje, że młyny na dobę startują do 3 razy. Jest to korzystne z uwagi na cenę energii. Cena za energię elektryczną pobieraną w strefie szczytowej jest droższa o 32% od reszty doby. W okresie od kwietnia do września mamy łącznie 9 godzin szczytu, a w okresie zimowym październik do marca 10 godzin szczytu. Omijając pracę młynów cementu w godzinach szczytowych produkujemy z mniejszymi kosztami. Taka praca powoduje duże ilości rozruchów silników.

Stare wyłączniki główne 6 kV oraz współpracujące z nimi zabezpieczenia ulegały częstym awariom. Wyłączniki mało olejowe na napędach silnikowych nie wytrzymywały dużej liczby łączeń. Na rys.1.1 i rys.1.2 przedstawiono starą aparaturę z wyłącznikiem małoolejowym SCI-4 630A 6 kV z zabezpieczeniem elektromagnetycznym RIZc 3.

Ze względu na wysoką awaryjność Autor zaproponował modernizację pól 6 kV polegających na wymianie wyłączników mocy oraz wymianie zabezpieczeń.

Obecnie zmodernizowane pole 6 kV zawiera wyłącznik próżniowy VD-4 630A 6 kV (rys.1.3), nowe przekładniki prądowe. Przedział zabezpieczeniowy został uproszczony do jednego cyfrowego zabezpieczenia multi-Muz-3 firmy JM-tronik(rys.1.4). Zabezpieczenie to

Rys. 1.1. Pole odpływowe 6 kV 630 A z wyłącznikiem małoolejowym SCI-4

Rys. 1.2. Widok przedziału zabezpieczeniowego pola 6 kV z zabezpieczeniami elektromagnetycznymi RIZc 3

9

zawiera wiele modułów zabezpieczeniowych. Uniwersalność tej konstrukcji powoduje, że jeden typ może pracować na polach odpływu silników, polach liniowych, transfor-matorowych, innych. Zmniejszenie ilości elementów przekaźnikowych, umożliwienie tworzenia zależności logicznych sygnałów pola upraszcza układ sterowania (rys.1.5).

Przy wyborze typu zabezpieczenia pola 6kV zwrócono uwagę na: • Możliwości opracowania modelu cieplnego silnika.

o Charakterystyki przeciążeniowe zależne. o Sposób przeliczania pojemności cieplnej. o Zabezpieczenia od ilości rozruchów z uwzględnieniem stanu pracy maszyny.

• Budowę wewnętrznych układów logicznych do celów sterowania. Powoduje to uproszczenie schematów i zmniejsza liczbę aparatury w polu.

• Możliwość tworzenia systemu zarządzania urządzeniami zabezpieczającymi. Wybrane zabezpieczenia powinno gwarantować komunikację z innymi typami oraz następnymi projektowanymi generacjami aparatury. Uniknie się tym samym w przyszłości stosowania kilku systemów zarządzania.

W modułowym menu zabezpieczenia cyfrowego wyszczególniono rodzaje stosowanych algorytmów zabezpieczeniowych. Do interesujących należą:

• Zabezpieczenie przeciążeniowe zależne, jest to zabezpieczenie nadprądowe modelujące charakterystykę cieplną silnika. Czas zwłoki zadziałania zależny jest od prądu. Po wprowadzeniu czasów zwłoki działania zabezpieczenia dla 6 przeciążeń program wygładza otrzymaną charakterystykę czasu zwłoki w funkcji przeciążenia:

o T1.1-zwłoka czas dla zadziałania zabezpieczenia przy I=1.1In o T1.2- jak wyżej przy I=1.2In o T1.5-jak wyżej przy I=1.5In o T2.0-jak wyżej przy I=2In o T3.0-jak wyżej przy I=3In o T6.0-zwłoka czas dla zadziałania zabezpieczenia przy I=6In

Przykładowo dla silnika młyna cementu 1000 kW 6kV nastawiono: T1.1-500s, T1.2- 240 s, T1.5-100s, T2.0-20s, T3.0-10s , T6.0-5s.

Program zabezpieczenia wylicza zużytą pojemność cieplną silnika podejmując decyzję o wyłączeniu go lub blokowaniu możliwości rozruch dla prawidłowego:

Rys. 1.3. Zmodernizowane pole 6 kV zawiera wyłącznik próżniowy VD-4 630A 6 kV

Rys. 1.4. Widok przedziału zabezpieczeniowego pola 6 kV z zabezpieczeniem cyfrowym multi-Muz-3 firmy JM-tronik

10

• wykonania rozruchu, • nie przekroczenia ilości rozruchów na godzinę, • blokowania wyłącznika od minimalnego czasu od ostatniego rozruchu, • blokowania zamknięcia wyłącznika od minimalnego czasu od ostatniego wyłączenia

silnika, • zabezpieczenia od zbyt długiego czasu rozruchu.

Wnioski:

Analizując sytuację po modernizacji, uznano jako główną przyczyną uszkodzeń wirników pierścieniowych oraz układów rozruchowych niekontrolowane rozruchy młynów cementu. Wprowadzając napędy pomocnicze oraz blokady startów nie doprowadzamy do nadmiernego przegrzewania uzwojeń.

Drugim elementem powodującym powstawanie awarii był wyłącznik mocy pola 6 kV. Niejednokrotnie nierównomierne otwieranie się jak i sklejanie styków powodowało sytuacje awaryjne. Dla przykład na młynie cementu nr 2 uległy sklejeniu dwa styki wyłącznika mocy co doprowadziło do uszkodzenia wirnika napędu głównego (moc 1000 kW) i zagotowaniu 2 ton elektrolitu w rozruszniku wodnym. Wyłączenie dokonano przez ręczne wyłączenie sekcji nr 2 6 kV (zasilającej połowę zakładu) na głównej stacji zasilania.

1.4.2 Układy rozruchowe silników pierścieniowych

Analizując awaryjność elementów układu napędowego Autor zauważył poważny problem ze stanem technicznym rozruszników. Brak dbałości o sprawność mechaniczną układu rozruchowego doprowadzała do blokowania się rozruszników.

W starych układach stosowano najczęściej rozruszniki elektrolityczne (rys.1.7). Posiadają one prostą konstrukcję. Wadą są częste wycieki powstałe w wyniku korozji,

Rys.1.5. Schemat aplikacyjny zabezpieczenia multi-Muz-3 dla silnika 6 kV

11

kłopotliwy mechanizm opuszczania elektrod. Wymiana części elementów oraz prawidłowa regulacja części ruchomych poprawiła sytuację.

Obserwacja parametrów rozruch oraz alarmów układu rozruchowego zapobiega niepotrzebnym próbom rozruchowym będącym główną przyczyną wypaleń czoła uzwojeń stojana oraz uzwojeń wirnika. Na rynku proponowane są obecnie rozruszniki oporowe powietrzne (rys.1.6), olejowe oraz rozruszniki wiroprądowe [42].

Nowe rozwiązania zapewniają stałe parametry rozruchu przez całą eksploatację. Zabezpieczenia cyfrowe kontrolują ilość rozruchów w każdym stanie nagrzania silnika. Stosując je łatwiej wprowadzić zdalne uruchamianie maszyny (np. za pomocą systemów operatorskich). Te rozwiązania można wprowadzać tam gdzie mamy zainstalowane nowo-czesne zabezpieczenia pól 6 kV.

Autor modernizuje układy rozruchowe silników pierścieniowych 6 kV stosując rozruszniki oporowe sterowane elektronicznie. Kontrola czasu rozruch oraz monitoring parametrów prądu i temperatury pozwala na zatrzymanie rozruchu układu napędowego w przypadku wystąpienia awarii.

Wcześniejsze przypadki rozruchu dwufazowego zostały wyeliminowane przez kontrolę symetrii prądów. Częstym uszkodzeniom ulegały wtedy pierścienie uzwojenia wirnika oraz układy szczotkotrzymaczy. Innym problemem było zawieszanie się szczotek podczas procesu wycierania się, co doprowadza do przegrzewania się pracujących poprawnie szczotek.

Autor wprowadził do napędów młynów cementu szczotkotrzymacze ze sprężynami płaskimi, które mają równomierny docisk podczas zużywania się szczotki. Wprowadził dla służb utrzymania ruchu rejestr doboru do danego napędu pierścieniowego szczotek oraz typu szczotkotrzymacza. Jednoznaczne oznaczenie rodzaju szczotek ułatwia eksploatację i logistykę dostaw oraz zapobiega pomyłkom. Wnioski:

Monitorowane i poprawnie eksploatowane układy rozruchowe całkowicie wyeliminowały uszkodzenia powstałe w wyniku wadliwej pracy tych urządzeń. Wcześniej ponoszone straty były duże ze względu na to, że niejednokrotnie uszkadzano termicznie również stojan silnika. Postoje powodowały straty produkcyjne.

Specyfika taryf energii wielostrefowych skłania cementownię do zatrzymywania młynów cementu na szczyty energetyczne. Skutkuje to mniejszymi kosztami zakupu energii elektrycznej, ale powoduje wzrost ilości załączania napędu głównego. Co z kolei wymusza konieczność podniesienia jakości i niezawodności układów rozruchowych.

Rys.1.6. Rozrusznik oporowy dla silnika DKK 560-6/063, 630 kW, po lewej przedział oporów fechlarowych, po prawej przedział sterowania cyfrowego

Rys.1.7. Rozrusznik wodny silnika 1000 kW 6 kV

12

1.4.3 Układy przeniesienia napędu

Rozwiązanie dużego problemu jakim jest nadmierne zużywanie się łożysk w silnikach według opinii Autora należy poszukiwać w wadach układów przeniesienia napędów. Silnik elektryczny napędza urządzenie technologiczne najczęściej za pomocą przekładni. Masa silnika napędu głównego młyna surowca to 15 ton. Jest to około 10% wagi wypełnionego mielnikami i surowcami walczaka młyna (150t). Przekładnia napędowa również jest dużo cięższa (80t). W tej sytuacji silnik jest najdelikatniejszy. Drgania przekładni i młyna z dużym stopniu oddziaływają na układ łożyskowy silnika.

Prowadząc pomiary drgań układów łożyskowych Autor obserwuje przenoszenie się drgań z układów technologicznych oraz przekładni na silnik. Dla odseparowania się od drgań przenoszonych wałami autor zastosował sprzęgła bardzo elastyczne typu Omega (rys.1.9). Moment obrotowy przenoszony jest przez uformowaną w kształt litery Ω membranę wykonaną z masy plastycznej, przymocowanej do sprzęgieł. Dla ułatwienia montażu ten element składa się z dwóch połówek. Bardzo istotnym zagadnieniem jest właściwy dobór sprzęgła, aby podczas rozruchu nie dochodziło do nadmiernych deformacji membrany. Zachowanie dynamiczne tego sprzęgła przypomina często stosowane wcześniej sprzęgła górnicze. Stosowanie tego typu sprzęgieł zmniejszyło poziom drgań silników. Szczególnie zmalały drgania w kierunku osiowym. Występujące podczas awarii łamanie osi w małym stopniu wpływa na silnik, nie doprowadza do zniszczenia łożysk.

Fundamenty

Drugim elementem poprawiającym sytuację jest dobrze zamontowana rama i stabilny fundament. Najczęściej silnik posadowiony jest wspólnie z przekładnią na jednym fundamencie. Pęknięcia fundamentu powodują zmniejszenie sztywności oraz wzrost poziomów wibracji. Część fundamentu w strefie pęknięcia nie bierze udziału w pracy układu, posiada inną dynamikę drgań, co źle wpływa na trwałość konstrukcji ramy.

Autor dla niwelacji szczelin w fundamencie stosuje kompozyty do naprawy betonów. Lepszym rozwiązaniem jest rozkucie starego fundamentu wykonanie nowego zbrojenia (częściowej wymiany zbrojenia) i wylanie nowego fundamentu.

Bardzo często problemem fundamentu są źle zrobione tzw. nadlewki podczas modernizacji (zwiększanie wydajności pociąga za sobą wzrost mocy i masy układów). Następuje rozwarstwienie starego fundamentu z nadlaną częścią co powoduje wysoki poziom drgań i obniżenie żywotności łożysk.

Rys. 1.9. Elastyczne sprzęgło typu Omega

13

Na rysunku 1.10 przedstawiono zmodernizowany fundament wentylatora filtra pieca wypału klinkieru z ramą umieszczoną na poduszkach amortyzujących. Takie zainstalowanie ramy za pomocą poduszek ograniczyło drgania, poprawiło żywotność układów łożyskowych.

Montaż i kontrola ustawienia silnika

Prowadząc eksploatację maszyn elektrycznych Autor zwraca szczególną uwagę na jakość montażu silników. Podstawa silnika powinna być w dobrym stanie technicznym wyposażona w śruby regulacji położenia. Autor wprowadził ustawianie napędów metodą laserową. Dodatkowo należy zwrócić uwagę na występowanie tzw. luźnej łapy. Największe pozytywne efekty stosowania tej metody autor odnotował wprowadzając ją dla silników małej mocy. Prowadzone pomiary drgań silników potwierdzają wydłużenie czasu eksploatacji łożysk. We wcześniejszym okresie odnotowywano w 2006 roku 48 przypadków uszkodzeń. Obecnie występują pojedyncze przypadki na rok awarii łożysk silnika. Na rysunku 1.12 przedstawiony jest posiadany sprzęt do ustawiania współosiowości wałów, a na rysunku 1.11 jest przedstawiany raport z ustawienia przykładowego silnika.

Rys.1.10. Poduszki amortyzujące ramę wentylatora od fundamentu

Rys.1.11. Raport ustawienia laserowego napędu

Rys.1.12. Sprzęt do ustawienia laserowego napędu

Poduszki amortyzujące

14

Zastosowanie wyważarki dynamicznej Kłopotliwym napędem w którym często występują drgania jest wentylator obiegowy

pieca Problemy powstają gdy wibracje wentylatora powstają na wskutek oklejania się łopat. Zapylony gaz z wymiennika wieżowego posiada temperaturę poprawnej pracy około 550°C gdy dochodzi do zaburzeń technologicznych (zatrzymanie młyna surowca) podawana jest woda na wymienniki ciepła, co obniża parametry do około 450°C. W tej sytuacji na wirniku wentylatora pył zaczyna oklejać łopaty. Do momentu gdy warstwa jest równomierna poziom wibracji nie wzrasta (rys.1.15). Podczas dochodzenia do parametrów znamionowych często obrywa się narośl pyłowa (rys.1.13) powodując wibracje oraz niewywagę układu, co zmusza obsługę do zatrzymania pieca. Strata kilku godzin produkcji klinkieru (strata około 30 tys.zł).

W pierwszej kolejności autor zainstalował pomiar on-line drgań wentylatora i silnika.

Włączone do centralnego sterowania sygnały pomiarowe były zestawiane z parametrami technologicznymi układu. Obsługa obserwując trendy sygnałów nauczyła się tak prowadzić piec wypału klinkieru, aby ograniczyć postoje spowodowane oklejaniem. Sytuacja poprawiła się, ale postoje występowały 1 raz na tydzień. Ze względu na duże straty finansowe problem musiał być rozwiązany w inny sposób.

Autor dla wentylatora obiegowego napędzanego silnikiem DKK 560-6/063, 630 kW zaproponował zastosowanie wyważarki dynamicznej on-line (rys.1.14).

Rys. 1.14. Wyważarka dynamiczna dla wentylatora obiegowego silnik DKK 560-6/063, 630 kW

Rys. 1.15. Trend wibracji łożyska silnika wentylatora obiegowego silnik DKK 560-6/063, 630 kW

Rys.1.13. Materiał mineralny oklejający łopaty wentylatora obiegowego pieca wypału klinkieru

15

Obecnie pracujący układ wentylatora ma w sposób ciągły monitorowany poziom wibracji z ustawionymi alarmami wyzwalanymi od poziomów sygnału.

Wyważarka (rys.1.16) pracuje w trybie on-line. Umieszczone na wirniku wentylatora pierścienie z ciężarami służącymi do wyważania o ciężarze 2,5 kg każdy (rys.1.16 elementy Counterweighted Rotors) mogą zmieniać pozycje po obwodzie pierścieni wyważarki od 0 do 360°. Przemieszczenie masy wywarzającej jest aktywne po pomiarze przekraczającym ustawiony poziom wibracji (np. 2 mm/s). Po zmianie położenia ciężarów automatycznie wykonywany jest pomiar wibracji i porównywany z zadanym poziomem pracy. Gdy wyważarka pomimo osiągnięcia maksymalnego ułożenia masy w kierunku przeciwnym do niedowagi nie osiąga zadanego poziomu sygnalizuje alarm. Zakres niedowagi przekracza możliwości regulacji układu wyważarki. W obecnej sytuacji wentylator pracuje bez zatrzymań. Zakres wyważania jest wystarczający. Aby praca układu nie doprowadzała do przekroczeń niedowagi okresowo podczas planowanych postojów wentylator jest czyszczony z nalotów pyłowych. Wpływ wysokiej temperatury

Przemysł cementowy charakteryzuje się między innymi tym, że najważniejszy etap produkcji to wypał klinkieru w wysokich temperaturach. Stwarza to trudne warunki pracy silników. Brak schłodzonego powietrza wymusza pracę silników w gorącej atmosferze. Dodatkowym elementem jest promieniowanie cieplne z gorących powierzchni.

Dla zmniejszenia oddziaływania termicznego Autor stosuje ekrany termiczne, wyniesione czerpnie powietrza z rurociągami tłocznymi w rejon silnika. Bardzo ważne jest kontrola smaru lub oleju w łożyskach tych maszyn. W przypadku pracy napędu głównego młyna cementu nr.3 powyższe działania nie były wystarczające. Autor zastosował lokalną chłodnice wodną powietrza chłodzącego silnik

Rys. 1.16. Wizualizacja układu wyważarki dynamicznej on-line [34]

16

napędu głównego (rys.1.17). Silnik ma nabudowaną na części wentylatorowej chłodnicę wodną co obniża temperaturę przepływającego powietrza, co możemy zaobserwować na termogramie (rys.1.19). Dla obniżenia kosztów do chłodzenia wykorzystano wodę technologiczną w obiegu zamkniętym.

Stacje Olejowe

Problem występowania zacierania się panewek wałów napędowych w okresach letnich i zimowych został przeanalizowany pod kątem zakłóceń filmu olejowego. Brak filmu olejowego przy starcie maszyny oraz zmniejszenie jego wielkości w wysokich temperaturach (utrata lepkości oleju, smaru) doprowadzał do powstania nadmiernego zużywania się kompozycji panewki. W okresie zimowym także dochodziło do awarii panewek z powodu zbyt gęstego oleju, który podany na układ łożyskowy nie spływał do kieszeni olejowych.

Po analizie zagadnienia Autor uważa, że krytycznymi urządzeniami dla łożysk ślizgowych maszyn są systemy podawania oleju, takie jak układy pierścieni smarujących, stacje olejowe (rys.1.19). Urządzenia pracujące w procesach technologicznych prowadzonych w wysokich temperaturach wymagają dobrego smarowania układów panewkowych. Dodatkową funkcją przepływającego oleju jest chłodzenie panewki.

Rys. 1.19. Stacja olejowa panewek ślizgowych silnika SYUe-148/01 6 kV 1000kW

Rys. 1.17. Zewnętrzna chłodnica wodna silnika

Sf 500Y8Ds 1200 kW, 690V

Rys. 1.18. Termogram silnika Sf 500Y8Ds

1200 kW, 690V

Chłodnica Chłodnica

17

2. Diagnostyka eksploatacyjna elektrycznych napędów przemysłowych- badania własne

Wprowadzenie układów i systemów diagnostycznych

Diagnostyka kontrolna oraz monitoring pozwala na określenie stanu technicznego instalacji. Mając do dyspozycji szereg technicznych sposobów określania czasu bezpiecznej pracy maszyny musimy zdecydować z punktu widzenia technicznego i ekonomicznego o rodzaju oraz zakresie stosowanej diagnostyki. Wybrany system diagnostyki do specyfiki pracy napędu pozwoli na wcześniejsze wykrycie powstających uszkodzeń i defektów.

Do najbardziej efektywnych sposobów diagnostyki stosowanych do ważnych napędów technologicznych należą techniki diagnostyki on-line:

• Pomiar drgań względnych dla napędów o łożyskach ślizgowych wolny jest od negatywnego wpływu filmu olejowego na selektywność pomiaru [57].

• Pomiary wyładowań niezupełnych monitorują w sposób ciągły izolacją maszyn elektrycznych. Pokazują powstałe defekty izolacji. Układ wykrywa pogorszenie poziomu stanu izolacji maszyny, przez co możemy podjąć działania naprawcze oraz poprawić niekorzystne warunki pracy silnika degenerujące układ izolacyjny [57].

2.1. Klasyfikacja napędów

Układ napędowy należy rozpatrywać w całości jako obiekt diagnostyczny. Dobór sprzętu i metod diagnostycznych uzależniony jest od budowy maszyny i środowiska pracy. Mając wyspecyfikowane cechy charakterystyczne układu napędowego możemy rozpatrywać wpływ jego elementów na stan techniczny oraz analizować otrzymane wyniki pomiarów diagnostycznych. Klasa stosowanej aparatury oraz częstotliwość pomiarów zależy od miejsca maszyny w układzie technologicznym.

Wprowadzono podział maszyn według ważności w układach technologicznych: • maszyny strategiczne - są to urządzenia, których zatrzymanie awaryjne

powoduje przestój w produkcji ciągłej generujący znaczne straty ekonomiczne, • maszyny podstawowe - są to ważne napędy technologicznektórych

zatrzymanie można zastąpić pracą innych urządzeń, nie powoduje całkowitego zatrzymania produkcji,

• maszyny pomocnicze - urządzenia spełniające dodatkowe funkcje, ich zatrzymanie nie powoduje wstrzymania produkcji.

Maszyny strategiczne i podstawowe wymusiły konieczność dążenia do obserwacji parametrów w sposób ciągły przez pomiary on-line. Obecnie silniki maszyn strategicznych wyposażane są w:

• czujniki temperatur łożysk i uzwojeń, • czujniki drgań układu łożyskowego w osiach X, Y i osiowo Z, • pomiar obciążenia z alarmami przeciążenia, • pomiar parametrów środowiska pracy.

Zapisywane przez systemy nadzorcze wszystkie istotne parametry sinika i napędu służą do analizy punktów pracy oraz przyczyn powstających awarii. Rozwijająca się technika pomiarowa umożliwia ciągłe nadzorowanie parametrów on-line, wykonywanie czynności diagnostycznych bez potrzeby wyłączania napędu.

Autor dokonał podziału maszyn układu technologicznego w tym silników do poszczególnych grup:

• Maszyny strategiczne: o napęd młyna surowca, o wentylator młyna surowca, o napęd obrotu pieca wypału klinkieru,

18

o wentylatory obiegowe i filtra pieca, o wentylator filtra chłodnika klinkieru, o wentylatory chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru,

• Maszyny podstawowe: o napędy główne młynów cementu, o napędy kompresorów powietrza, o pompy wody technologicznej, o napędy separatora młynów, o napędy wentylatorów separatora młynów.

• Maszyny pomocnicze: o maszyny o silnikach powyżej 100 kW, o maszyny o silnikach od 100 kW do 20 kW, o maszyny z silnikami o prędkości obrotowej około 3000 obr/min, o maszyny o silnikach poniżej 20 kW.

Zestawienie zespołów napędowych grupy maszyn strategicznych i podstawowych przedstawia tabela 2.1.a Tabela 2.1.a Wykaz silników strategicznych i podstawowych

Lp. Maszyna układu technologicznego

Typ Moc [kW]

Napięcie [V]

Obroty [obr/min]

Prąd [A]

Maszyny Strategiczne

1 Napęd młyna surowca SZUf-1412LL 1400 6000 496 170

2 Napęd wentylatora młyna surowca nr 051

Sf560Y6-E 1000 6000 993 114

3 Napęd obrotu pieca wypału klinkieru

SEE355ML4Bs 315 400 1489 523

4 Napęd wentylatora wieżowego nr 086

1LA8453-6PB60 630 400 993 1110

5 Napęd wentylatora filtra pieca Sh355H6Ds 355 400 991 620

6 Napęd wentylatora filtra chłodnika klinkieru

Sh355H4Es 400 400 1489 678

7 Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 181

1LG4 223-2AA60-Z 45 400 2960 79


1LG4 283-4AB60-Z 90 400 2975 154


1LG4 283-4AA60-Z 90 400 1485 160

19


1LG4 283-4AA60-Z 90 400 1485 160


1LG4 283-4AA60-Z 90 400 1485 160

Maszyny Podstawowe

12 Napęd główny młyna cementu nr 1

Sf500Y8Ds 1200 690 746 1300


DSE-1318 1000 6000 987 117


SXh500H8Es 1060 690 745 1144


SUfr750 1000 6000 990 112


DSE-1318 1000 6000 987 117


SYUe148r/01 1000 6000 738 120


SAS-158 1000 6000 750 130

19 Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr 041

K21R315S4TWS 110 400 1480 210

20 Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr 044

K21R315S4TWS 110 400 1480 210

21 Napędy wentylatora separatora nr 638 młyna cementu nr 6

Se315S4 110 400 1479 210

22 Napędy wentylatora separatora nr 639 młyna cementu nr 6

K11R315S4 110 400 1480 210

Tabela 2.1.b Zakres stosowanej diagnostyki dla grupy maszyn strategicznych Tabela 2.1.b Zakresy diagnostyki dla napędów strategicznych

Pomiary off-line Pomiary on-line

Lp. Maszyna układu technologicznego

Drgania bezwzględne

Pomiary izolacji

Temp. uzwojeń

Temp. łożysk


Drgania względne obciążenie wnz

Maszyny

Strategiczne

1 Napęd młyna surowca 1 1 1 1 1 1 1

20

2 Napęd wentylatora młyna surowca nr 051 1 1 1 1 1 1

3 Napęd obrotu pieca wypału klinkieru 1 1 1 1 1

4 Napęd wentylatora wieżowego nr 086 1 1 1 1 1 1

5 Napęd wentylatora filtra pieca 1 1 1 1 1 1

6 Napęd wentylatora filtra chłodnika klinkieru 1 1 1 1 1 1

7

Napęd wentylatora chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru nr 181 1 1 1 1 1

8


9


10


11


Tabela 2.1.c Zakres stosowanej diagnostyki dla grupy maszyn podstawowych

Pomiary off-line Pomiary on-line Lp.

Maszyna układu technologicznego Drgania

bezwzględne Pomiary izolacji

Temp. uzwojeń

Temp. łożysk


Drgania względne obciążenie

wnz

Maszyny Podstawowe

12 Napęd główny młyna cementu nr 1 1 1 1 1 1





17 Napęd główny młyna cementu nr 6 1 1 1 1 1 1 1

18 Napęd główny młyna cementu nr 7 1 1 1 1 1 1

19 Napędy wentylatora separatora młyna surowca nr 041 1 1 1 1 1

20 Napędy wentylatora sep. młyna sur. nr 044 1 1 1 1 1

21

21 Napędy wentylatora separatora nr 638 młyna cementu nr 6 1 1 1 1 1

22 Napędy wentylatora separatora nr 639 młyna cementu nr 6 1 1 1 1 1

23 Napędy kompresorów powietrza nr 1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12 1 1 1 1 1

24 Pompy wody

technologicznej 1 1 1 1 1

2.2. Monitoring układów napędowych

Systemy monitoringu on-line wspomagają identyfikację poszczególnych stanów maszyny z uwzględnieniem uwarunkowań technologicznych. W Cementowni ODRA S.A pomiary temperatury uzwojeń, temperatury łożysk oraz pomiary drgań układów napędowych są zbierane i analizowane w systemie CEMAT PCS7 Siemens. Obserwacja poszczególnych parametrów technologicznych obok sygnałów pomiarowych, pomaga analizować przyczyny występowania alarmów w systemie monitoringu. Remontowane oraz nowe silniki są wyposażane w odpowiednio skonfigurowaną aparaturę kontrolno pomiarową. Monitoring układów napędowych pozwala na:

• Monitoring i diagnostykę układów napędowych, pozwala na określenie stanu technicznego instalacji.

• Archiwizowanie danych diagnostycznych poszczególnych obiektów, pozwala to planować zakresy rocznych remontów.

• Rejestrację zaistniałych usterek i awarii. • Obserwację poszczególnych parametrów technologicznych, występowanie ich obok

sygnałów pomiarowych pomaga analizować przyczyny występowania alarmów w systemie.

• Wyfiltrowanie stanów awaryjnych od zakłóceń procesu technologicznego. • Śledzenie trendów sygnałów z programowanymi poziomami:

o Normalnej pracy (zakres zielony), o Stan ostrzegawczy (zakres żółty), o Stan awaryjny wyłączenie (zakres czerwony).

Stan ostrzegawczy generuje alarm wyświetlony dla operatora niezależnie, na której planszy jest aktualnie. Stany awaryjne dodatkowo obsługiwane są sekwencją wyłączenia (wykonywane są czynności zabezpieczające, w sytuacjach krytycznych wyłącza się napęd).

• Pomiar temperatury uzwojeń, temperatura łożysk, pomiary drgań. Prawidłowe dobranie kryteriów alarmowych i awaryjnego odstawienia urządzenia.

• Modelowanie zabezpieczeń pól 6 kV zasilających silniki. 2.3. Przeciążenia i zakłócenia technologiczne układu napędzanego

W dotychczasowych konwencjonalnych układach sterowanie pracą cementowni odbywało się ręcznie z zastosowaniem rejestratorów atramentowych, analogowej i cyfrowej aparatury pomiarowej. Do zadań operatora należało obserwowanie zmian w układzie technologicznym i ręczna reakcja na zmiany. Brak możliwości pełnej analizy danych oraz obserwacji trendów zmian sygnałów. Operatorzy popełniali wiele błędów, które były trudne do wykrycia przez osoby odpowiedzialne za produkcję.

22

Po wprowadzeniu przez Autora systemu sterowania (rys.2.2) opartego o sterowniki PLC operator może bezpiecznie odciążać maszynę obserwując parametry pracy silnika (rys.2.3).

Rys. 2.3. Tablica synoptyczna obiektu technologicznego

Rys. 2.3. Ekran śledzenia trendów parametrów silnika

23

Zabezpieczenia cyfrowe pracujące w oparciu o model cieplny zezwalają na pracę z do-puszczalnym nagrzewaniem się maszyny. W zabezpieczeniach pól 6 kV pokazywany jest procent wykorzystania mocy cieplnej po przekroczeniu, której silnik będzie wyłączony. Parametr ten ułatwia bezpieczne schłodzenie uzwojeń silnika bez konieczności wyłączania. 2.4. Wprowadzenie systemu kontroli drgań układów napędowych –badania własne

Dużym problemem cementowni jest żywotność łożysk tocznych zainstalowanych na obiektach technologicznych. Złe warunki pracy łożysk w wysokiej temperaturze, w zapyleniu, przy intensywnych drganiach pochodzących od maszyn napędzanych, powodują powstawanie częstych awarii. Praca ciągła układu technologicznego zezwala na przeprowadzanie czynności naprawczych raz w roku. Zadaniem służb utrzymania ruchu jest nie dopuszczanie do awaryjnych wyłączeń instalacji. Ważnym zadaniem jest również określenie podczas remontu, które łożyska trzeba wymienić, a których stan techniczny pozwala na dalsza roczna eksploatację.

Dla zapewnienia optymalnej pracy łożysk autor opracował system kontroli drgań układów napędowych. W oparciu o wibrometr Pruftechnik oraz oprogramowanie wykonano system ścieżek pomiarowych (rys.2.4) obejmujących wszystkie maszyny strategiczne oraz podstawowe.

Dokonywane cykliczne pomiary określają stan techniczny napędu. Ze względu na ciągły tryb pracy pomiary pozwalają w sposób planowy zakwalifikować silniki do wymiany łożysk podczas rocznego remontu. Lepiej jest wymienić niepewne łożysko kilka miesięcy wcześniej niż powodować awaryjne zatrzymanie (jedna doba postoju to 100 tys.zł.).

Obiekty i punkty pomiarowe zostały jednoznacznie oznaczone. Generowane przez system ścieżki pomiarowe ułatwiają organizację prowadzenia pomiarów. Czytelny układ rozmieszczenia punktów pomiarowych na napędzie zapobiega powstaniu błędów pomiarowych.

Rys.2.4. System ścieżek pomiarowych obiektów technologicznych, pomiary off-line drgań bezwzględnych

24

Autor opracował trasy pomiarowe i określił częstotliwość badań okresowych stanu dynamicznego poszczególnych grup maszyn (tabela 2.5) wymienionych w pkt.2.1.

Tabela 2.5. Trasy pomiarowe i częstotliwość badań okresowych pomiarów drgań bezwzględnych

Przedziały pracy maszyny i wartości graniczne prędkości drgań VRMS

[mm/s] Lp. Maszyna układu technologicznego

Częstotliwość pomiarów

VRMS <B B< VRMS <C C< V RMS<D

Maszyny Strategiczne

1. Napęd młyna surowca co 4 tygodnie 2,5 7 10

2. Wentylator młyna surowca co 4 tygodnie 3,5 8,5 11

3. Napęd obrotu pieca wypału klinkieru co 4 tygodnie 2,5 7 10

4. Wentylatory obiegowe pieca nr.051, 098 co 4 tygodnie 3,5 7,5 11

5. Wentylator filtra pieca co 4 tygodnie 3,5 7,5 11

6. Wentylator filtra chłodnika klinkieru

co 4 tygodnie 3,5 7,5 11

7. Wentylatory chłodzenia rusztu chłodnika klinkieru

co 4 tygodnie 3,5 7,5 11

Maszyny Podstawowe

8. Napędy główne młynów cementu nr.1,2,3,4,5

co 8 tygodnie 2,5 7 10

9. Napędy główne młynów cementu nr.6,7 co 8 tygodni 2,5 7 10

11. Napędy kompresorów powietrza nr.1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12

co 8 tygodni 2,5 7 10

12. Pompy wody technologicznej


13. Napędy separatora młynów cementu i surowca


14. Napędy wentylatorów separatora młynów cementu i surowca


Maszyny Pomocnicze

16. Maszyny o silnikach powyżej 100 kW


17. Maszyny o silnikach od 100 kW do 20 kW


18. Maszyny z silnikami o prędkości obrotowej około 3000 odr/min


19. Maszyny o silnikach poniżej 20 kW co 26 tygodni 3,5 9 12

25

2.4.1 Pomiary drgań bezwzględnych off-line

Po głębokiej analizie proponowanych na rynku metod pomiarowych autor wdrożył metodę detekcji obwiedni drgań do oceny stanu technicznego łożysk tocznych układów napędowych w cementowni.

Metoda detekcji obwiedni [17, 18, 19, 20, 21, 22, 51, 57] została opracowana dla celów przemysłowych przez firmę Brϋel & Kjaer [57]. Metoda ta polega na analizie częstotliwościowej drgań rezonansowych maszyny. Uszkodzenia łożysk tocznych powodują generowanie krótkich impulsów drganiowych, pobudzających węzły łożyskowe do drgań rezonansowych. W impulsach tych zawarta jest informacja o rodzaju uszkodzenia i jego intensywności [57].

Znając geometrię łożyska, liczbę elementów tocznych i prędkość obrotową bieżni wewnętrznej względem bieżni zewnętrznej (rys.2.7) można wyznaczyć charakterystyczne częstotliwości składowych harmonicznych sygnału dla poszczególnych elementów łożyska.

Częstotliwości odpowiadające defektom elementów łożyska tocznego można obliczyć w oparciu o zależności[16]: • element toczny: f t = ½ fn D/d 1 – ( d/D cosϕϕϕϕ )2 (2.1) • bieżnia wewnętrzna fw = ½ N fn 1 + d/D cosϕϕϕϕ (2.2) • bieżnia zewnętrzna fz = ½ N fn 1 – d/D cosϕϕϕϕ (2.3) • koszyk fk = ½ fn 1 – d/D cosϕϕϕϕ (2.4)

gdzie: d – średnica elementu tocznego; D – średnica podziałowa łożyska; ϕ – kąt obciążenia łożyska; n – liczba elementów tocznych; fn – częstotliwość obrotów pierścienia zewnętrznego względem pierścienia wewnętrznego.

Rys.2.6. Analizator drgań – zbieracz danych pomiarowych

26

Producenci sprzętu pomiarowego (stosowany sprzęt w cementowni rys.2.6) dostarczają bazę danych z częstotliwościami charakterystycznymi dla danego typu łożyska. Prowadząc analizę widma drgań możemy na ekranie z obrazem widma dodawać linie w miejscach charakterystycznej częstotliwości dla danego defektu łożyska. Ułatwia to analizę i przyspiesza postawienie diagnozy. Przykład

Podczas rutynowych pomirów przebiegających zgodnie z ustalonym systemem ścieżek (rys.2.4) odnotowano wzrost sygnału obwiedni dla łożyska strony napedowej wentylatora młyna surowca nr 051 silnik Sf560Y6-E 1000 kW, 1483 obr/min, 6kV(rys.2.13).

Przeprowadzona analiza pomiarów na podstawie widma obwiedni sygnału przyspieszenia (rys.2.8) oraz prędkosci drgań (rys.2.9) pozycja V wykazała uszkodzenie łożyska strona D ( napedowa). W widmie przyspieszenia dla częstotliwości około 12,42 [Hz] zarejestrowano sygnał charakterystyczny dla koszyka łożyska na poziomie 0,25 [m/s2], sygnał składowej obrotowej 24,83 [Hz] sygnał 0,43 [m/s2]. Pozostałe wartości carakterystyczne łóżyska jak elementu tocznego, bieżni wewnetrznej i zewnętrznej przekraczały poziom 0,1 [m/s2]. Na rys.2.10 przedstawiono tręd sygnału prędkości drgań tego punktu pomiarowego.

Rys.2.7. Przekrój poprzeczny łożyska kulkowego [16]

Rys.2.8. Widmo prędkości drgań bezwzględnych do 3000 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) – uszkodzonego łożyska

27

W dniu 01.03.2012 dokonano zatrzymania napędu w celu wymiany łozyska. Rys.2.11 przedstwwia zdjęcia biezni wewnętrznej, rys.2.12 zdjęcie bieżni zewnetrznej, rys.2.14 przedstawia elementy toczne łożyska NU222E. Na bieżniach widać zużycia powierzchni w formie prążków. Elementy toczne posiadają wytarcia powierzchni zewnętrznych.

Rys.2.9. Widmo przyspieszeń drgań bezwzględnych do 400 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) – uszkodzonego łożyska

Rys.2.10 Trend prędkości drgań bezwzględnych łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo)

Rys 2.11. Bieżnia wewnętrzna łożyska NU222E

Rys 2.12. Bieżnia zewnętrzna łożyska NU222E

28

. Po przeprowadzonej wymianie łożyska wykonano pomiary kontrolne widma drgań dla sprawdzenia czy przyczyną ich było tylko łożysko. Na rys.2.16 przedstawiono widmo drgań przyspieszeń oraz na rys.2.15 widmo prędkości drgań silnika Sf560Y6-E 1000 kW, 1483 obr/min, 6kV strona napędowa pozycja V. Przedstawione pomiary kontrolne rys.2.15 i rys.2.16 potwierdazją poprawę sytuacji drganiowej tego punktu pomiarowego po wymianie łóżyska. W widmie prędkości drgań (rys.2.15) dominująca obrotowa 24,83[Hz] osiągnęła poziom 1,2 [mm/s]. W widmie przyspieszeń drgań (rys.2.16) dla charakterystycznych sygnałów łóżyska wartości nie przekraczają poziomu drgań 0,1 [mm/s2].

Rys.2.15. Widmo prędkości drgań bezwzględnych do 3000 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) – nowego łożyska

Rys.2.16. Widmo przyspieszeń drgań bezwzględnych do 400 Hz łożyska NU 222E silnika wentylatora młyna surowca punkt P1 V (pionowo) – nowego łożyska

Rys 2.13. Silnik Sf560Y6-E 1000 kW, 1483 obr/min, 6 kV

Rys 2.14. Elementy toczne łożyska NU222E

29

Wnioski Pomiary drgań bezwzględnych off-line układów napędowych mogą realizować głównie

zadania stawiane diagnostyce: o Ocena stanu technicznego maszyn w czasie eksploatacji na podstawie śledzenia

i analizy trendów zmian danych pomiarowych pomiarów okresowych maszyn. o Prognozowanie trendu zmian stanu technicznego układu napędowego na

podstawie wyników pomiarów okresowych. o Wykrywanie awarii maszyn i wskazywanie elementów układu napędowego

zagrożonych ewentualnym uszkodzeniem. o Kontrola jakości wykonania remontu rocznego – ocena stanu technicznego

maszyny przed i po remoncie. 2.4.2. Pomiary drgań względnych on-line – badania własne

Pomimo prowadzonych pomiarów drgań bezwzględnych off-line na silnikach z łożyskami ślizgowymi młynów cementu odnotowywano powstawanie uszkodzenia panewek (rys.2.18). W skrajnym wypadku doszło do zatarci wirnika ze stojanem (rys. 2.17). Pomiary off-line nie dawały gwarancji zatrzymania układu napędowego w bezpieczny sposób zapobiegając awarii.

Po przeprowadzonej analizie pracujących napędów z łożyskami ślizgowymi autor

wytypował ze względu na dużą liczbę awarii do pomiarów drgań względnych on-line silnik SYUe-148r/01 1000 kW, 740 obr/min, 6 kV i silnik SAS-158 1000 kW, 750 obr/min, 6 kV. Napędy te są silnikami młynów cementu, zaliczonych do grupy maszyn podstawowych. Rozwiązaniem problemu awarii panewek było wprowadzenie pomiaru drgań względnych wału.

Według wiedzy autora jest to w skali kraju pierwsze tego typu rozwiązanie na silnikach krajowych. Do tej pory ten system stosowano do diagnostyki turbozespołów i turbin.

Metoda polega na określeniu trajektorii czopa wału. Drgania są mierzone przez dwa bezdotykowe (zbliżeniowe) czujniki wiroprądowe mierzące przemieszczenie drgań, umieszczone w obudowie łożyska w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika (rys.2.19). Pomiędzy czujnikami jest kąt 90°. Sygnał napięciowy jest zależny od odległości pomiędzy czujnikiem i powierzchni wału w danej chwili czasowej [57]. Sygnał ten ma składową stałą i zmienną. Składowa stała informuje o średnim położeniu wału względem punktu

Rys 2.17. Zatarty wirnik silnika SYUe-148r/01 1000kW 6 kV

Rys 2.18. Uszkodzona panewka silnika SYUe-148r/01 1000kW 6 kV

30

zamocowania czujnika. Składowa zmienna informuje o chwilowych zmianach położenia wału, czyli drganiach w płaszczyźnie promieniowej [57]. Trajektoria wału jest odniesiona do położenia kątowego wału przez wprowadzenie na wale znacznika, odczytywanego przez czujnik fazy. Sygnały z czujników trafiają do wzmacniaczy kanałów pomiarowych gdzie są przetwarzane i poddawane obróbce. Po przekroczeniu zadanych wartości progowych maksymalnego względnego przemieszczenia Smax (np. Smax=140 µm) na wyjściowe alarmowe podawany jest sygnał o przekroczeniu, który może zatrzymać maszynę. Sygnał może być podawany do systemów nadrzędnych np.PCS7.

Pomiar drgań względnych wału jest uznany za najbardziej przydatny diagnostycznie pomiar maszyn na łożyskach ślizgowych [7, 30, 43, 44, 57]. Oparty o zastosowanie bezstykowych wiroprądowych czujników wrażliwych na mechaniczne, fizykochemiczne i magnetyczne lokalne anomalie warstwy powierzchniowej wału [5, 6, 7,57].

Dla maszyn posiadających łożyska ślizgowe, analiza drgań względnych pozwala na znacznie wcześniejsze zauważenie rozwijającej się niesprawności pracy silnika związanej z wirnikiem i łożyskami, aniżeli analiza drgań bezwzględnych węzła łożyskowego [46, 30, 43, 55].

Przygotowanie specjalnie silników do pomiaru drgań względnych wału obejmowało : • Naprawa silnika

o Klinowanie o Lakierowanie o Próby grzania pakietów o Wykonanie ścieżek pomiarowych na wale przez miejscowe dogniatanie

wału • Dogniatanie ścieżek pomiarowych wału

o rozmieszczenie ścieżek pomiarowych rys.2.20, rys.2.22. o pomiary zjawiska runoutu na ścieżkach pomiarowych rys.2.21, rys.2.23.

Pomiar drgań względnych on-line silnika SYUe-148r/01 przedstawia rysunek 2.20.

Rys.2.19. Mocowanie czujników drgań względnych łożysku ślizgowym silnika SYUe-148r/01[59]

31

Szybko rozwijające się uszkodzenia układu napędowego w maszynach na łożyskach ślizgowych można wykryć posiadając monitoring on-line [7, 30, 43, 44, 57]. Pomiar drgań względnych w maszynach na łożyskach ślizgowych jest korzystniejszy, umożliwia szybsze wykrycie uszkodzenia i zatrzymanie maszyny przez co zmniejsza skutki oraz koszty awarii.

Utrudnieniem stosowania układu jest konieczność przygotowania ścieżek pomiarowych na wałach (ograniczenie zjawiska runoutu całkowitego wału do około 5 µm) rys.2.22. Przygotowanie wirnika przeprowadza się w wyspecjalizowanych firmach..

Zdemontowany wał silnika umieszczany jest w obrabiarce z zamontowanym dogniatakiem diamentowym. W wyznaczonym miejscu wału (rys.2.21) za pomocą dogniataka przy obracaniu wału uzyskujemy powierzchnię wygładzoną z nierównomiernością powierzchni < 5 µm i namagnesowaniu < 5 Gs. Efekt tej operacji jest sprawdzany pomiarami jakości powierzchni określany jako runout całkowity powierzchni. Pomiary runoutu całkowitego ścieżek pomiarowych przed dogniataniem i po dogniataniu przedstawia rys.2.22.

Analizując pracę silników na łożyskach autor zauważa lepsze wykrywanie uszkodzeń przez pomiary drgań względnych.

Rys.2.21. Usytułowanie ścieżki pomiarowej na wale od strony napędowej

Rys.2.22. Runout całkowity ścieżek pomiarowych przed dogniataniem (górny rysunek) i po dogniataniu (dolny rysunek) strona napędowa

Rys 2.20. System pomiaru drgań względnych silnika SYUe-148r/01 1000kW 6 kV

32

Analizuj ąc przykład: W układzie monitoringu młyna cementu odnotowano wystąpienie przekroczenia

dopuszczalnych drgań względnych wału strona napędowa. Dla potwierdzenia dokonano doraźnego pomiaru drgań bezwzględnych układu napędowego.

Wartości drgań bezwzględnych na stojakach łożyskowych silniku SYUe-148r/01 1000kW, 6 kV, 740 obr/min były do zaakceptowania. Pomiar drgań względnych wału silnika (rys.2.23) wskazał przekroczenie wartości amplitudy drgań powyżej wartości alarmowej dla tego napędu to jest 140 mikrometrów (rys.2.23). Dla sprawdzenia źródła drgań wykonano pomiary drgań bezwzględnych węzłów łożyskowych przekładni. Największe drgania wykazywał węzeł łożyskowy wału szybkiego na poziomie 3,4 mm/s (rys.2.24).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

17.08 03.09 07.09 07.09 08.09 09.09 10.09 11.09 14.09 18.09 21.09 22.09

data

mik

ro

me

tr

Łożysko1max

Łożysko2max

Na rys.2.25 przedstawiono wyniki pomiarów diagnostycznych, trend prędkości drgań widma prędkości drgań bezwzględnych stojaka łożyskowego przekładni. Zmiany w charakterze widma typu pojawienie się subharmonicznych 1/3×fobr, 2/3×fobr mogą świadczyć o występowaniu luzu gniazda łożyskowego.

2008/ 04/ 11 2008/ 07/ 11 2008/ 10/ 10 2009/ 01/ 09 2009/ 04/ 10 2009/ 07/ 10 2009/ 10/ 09 2010/ 01/ 08 2010/ 04/ 09 2010/ 07/ 09 2010/ 10/ 08 2011/ 01/ 07data

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

v [mm/ s] Zespół napędowy mł yna c ementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ Trend prędk ośc i drgańZespół napędowy mł yna c ementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ Trend prędk ośc i drgańZespół napędowy mł yna c ementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ Trend prędk ośc i drgańZespół napędowy mł yna c ementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ Trend prędk ośc i drgańM

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

16

rms

Rys.2.24. Trend Drgania bezwzględne stojaka łożyskowego od strony napędowej, kierunek VRMS, przykładowego silnika, 740 obr/min. Wzrost wartości do poziomu 3,4 mm/s.

Rys.2.23. Wykres trendu drgań względnych węzła łożyskowego silniku SYUe-148r/01 1000kW, 6 kV (obniżenie wartości nastąpiło po naprawie przekładni)

33

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200f [Hz]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6v rms [mm/ s] Zespół napędowy mł yna cementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ W idmo prędk ośc i drgań 200 Hz 2011/ 02/ 23 09:08:38Zespół napędowy mł yna cementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ W idmo prędk ośc i drgań 200 Hz 2011/ 02/ 23 09:08:38Zespół napędowy mł yna cementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ W idmo prędk ośc i drgań 200 Hz 2011/ 02/ 23 09:08:38Zespół napędowy mł yna cementu MC2\ Silnik MC2\ MC2_N_V (PIONOW O)\ W idmo prędk ośc i drgań 200 Hz 2011/ 02/ 23 09:08:38M

(16,4

5) 1.R

es. R

PM

(32,9

0) 2.R

es. R

PM

(49,3

5) 3.R

es. R

PM

(65,8

0) 4.R

es. R

PM

Maszynę zatrzymano do rewizji wewnętrznej przekładni. Po rewizji wewnętrznej przekładni stwierdzono w łożysku przekładni wałka szybkiego od strony napędowej nieprawidłowy luz gniazda łożyskowego (rys.2.26 i 2.27), co mogło doprowadzić do wybicia obudowy łożyska. Przekładnię naprawiono przez wymianę łożysk i skasowano luzu gniazda łożyskowego.

Wnioski:

• Analiza drgań względnych wału silnika pozwoliła na wcześniejsze wykrycie rozwijającej się niesprawności ułożyskowania napędzanej przekładni. Pomimo prowadzonych cyklicznie pomiarów drgań bezwzględnych obudowy węzłów łożyskowych przekładni nie stwierdzono rozwijającego się uszkodzenia. Pomiar on-line drgań względnych wału silnika wykazał wzrost amplitudy drgań do wartości 140 mikrometrów, co spowodowało przeprowadzenie dodatkowych pomiarów drgań bezwzględnych. Na podstawie analizy pomiarów podjęto decyzji o odstawieniu z pro-dukcji młyna cementu w celu dokonania rewizji wewnętrznej przekładni. Takie

Rys.2.25. Drgania bezwzględne stojaka łożyskowego od strony napędowej, kierunek V, VRMS, przykładowego silnika, 740 obr/min.

Rys.2.26. Rewizja przekładni napędu głównego młyna cementu

Rys.2.27. Wał szybkoobrotowy przekładni napędu głównego młyna cementu z uszkodzonym łożyskiem

34

działanie uchroniło przekładnię od zniszczenia gniazd łożyskowych wału szybkoobrotowego.

• Drgania bezwzględne obudowy są „obciążone swoistą skazą”. Uwzględniają one drogę przejścia sygnału drganiowego od wału przez warstwę oleju na obudowę. Sygnał drgań bezwzględnych zawiera informacje o stłumionym przez film olejowy sygnale drgań wału silnika. Oznacza to, że dla diagnostyki silników na łożyskach ślizgowych korzystniejsze jest dla większości przypadków anomalii pracy, analizowanie drgań względnych wału aniżeli drgań bezwzględnych obudów łożysk [57].

• Stosowanie obydwu technik pomiaru drgań uzupełnia się, można wtedy zauważyć wszystkie istotne zakłócenia w pracy układu napędowego, które znajdują odbicie

w drganiach względnych i bezwzględnych [57].

• Przedstawione wyniki analizy sygnału drgań względnych wałów silników pierścieniowych potwierdzają tezę pracy iż, sygnały te zawierają informację o stanie technicznym badanego napędu.

2.5. Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń

W eksploatacji maszyn elektrycznych istotne jest śledzenie procesu starzenia się izolacji uzwojeń. Właściwa ocena stopnia zużycia izolacji uzwojeń maszyny jest podstawą do planowania i przeprowadzania remontów. Zaplanowane, przygotowane i we właściwym czasie wymienione uzwojenia minimalizują koszty z tym związane i są gwarancją dalszej niezawodnej eksploatacji maszyny [28]. Dodatkową zaletą systematycznych pomiarów jest możliwość oceny jakości wykonywanych napraw w trakcie eksploatacji silnika. Systemy izolacyjne maszyn elektrycznych

Żywotność napędu elektrycznego w dużym stopniu zależy od stanu izolacji. Izolacja uzwojeń w napędzie elektrycznym jest złem koniecznym, gdyż [62]: - nie uczestniczy w wytwarzaniu momentu elektromagnetycznego, - pomniejsza w pewnym stopniu współczynnik zapełnienia żłobka przewodami, - ogranicza odprowadzanie powstałego w podczas pracy ciepła z przewodów, - jest stosunkowo droga, około 35% ceny silnika wysokonapięciowego.

Rozwijająca się chemia materiałów plastycznych doprowadziła do produkcji systemów izolacyjnych lepiej przewodzących ciepło o cieńszych powłokach odpornych na temperaturę. Dla przykładu stosowania nowych materiałów możemy prześledzić produkcję cewek wysokiego napięcia dla turbogeneratorów. Stosuje się w nich materiały takie jak [65]: - przewody miedziane (A), - izolację przewodu (B), - materiały na łączenie pakietów (C), - materiały na izolację główną: a) VPI - taśma mikowa (D) + żywica (H), b) Resin-Rich - taśmy mikowe (D), - farba przewodząca lub taśma przewodząca (w części żłobkowej) oraz taśma półprzewodząca (w części czół cewek) (F), - taśmy wykończeniowe lub uszczelniające (E), - materiały usztywniające, wzmacniające (G), - kliny i podkładki pod kliny (I).

35

Rys.2.28. Obraz systemu izolacyjnego [65]

Powierzchniową ochronę przeciwjarzeniową uzyskuje się dzięki specjalnie dobranym taśmą: przewodzącej w części żłobkowej i półprzewodzącej na czołach symbol (F) (rys.2.28) [65].

Warstwa ochronna przeciwjarzeniowa zapewnia właściwy rozkład potencjału, niweluje szczególne nierównomierności pola elektrycznego, zwłaszcza w miejscach wyjścia boku cewki ze żłobka [57].

Obecnie w kraju i na świecie dominują dwie technologie wykonania izolacji w produkcji nowych silników wysokiego napięcia:

• Izolacja termoutwardzalna, izolacja prasowana z zastosowaniem termoutwardzalnych taśm mikowych z dużą zawartością lepiszcza. W literaturze nazywana Resin-Rich-RR [4, 46, 56, 57, 58].

• Izolacja wykonana technologią próżniowo-ciśnieniową VPI (Vacuum Pressure Impregnation), izolacja z zastosowaniem porowatych taśm mikowych o małej zawartości lepiszcza [4, 48, 49, 50, 56, 57, 61].

Izolacja Resin-Rich wykonywana jest dwoma sposobami [46, 56, 57]: o Izolacja mieszana. Charakteryzuje się zastosowaniem różnych taśm mikowych dla części

prostej (żłobkowej) musi być sprasowana i utwardzona, dla części czołowej cewki posiada żywicę już utwardzoną lub utwardzenie następuje w trakcie pracy silnika. Na połączeniu dwóch rodzajów izolacji dochodzi do najczęstszych awarii, jest to najsłabszy punkt tego rozwiązania technologicznego [46, 56].

o Izolacja ciągła. Na całej długości cewki zastosowana jest ta sama taśma mikowa. W ten sposób zlikwidowano słaby punkt poprzedniej technologii. Część prosta i część czołowa muszą być sprasowane i utwardzone w tym samym czasie. Nie ma możliwości dodatkowego kształtowania czół cewek w trakcie końcowego montażu. Czoła muszą być dokładnie uformowane w czasie produkcji uzwojenia. Wymaga to stosowania specjalistycznego oprzyrządowania, co podnosi znacznie koszty tej technologii.

Izolacja VPI Układ izolacyjny VPI silnika bazuje na materiałach porowatych [4, 48, 56, 57]. Cewki

posiadają izolację główną ciągłą, wykonaną z taśm mikowych w stanie nieutwardzonym.

36

Następny proces to zwojenie tymi cewkami rdzenia stojana bez kadłuba. Układ izolacyjny silnika uzyskuje się w procesie impregnacji próżniowo-ciśnieniowej w żywicach poliestrowych lub epoksydowych i utwardzonych w piecu [48, 49, 50, 56, 57]. Parametry impregnacji dobiera się w zależności od rodzaju materiałów izolacyjnych i grubości izolacji. 2.5.1 Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń napięciem stałym off-line

W cementowni autor wdrożył pomiary izolacji uzwojeń napięciem stałym metodą prof. Tadeusza Glinki opisaną w literaturze [23, 24, 25, 26, 27, 28] oraz w Polskiej Normie PN-E-04700 [47].

Prowadząc eksploatację silników WN i stosując tą metodę możemy wyznaczyć horyzonty czasowe prawidłowej pracy silników.

Zachowanie się układu izolacyjnego o dużym stopniu zużycia przy badaniach ich izolacji metodą prądu stałego w sposób zasadniczy różni się od zachowania układu izolacyjnego dobrego. Dla izolacji nowej, dobrej, prąd upływu ip maleje wykładniczo z upływem czasu do wartości Uo/R60, Uo/R600.

Dla izolacji bardzo mocno zużytej prąd upływu nie ustala się, a charakter jego zmian jest stochastyczny, z możliwymi obszarami, w których kierunek prądu zmienia się na przeciwny [27, 28]. Przebieg stochastyczny prądu upływu dla izolacji dobrej i zużytej przedstawiono na rys.2.29.

Metoda prof. Tadeusza Glinki w literaturze [32, 33, 39, 40, 41] ze względu na swój charakter nazwana została wielokryterialną metodą prądu stałego (WMPS). Wykorzystanie metody WMPS wydaje się stosunkowo skutecznym narzędziem z uwagi na wykorzystanie zjawisk powstawania napięcia relaksacji w wewnętrznych elektrycznych pojemnościach dielektryka (rys.2.29), które powstają we wszelkiego rodzaju wtrącinach powietrznych i pęknięciach. Należy także wspomnieć, że metoda ta jest stosunkowo odporna na zakłócenia zewnętrzne [41].

Rys.2.29. Przebieg prądu upływu dla izolacji dobrej i zużytej ip (t) układu izolacyjnego po skokowym załączeniu napięcia stałego [28]

1 - dla izolacji nowej (zdrowej) 2 - dla izolacji całkowicie zużytej

37

Rys. 2.30. Schemat zastępczy układu izolacyjnego [26] Pokazane w schemacie zastępczym (rys.2.30) pojemności wewnętrzne izolacji C1 i C2 przedstawiają rozwarstwienie i popękanie izolacji, C3 pojemność powierzchniowa, R1, R2, R3 to rezystancje wewnętrzne, a R60 reprezentuje rezystancję zastępcza izolacji zmierzoną prądem stałym po 60 sek. – stan ustalony. Działanie iskierników modeluje chwilowe wewnętrzne wyładowania, zwieranie i rozwieranie pojemności układu zastępczego [27]. Badanie układu izolacyjnego napięciem stały według metody T.Glinki obejmuje następujące próby [27]:

• Wyznaczanie charakterystyki R60=f(U), • Pomiar przebiegu czasowego prądu upływu ip po skokowym załączeniu, na całkowicie

rozładowany układ izolacyjny, napięcia stałego o wartości Un, • Naładowanie układu izolacyjnego do napięcia znamionowego, aż do stanu ustalonego,

a następnie odłączenie napięcia zasilającego i zwarcie układu izolacyjnego na czas t2 po czym rozwarcie układu izolacyjnego i pomiar charakterystyki odbudowy napięcia na układzie izolacyjnym Uod(t).

Wyniki badań porównuje się z kryteriami oceny stanu izolacji (rys.2.31) przedstawionymi przez autora metody w publikacji [26].

Rys.2.31. Kryteria oceny wyników badań izolacji metodą T. Glinki [26]

38

Wyżej wymienione badania autor zleca firmie zewnętrznej, która wykonuje pomiary na specjalnie przygotowanych stanowiskach pomiarowych. Dla dużych jednostek jest możliwe częściowe wykonanie pomiarów na stanowisku pracy silnika. Firma prowadzi pomiary w oparciu o metodę T.Glinki (WMPS) polegająca na pomiarze charakterystyk: I60=f(U), R60=f(U) oraz przebiegów czasowych: Iład=f(t), Uodb=f(t) oraz określając współczynnik DFŁ (współczynnik Ławrowskiego) wprowadzony do oceny stanu izolacji silników wysokiego napięcia określony wzorem[32, 33, 39, 40, 41, 57]:

DFŁ = (Ip*Un)/t od*(Up/Un). (2.5)

Współczynnik ten jest ilorazem iloczynu wartości ustalonej prądu upływu w [µA] i wartości napięcia znamionowego w [V] oraz iloczynowi wartości czasu odbudowy napięcia w sekundach [s] oraz hipotetycznego napięcia przebicia izolacji odniesionego do napięcia znamionowego [57]. Osiągnięcie mniejszych wartości współczynnika oznacza lepszy stan izolacji. Przykład badania stanu izolacji uzwojeń prądem stałym

Silnik napędu młyna cementu ze zużytą izolacją poddany procesowi naprawy: Typ: DSE 1318 – 6 Nr fabr. 228835 Rok: 1970 Moc: 1000 kW Klasa Izolacji: F Praca: S1 Un=6 kV, In=117 A, f= 50 Hz, cos Φ = 0,88 W ramach prac prowadzonych na silniku typu DSE 1318-6 wykonano następujące czynności remontowe(rys.2.32, rys.2.33, rys.2.34, rys.2.35): · Mycie stojana i wirnika. · Suszenie w piecu stojana i wirnika. · Klinowanie luźnych prętów uzwojeń w żłobkach. · Wymiana uszkodzonych bandaży na czołach uzwojeń stojana. · Lakierowanie uzwojeń stojana i wirnika. · Przeszlifowanie pierścieni ślizgowych wirnika. · Wymiana szczotek. · Regeneracja pękniętych pokryw łożyskowych. · Wymiana łożysk. · Malowanie korpusu silnika.

Rys.2.32. Stojan silnika DSE 1318-6 przed remontem

Rys.2.33. Popękane bandaże uzwojeń stojana

39

Rys. 2.36. Przebieg zmian prądu upływy (I15, I60) przy zmianie napięcia pomiarowego – uzw. stojana [17]

Przeprowadzone pomiary po remoncie wykazały obniżenie charakterystyk zmian prądu

upływy (I15, I60) przy zmianie napięcia pomiarowego dla uzwojenia stojana (rys.2.36) z war-tości maksymalnej prądu upływu I15= 16 µA do wartości I15= 8 µA oraz z wartości maksymalnej prądu upływu I60= 14,4 µA do wartości I60= 6,2 µA. Dla uzwojenia wirnika zaobserwowano obniżenie charakterystyk zmian prądu upływy (I15, I60) przy zmianie napięcia pomiarowego (rys.2.37) z wartości maksymalnej prądu upływu I15= 5 µA do wartości I15= 1,8 µA oraz z wartości maksymalnej prądu upływu I60= 5 µA do wartości I60= 1.8 µA. Pomiary te wykazują znaczny wzrost stanu izolacji stojana i wirnika po przeprowadzonym remoncie.

Analizując zarejestrowane przebiegi czasowe prądu upływu Iupł. = f(t) uzwojenia stojana obserwujemy obniżenie charakterystyki w osi „y” o wartość 3 µA (rys.2.38). Zauważamy zmniejszenie wartości początkowej prądu upływu (Iupł) z wartości 20 µA przed remontem do wartości 10 µA po remoncie, zmniejszenie wartości końcowej Iupł z wartości 4 µA do wartości 1,5 µA. Dla uzwojenia wirnika obserwujemy obniżenie charakterystyki w osi „y” o wartość 2 µA (rys.2.39) odpowiednio nie zanotowano zmiany wartości początkowej prądu upływu (Iupł), odnotowano zmniejszenie wartości końcowej Iupł z wartości 3.4 µA do wartości 1,4 µA.

Rys.2.34. Wyjęte luźne kliny Rys.2.35. Zregenerowane uzwojenie stojana po remoncie

Rys.2.37. Przebieg zmian prądu upływy (I15, I60) przy zmianie napięcia pomiarowego – uzw. wirnika[17]

40

Analizując charakterystyki odbudowy napięcia w układzie izolacyjnym stojana (rys.2.40) stwierdzamy znaczny wzrost czasu odbudowy z wartości 660 [s] do wartości 1380 [s] przy podobnej wartości szczytowej. W wirniku (rys.2.41) nie odnotowano większych zmian wartości i przebiegów napięcia odbudowy.

Dla uzwojenia stojana wartość współczynnika Ł (DFŁ) po remoncie (rys.2.42) zmalał do 26,43 z wartości 280,9 przed remontem. Taka wartość współczynnika Ł(DFŁ) określana jest jako dobry stan izolacji dla silników o napięciu znamionowym 6 kV.

Rys.2.38. Przebieg czasowy prądu upływu Iupł. = f(t) uzw. stojana [17]

Rys.2.39. Przebieg czasowy prądu upływu Iupł. = f(t) uzw. wirnika [17]

Rys.2.41. Przebieg napięcia odbudowy Uodb. = f(t) uzw. wirnika [17]

Rys.2.40. Przebieg napięcia odbudowy Uodb. = f(t) uzw. stojana [17]

Rys.2.42. Graficzna prezentacja stanu układu izolacyjnego uzwojenia wirnika na podstawie współczynnika Ł(DFŁ)-uzwojenie stojana [17]

41

Dla uzwojenia wirnika wartość współczynnika Ł (DFŁ) przed remontem (rys.2.43) wynosiła 64,81, po remoncie współczynnik Ł(DFŁ) zmalał do 17,18. Taka wielkość współczynnika Ł(DFŁ) oznacza, że układ izolacyjny jest w dobrym stanie.

Przeprowadzony remont uzwojeń silnika w zakresie podanym wyżej został potwierdzony pozytywnymi wynikami pomiarów oraz spadkiem współczynnika Ł(DFŁ) do wartości zaliczanych jako dobre dla silników będących w eksploatacji. Remont słabego uzwojenia stojana o wartości Ł(DFŁ) =280,9 bliskiej granicznej nie dopuszczalnej wartości Ł(DFŁ)>300 został przeprowadzony w wystarczającym zakresie (bez przezwojenia uzwojenia) do uzyskania pełnej sprawności Ł(DFŁ)= 26,43. Wnioski

W przedstawionym przykładzie obserwujemy poprawność oceny stanu izolacji uzwojeń silników na podstawie badania układu izolacyjnego napięciem stałym według metody profesora Tadeusza Glinki.

Wyniki badania pozwalają podjąć prawidłową decyzję o przeprowadzeniu remontu. Prowadząc politykę remontową musimy zdecydować o zakresie napraw, zwracając uwagę na ponoszone koszty. Po dokonanym remoncie istotną sprawą jest potwierdzenie lub nie potwierdzenie poprawy parametrów technicznych remontowanego silnika.

Jedynym utrudnieniem prowadzenia tych badań w czasie eksploatacji maszyn w ce-mentowniach jest konieczność zatrzymania urządzenia, co przy ruchu ciągłym jest możliwe raz do roku. 2.5.2. Badania diagnostyczne izolacji uzwojeń na podstawie pomiarów wyładowań niezupełnych on-line Model wyładowań niezupełnych w systemie izolacyjnym

Wykrycie wyładowań niezupełnych w układzie izolacyjnym jest możliwe dzięki obserwacji i badaniu m.in. takich zjawisk jak [58]:

- emisja fal elektromagnetycznych, - powstawanie impulsu prądowego, - własności dielektryczne, - reakcje chemiczne, - występowanie fali akustycznej.

Poszczególne zjawiska pojawiają się w układach izolacyjnych z różnym natężeniem zależnie od rodzaju dielektryka [58]. Podczas występowania wyładowania niezupełnego powstaje nieznaczny impuls prądowy wraz z falą elektromagnetyczną, której natężenie jest związane z wielkością prądu wyładowania [58]. Pomiar natężenia fali elektromagnetycznej

Rys.2.43. Graficzna prezentacja stanu układu izolacyjnego uzwojenia wirnika na podstawie współczynnika Ł(DFŁ)-uzwojenie wirnika [17]

Stan układu izolacyjnego przed renowacją Ł=64,81

42

jest pomiarem pośrednim, a wartości mierzone napięć są proporcjonalne do wartości ładunku wyładowania [57]. Poprzez pomiar parametrów elektrycznych układu izolacyjnego na jego zewnętrznych elektrodach, można określić wyładowania niezupełne znajdujące się wewnątrz układu izolacyjnego [58]. Do opisu zjawiska wyładowania niezupełnego stosuje się przeważnie model układu izolacyjnego z pęcherzykiem gazowym – inkluzją gazową (model a-b-c), przedstawiony na rys. 2.44 [21, 58, 65].

Rys. 2.44. Model i schemat zastępczy układu izolacyjnego z pęcherzykiem gazowym, który jest źródłem

powstawania wyładowania niezupełnego [21, 65] Elementy schematu układu izolacyjnego [21, 58, 65]:

εS - przenikalność elektryczna dielektryka izolacji, εg - przenikalność elektryczna pęcherzyka gazowego, Cc - pojemność pęcherzyka gazowego, Ca’, Ca” - pojemności składowe równoległe do źródła wnz w układzie izolacyjnym, Cb’, Cb” - pojemności składowe szeregowe z pęcherzykiem gazowym, Rc - zastępcza rezystancja kanału wyładowania w jego źródle,

S - łącznik sterowany wartością pola elektrycznego w źródle wyładowań.

Zakłada się, że źródłem wnz jest inkluzja gazowa (mała wtrącina gazowa –kawerna), εS > εg co powoduje, że natężenie pola elektrycznego w inkluzji gazowej jest większe od natężenia pola w dielektryku izolacji [21, 65]. Pojemności sumaryczna Ca składowych równoległych do źródła wnz w układzie izolacyjnym równa się [46]:

aC

aC

aC ′′+′=

Pojemność zastępcza Cb z pojemności szeregowych z źródłem wnz wynosi [57]:

bCbCbCbC

bC

′′+′′′′

=

Jednocześnie ma miejsce nierówność [57]:

bC

cC

aC ⟩⟩⟩⟩

Jeżeli do pojemności kawerny Cc zostanie przyłożone napięcie o wartości przekraczającej napięcie zapłonu Ucz (zwarcie łącznika S), to rozładuje się kondensator Cc przez opornik Rc ograniczający amplitudę prądu rozładowania. Przy małych wymiarach kwerendy izolacji, proces ten zachodzi w czasie około 10-9 s. Wyładowanie rozpoczyna się po przekroczeniu na

(2.6)

(2.7)

(2.8)

43

pojemności Cc napięcia Ucg. Dla ogólnego przypadku wartości tych napięć są różne dla przeciwnych biegunowości oraz zmienne w każdym kolejnym wyładowaniu [21, 65].

( )cgcgczcz UU i UU −≠+−≠+

Proces ten zobrazowany jest na rys.2.68. Różnica napięcia zapłonu i gaśnięcia na pojemności pęcherzyka powietrza Cc wynosi [57]:

cgczc UUU −=∆

jest ona proporcjonalna do rzeczywistego ładunku qc [57]:

( ) ccccbc UCUCCq ∆⋅≅∆⋅+≅

Wyładowanie to powoduje zmianę napięcia na układzie elektrod zewnętrznych proporcjonalne do wartości rzeczywistego ładunku wnz qc [46]:

( ) ( )cb

c

ba

bc

ba

ba CC

q

CC

CU

CC

CU

+⋅

+≅∆

+=∆

Wartości pojemności modelu (rys.2.44) nie są znane, więc nie można wyliczyć ładunku qc Wprowadzono pojęcie ładunku pozornego q (apparent charge) [21, 57, 65]. Ładunek pozorny jest równy ładunkowi doprowadzonemu do zewnętrznych elektrodach układu, który powoduje takie same skutki w zewnętrznym układzie pomiarowym i wynosi [57]:

( ) abac UCCq ∆⋅+≅

Zależność między ładunkiem pozornym a rzeczywistym opisuje wzór [57]:

b

c

b

cc

C

C

C

C

q

q≅+≅ 1

Na rys.2.44. [21, 65] przedstawiono przebiegi napięć na zewnętrznych elektrodach układu izolacyjnego (rys.2.45) przy napięciu przemiennym 50 Hz w pierwszym okresie napięcia probierczego Ua. Założono, że do modelu jest dołączony zewnętrzny układ pomiarowy- układ detekcyjny, w którym rejestrowane są wyładowania. Na rysunku zaznaczono zakresy fazowe występowania impulsów wyładowań ∆φ+ i ∆φ- [64]. Zagadnienie szczegółowo jest przedstawione w literaturze [21, 22, 29, 31, 65].

(2.9)

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

44

gdzie:Ua - napięcie probiercze na zewnętrznych elektrodach układu, Uc’ - napięcie na pojemności pęcherzyka gazowego ( CC ) przed wyładowaniami, Uc” - napięcie na pojemności pęcherzyka gazowego ( CC ) podczas wyładowań, Ucz - napięcie zapłonu wyładowań, Ucg - napięcie gaśnięcia wyładowań, Um - napięcie na impedancji pomiarowej – detekcyjnej, ∆φ - zakresy fazowe wyładowań, φ cz, φ cq - kąty fazowe zapłonu i gaśnięcia wnz.

W czasie wyładowania następuje zmiana ładunku zgromadzonego, co powoduje zmianę energii całego układu modelowego a-b-c [57]. Energię wyładowania w inkluzji gazowej o pojemności CC opisuje wzór [57]:

( )22

2

1cgczcc UUCW −≅∆

Zmiana energii całego układu modelowego ∆W na zewnętrznych elektrodach modelu określa równanie [57]:

( ) ( )[ ]22

2

1aaabac UUUCCW ∆−−⋅+≅∆

Wprowadzając wartość chwilową napięcia Ui, gdzie Ui=Ua w chwili pojawienia się wyładowania, można napisać wzór na energię i-tego wyładowania [57]:

iiaii UqUqWW =≈∆=

Rys.2.45. Przebieg napięć w modelu a-b-c przy napięciu przemiennym 50 Hz [65]

(2.15)

(2.16)

(2.17)

45

Energia pojedynczego wyładowania Wi jest równa iloczynowi wartości chwilowej

napięcia Ui w czasie wyładowania oraz proporcjonalna do ładunku pozornego qi.

Wyładowania mogą mieć energię o wartości dodatniej oraz ujemnej [21, 57, 65]. Zagadnienie

jest szczegółowo przedstawione w literaturze [21, 64].

Wielkości charakterystyczne wnz w czasie pomiarów to [57]:

• Ładunek maksymalny wyładowań qmax; jest to największy powtarzalny ładunek

wyładowań występujący podczas pomiarów.

• Współczynniki normalizujące:

o Współczynnik Qm (rys.2.46) jest to amplituda wzn odpowiadająca

występowaniu 10 impulsów na sekundę. Wartość ta określa jak głęboka jest

degradacja izolacji w najsłabszym miejscu uzwojenia, przy danej polaryzacji

impulsów. Qm wyznacza się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji

impulsów Qm+ i Qm- -producent aparatury diagnostycznej używanej przez

autora oznacza te współczynniki symbolami Qmax , Qmax+ , Qmax- [mV]. o Współczynniki NQN (Normalized Quantity Number) (rys.2.30); Jest to

całkowita liczba impulsów wnz przy danej polaryzacji impulsów. NQN

wyznacz się oddzielnie dla dodatniej i ujemnej polaryzacji impulsów; NQN+

i NQN- - producent aparatury diagnostycznej używanej przez autora

oznacza te współczynniki symbolami Pulse Count –PPS [n.pulse/s]

• Parametr PDI (Partial Discharge Intensity) [56]. Jest to moc liczona wg wzoru (2.17)

dla rzeczywistych wartości napięć, jednakowych dla wszystkich impulsów, a nie

chwilowych, indywidualnych napięć ui (dla każdego ładunku qi).- producent

aparatury diagnostycznej używanej przez autora oznacza ten parametr jako pdi [mW].

Rys.2.46. Wykres wnz dla przykładowej maszyny ilustrujący sposób wyznaczania współczynników normalizujących Qmax+ i NQN+ według firmy ADWEL [19]

46

Aparatura diagnostyczna do pomiarów wyładowań niezupełnych używana przez autora

obok wymienionych wyżej współczynników normalizujących posiada dodatkowe opcje

pomiarowe. Zostaną one omówione w rozdziale 3 (punkt 3.1).

Typowe źródła defektów w izolacji maszyn elektrycznych Na rys.2.47 przedstawiono za [29] typowe źródła defektów w izolacji silnika i schemat zastępczy oraz charakterystyczne cechy sygnałów wnz odpowiadające powstającym defektom.

Wyładowania niezupełne powstają w szczelinach powietrznych (wady wykonania izolacji cewek, rozwarstwienia powstałe podczas eksploatacji). Możemy defekty pogrupować ze względu na miejsce powstawania:

• Szczelina powietrzna pomiędzy miedzią uzwojenia a izolacją. Charakterystycznym zjawiskiem uszkodzenia typu szczelina powietrzna przy miedzi uzwojenia, jest podwyższona intensywność wyładowań niezupełnych w połówce dodatniej napięcia probierczego, a mniejsza w połówce ujemnej (rys.2.48) [1, 57], jednocześnie qmax+ > qmax-, inny zapis PD+< PD- .

Rys.2.48. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji amplitudy wyładowań z przewagą impulsów wnz o

polaryzacji ujemnej, defekt typu szczelina powietrzna przy miedzi uzwojenia dla przykładowego napędu przemysłowego [1, 57]

Rys.2.47. Typowe uszkodzenia izolacji maszyn elektrycznych oraz odpowiadający im schemat zastępczy [29]

PD+< PD-

47

• Szczelina powietrzna wewnątrz samej izolacji. Charakterystycznym zjawiskiem uszkodzenia tego typu jest zbliżona intensywność wyładowań niezupełnych w połówce dodatniej i ujemnej napięcia probierczego rys.2.49 [1, 57], jednocześnie qmax+ ≈ qmax- , inny zapis PD+ ≈ PD- .

Rys.2.49. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji amplitudy wyładowań przy podobnej intensywności wnz o polaryzacji dodatniej i ujemnej, szczelina powietrzna wewnątrz izolacji dla przykładowego napędu

przemysłowego [1, 57]

• Szczelina powietrzna pomiędzy izolacją a rdzeniem stojana, nieskuteczna ochrona przeciwjarzenowa żłobka, wyładowania na czołach uzwojenia. Charakterystyczną cechą takiego defektu jest większa intensywność wnz w ujemnej połówce napięcia probierczego niż w połówce dodatniej rys.2.50 [1,57], jednocześnie qmax+ < qmax-, inny zapis PD+> PD-.

Rys.2.50. Częstotliwość impulsów wnz w funkcji amplitudy wyładowań z przewagą impulsów wnz o polaryzacji dodatniej, defekt typu szczelina powietrzna między izolacją a rdzeniem stojana dla przykładowego napędu przemysłowego [1, 57]

• Uszkodzona powłoka przeciwjarzeniowa czoła uzwojenia. Charakterystyczną cechą

takiego defektu jest większa intensywność wnz w ujemnej połówce napięcia

48

probierczego niż w połówce dodatniej, qmax+ < qmax- , inny zapis PD+> PD- przy koncentracji ładunków maksymalnych dla kąta fazowego Φ = 225o÷ 250o [1, 57].

3. Pomiary wyładowań niezupełnych w warunkach przemysłowych- badania własne

3.1. Aparatura diagnostyczna do pomiaru wyładowań niezupełnych on-line InsulGard firmy Eaton Cutler-Hammer

Centralna jednostka monitorująca wykrywa i analizuje wnz o częstotliwościach 1 ÷ 20 MHz. Wnz zbierane są przez kondensatory i rezystory RTD (spełniające funkcję anteny) zabudowane w silniku. Analiza wyładowań niezupełnych może dostarczyć informacji o początkowych stadiach degradacji izolacji. Dokładne wskazanie miejsca potencjalnego uszkodzenia ułatwi proces naprawy. Poniżej przedstawiono schemat główny pomiaru wzn silnika.

Urządzenie monitorujące wyładowania niezupełne InsulGard składa się z jednostki monitorującej (rys.3.1) [45].

Rys. 3.1. Aparatura InsulGard firmy Cutler-Hammer przygotowana do montażu na obiekcie [36] Na rysunku 3.2 przedstawiono schemat połączeń układu czujników zewnętrznych zamontowanych na silniku pomiaru on-line wyładowań niezupełnych podłączonych do układów wejściowych aparatury InsulGard .

Klawiatura

Diody sygnalizacyjne

Port RS 485

Modem Wyświetlacz komunikacyjny

49

Sygnały pomiarowe pochodzą z czujników RTD oraz kondensatorów sprzęgających przyłączonych do zacisków wejściowych stojana. Termorezystor w układzie do monitoringu wnz spełnia funkcję anteny częstotliwości radiowych, która rejestruje wyładowania niezupełne i przesyła sygnał do zespołu antenowego RTD (Cutler-Hammer rys.3.3), który tłumi i separuje sygnał wnz od zakłóceń [33]. Listwa RTD stwarza możliwość podłączenia sześciu czujników termorezystancyjnych jednocześnie nie zakłócając pomiaru temperatury. Sygnał w listwie RTD jest również wzmacniany i przesyłany dalej do układu monitorującego wyładowania niezupełne [45]. Pomiary są zapisywane w urządzeniu InsulGard w postaci pakietów danych, mogą być przesyłane sygnałem 4-20 mA lub łączem RS485 do systemu nadzorującego. Połączenie bezpośrednie pozwala na natychmiastową analizę i wygenerowanie alarmu w razie przekroczenia dopuszczalnego poziomu wyładowań niezupełnych [45].

Rys.3.3. Listwa RTD firmy Cutler-Hammer schemat połączeń termorezystorów [36]

Rys.3.2. Schemat połączeń układów zewnętrznych pomiaru on-line wyładowań niezupełnych InsulGard firmy Cutler-Hammer [37]

50

Do urządzenia monitorującego InsulGard dla kanałów oznaczonych Ch1 do Ch15

przewidziano podłączenia z [37, 38]: - czujnikami RTD, - kondensatorami sprzęgającymi.

Dodatkowo aparatura jest wyposażona w kanały dedykowane oznaczone: CT dla przekładnika prądowego, kanał H% dla czujnika wilgoci oraz RTD dla pomiaru temperatury wewnątrz korpusu silnika.

Kondensatory sprzęgające IPDS bezindukcyjne, bezwyładowaniowe 80 pF lub 500 pF. Dużą rolę odgrywa odpowiedni montaż ze względu na przyłączenie bezpośrednio do zacisków wysokiego napięcia wejściowych stojana. Układ sygnałowy kondensatora połączony jest przewodem ekranowanym do zacisków Ch1 do Ch3. Należy zwrócić uwagę na prawidłowe połączenia ekranów [37, 38]. 3.2. Układ do pomiaru on-line wyładowań niezupełnych InsulGard firmy EATON dla napędu młyna surowca SZUf-1412LL 1400kW, 6 kV, 50Hz, 496 obr/min (rys.3.5) izolacja wykonana metodą VPI Aparatura pomiarowa InsulGard została zamontowana własnymi siłami cementowni pod nadzorem autora. Wyposażenie dodatkowe dla podłączenia do jednostki monitorującej InsulGard silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6000V:

• W uzwojeniu zabudowano 18 czujników RTD (rys.3.4): 12 szt rozmieszczonych w żłobkach między bokami cewek po obu stronach pakietu (po 2 na fazę z każdej strony pakietu) oraz po 3 na czołach uzwojeń (liczba żłobków stojana z=108).

• Do zacisków głównych stojana podłączono 3 kondensatory sprzęgające 80 pF, 6 kV. • W korpusie stojana umieszczono czujnik temperatury oraz czujnik wilgoci.

Rys.3.4. Instalacja aparatury na silniku SZUf-1412LL 1400kW, 6 kV, 50Hz, 496 obr/min, rozmieszczenie w uzwojeniu 18 czujników RTD

51

Do wejść urządzenia monitorującego InsulGard dla kanałów oznaczonych Ch1 do Ch15 wykonano podłączenia: Kanał Ch1 – kondensator sprzęgający 80 pF, 6 kV faza A. Kanał Ch2 – kondensator sprzęgający 80 pF, 6 kV faza B. Kanał Ch3 – kondensator sprzęgający 80 pF, 6 kV faza C. Kanał Ch4 –czujnik Pt-100 RTD1-faza A (żłobek 1), czoło uzwojenia D. Kanał Ch5 –czujnik Pt-100 RTD2-faza B (żłobek 70), stojan strona D. Kanał Ch6 –czujnik Pt-100 RTD3-faza A (żłobek 1), stojan strona ND. Kanał Ch7 –czujnik Pt-100 RTD4-faza B (żłobek 70), stojan strona ND. Kanał Ch8 –czujnik Pt-100 RTD5-faza B (żłobek 16), czoło uzwojenia D. Kanał Ch9 –czujnik Pt-100 RTD6-faza C (żłobek94), czoło uzwojenia D. Inne kanały pomiarowe: Listwa RTD – czujnik temperatury PT. Listwa CT – przekładnik prądowy CT. Listwa H% - czujnik wilgotności powietrza.

Rys.3.5. Instalacja aparatury na silniku SZUf-1412LL 1400kW, 6 kV, 50Hz, 496 obr/min – kondensatory sprzęgające 80 pF

Kabel zasilający i zaciski stojana

Kondensatory sprzęgające 80 pF

Listwa RTD z podłączonymi RTD stojana

kanały Ch 4 do 9

Kable sygnałowe kanały Ch 1do3

52

4. Własna metoda oceny stanu izolacji stojanów silników

wysokonapięciowych w oparciu o wyliczenie współczynników w1, w2 zmiany wartości pdi [mW]od warunków środowiska pracy

Napędy strategiczne pracujące w ruchu ciągłym cementowni, a w szczególności młyny poddawane są bardzo ciężkim rozruchom. Trudne warunki środowiskowe połączone z rozruchami powodują szybką degradację stanu izolacji silników. Układy technologiczne zatrzymywane są raz do roku. Prowadząc utrzymanie ruchu elektrycznego w cementowni autor nie był w stanie ocenić czy silnik młyna surowca posiada dobra izolację. W 2006 roku doszło do uszkodzenia uzwojenia stojana silnika młyna surowca. Demontaż silnika i naprawa częściowa uzwojenia (brak rezerwy) trwała 8 dni. W tym czasie piec obrotowy wypału klinkieru stał. Straty wywołane tą awarią przekroczyły 1,5 mln złotych. Taka sytuacja zmusiła autora do poszukiwania sposobu pomiarów stanu izolacji on-line. Autor zamontował i uruchomił układ do pomiarów wyładowań niezupełnych on-line dla tego napędu.

Opierając się na prowadzonych pomiarach on-line wyładowań niezupełnych „wnz” prowadzonych od września 2009 roku do nadal dla silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6000V, 50Hz, 496 obr/min autor wprowadził metodykę analizy polegającą na badaniu poziomu wyładowań dla powtarzających się cyklicznie zdarzeń wywołanych oddziaływaniem środowiska pracy silnika. Zdarzeniami tymi są rozruchy w różnych warunkach środowiskowych, praca ciągła w różnych warunkach środowiskowych. Informacja zawarta w rozkładach fazowo rozdzielczych tych zdarzeń pozwala na ocenę stanu izolacji. Rozruchy i pracę w skrajnych warunkach środowiskowych można traktować jak „test wysiłkowy serca” u człowieka. Lekarz na podstawie takiego testu przewiduje zachowania się w przyszłości pacjenta. Naszym pacjentem jest silnik.

Wyselekcjonowane pomiary umożliwi ą analizę trendu zmian stanu izolacji stojana silnika. Dla maszyny o dobrym stanie izolacji pierwsze charakterystyczne dla defektów zmiany rozkładu fazowo-rozdzielczego można zaobserwować w niskich temperaturach, podczas rozruchu, przy przeciążeniach maszyny, dla ekstremalnie wysokich temperatur. Mając charakterystyczne dla danego uzwojenia rozkłady fazowo-rozdzielcze i wykresy rozkładu impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla ustalonych indywidualnie warunków środowiska pracy prowadzono monitorowanie on-line .

Dla ujednolicenia kryteriów oceny stanu technicznego izolacji różnych maszyn autor wprowadził współczynniki stanu izolacji dla niskich temperatur w1 oraz dla wysokich temperatur w2. W oparciu o wyliczanie współczynników w1 i w2 oraz kryteria oceny stanu izolacji czoła uzwojenia i oceny stanu izolacji w żłobkach można analizować stan izolacji silnika. 4.1. Charakterystyczne zmiany poziomów wnz oraz występujące wymuszenia środowiskowe. Pomiary wnz zbierane w trybie on-line charakteryzują się dużą zmiennością w ciągu roku. Na rysunkach 4.1 i 4.2 pokazano wykresy parametrów wnz wartości Qmax, pdi, Pulse Count PPS przedstawione uśrednienie w trybie miesięcznym oraz godzinowym. Wykres parametrów wnz wartości Qmax, pdi, Pulse Count PPS (rys.4.1) przedstawiających uśrednienie w trybie miesięcznym pozwala na obserwację zmian poziomów średnich sygnałów wnz poszczególnych kanałów pomiarowych (faz) w czasie. Dla odmiany wykres uśredniony w trybie godzinowym (rys.4.2) pozwala na obserwację wartości szczytowych parametrów wnz w ciągu zmieniających się pór roku.

53

Obwiednie sygnałów są podobne. Na wykresach uśrednionych w trybie godzinowym możemy porównywać maksymalne wartości Pulse Count PPS, Qmax, pdi:

• wykres parametru pdi uśrednionego w trybie miesięcznym oraz wykres parametru Pulse Count PPS uśrednionego w trybie miesięcznym są współbieżne. Krzywe mają wysokie i niskie przedziały w tym samym czasie. Odmiennie zachowuje się parametr Qmax który osiąga wysokie wartości podczas obniżenia pdi i Pulse Count PPS dla fazy B,

• wykres parametru uśrednionego Qmax w trybie miesięcznym i godzinowym osiągają największe wartości (do 1550 mV), wraz z najniższymi wartościami, pdi i Pulse Count PPS dla fazy C,

• dla fazy B wartości pdi i Pulse Count PPS uśrednione w trybie miesięcznym oraz godzinowym są najwyższe, a wartości Qmax uśrednione w trybie miesięcznym oraz godzinowym są najniższe,

• wykresy parametru Pulse Count PPS uśrednionego w trybie miesięcznym przedstawiają równoległe linie wykresów dala faz B, A i C ( kolejność faz pokazana od wykresu najwyższych wartości),

• w okresie wysokich temperatur pozom amplitudy Qmax wyładowań niezupełnych maleje.

Rys.4.1. Wykresy parametru wartości Qmax, pdi, Pulse Count PPS uśrednionego w trybie miesięcznym

Rys.4.2. Wykresy parametru wartości Qmax, pdi, Pulse Count PPS uśrednionego w trybie godzinowym

54

Wnioski:

Faza C posiada najlepszą izolację, bo wykresy pdi i Pulse Count PPS są o niskich wartościach, jednocześnie odnotowujemy najwyższe Qmax do wartości 1550 mV. Przedstawione zależności pokazują różnice w stanie izolacji poszczególnych faz. Z tych wykresów nie możemy ustalić zależności intensywności wnz od zmian środowiskowych . Badanie jaki charakter mają i gdzie występują defekty izolacji zostaną przedstawione w następnych punktach z wykorzystaniem wykresów fazowo-rozdzielczych oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q). 4.2. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 10°C÷13 °C, wilgotność względna około 70%- zimne rozruchy w latach 2010, 2011, 2012 po remoncie

Przedstawiony trend (rys.4.3) wartości PDI dla faz B i C pokazuje dużą zmienność zależną od temperatury i wilgotności. W tym punkcie rozpatrzymy wnz dla rozruch silnika ze stanu zimnego po postoju w temperaturach 10°C÷13 °C i wilgotności względnej około 70%. a)

CC_A

CC_A

CC_A

Rys.4.3. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wilgotności względnej w funkcji czasu w okresie 12.04. do 07.06.2011r

04.2010r 04.2011r 04.2012r

Faza A

55

b) CC_B

CC_B

c)

CC_C

CC_C

CC_C

Faza Parametr 2010 2011 2012

A pdi [mW] 6,4 7,5 16,8

B pdi [mW] 9,7 14,6 32,4

C pdi [mW] 5,9 7,9 11,3

A Qmax [mV] 219 243 330

B Qmax [mV] 192 241 343

C Qmax [mV] 167 274 338

A PPS [1/s] 6401 8036 9096

B PPS [1/s] 8434 9785 16338 C

PPS [1/s] 4752 5355 5182

Tabela 4.5. Pomiary wnz w czasie rozruchów zimnych w latach 2010, 2011, 2012

Faza C

Faza B

Rys.4.4. Zmienność wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a)faza A kanał CC-A ,b)faza B kanał CC-B, c) faza C kanał CC-C wnz w zakresie temperatur 10°C÷13°C wilgotność względna 70% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 04.2009r. do 04.2012r

56

Przedstawione przebiegi w latach 2010, 2011, 2012 pokazały zmienność wykresów w poszczególnych fazach A, B, C:

• Faza A zmieniła znacznie wartość pdi z 6,4 do 16,8 mW. Charakter zmiany widoczny na wykresach impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla poszczególnych lat (rys.4.4) pokazuje rozwijający się defekt rozwarstwienia wewnątrz izolacji z zachowaniem zależności qmax+ ≈ qmax-. Na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.4) obserwujemy symetryczne rozkłady ładunków maksymalnych dla polaryzacji dodatniej i ujemnej napięcia probierczego w zakresie kątów fazowych Φ=0°÷ 90° oraz 180°÷ 270°. Co potwierdza istnienie tego defektu.

• Faza B zmieniła najbardziej wartość pdi z 9,7 do 32,4 mW. Charakter zmiany widoczny na wykresach impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla poszczególnych lat (rys.4.4) pokazuje rozwijający się defekt powłoki przeciwjarzeniowej czoła uzwojenia. Obserwujemy większą intensywność wnz w uje-mnej połówce napięcia probierczego niż w połówce dodatniej, qmax+ < qmax-. Na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.4) obserwujemy koncentracji ładunków maksymalnych dla kąta fazowego Φ = 225o÷280o impulsów dla polaryzacji ujemnej napięcia probierczego. Co potwierdza istnienie tego defektu,

• Faza C wykazuje najmniejszą zmienność parametrów wnz. Izolacja tej fazy w naj-mniejszym stopniu się starzeje.

• Przedstawiona na rys.4.5 tabela pokazuje większą przydatność parametru pdi mocy wyładowań aniżeli amplitudy wyładowań Qmax do określania alarmów w systemie Insulgard. Różnice pomiędzy fazami znajdują odzwierciedlanie w zmienności pdi. Amplituda wyładowań Qmax wnz nie pokazuje tych różnic.

Wnioski: Analiza zarejestrowanych sytuacji rozruchów silnika ze stanu zimnego po postojach w latach 2010, 2011, 2012 w podobnych temperaturach z przedziału 10°C÷13 °C i wilgotności względnej około 50÷70% pozwala dokładnie obserwować różnice rozkładów fazowo-rozdzielczych wnz pomiędzy fazami. W tym obszarze warunków środowiskowych uwypuklają się defekty rozwarstwienia wewnątrz izolacji, defekt powłoki przeciwjarzeniowej czoła uzwojenia. Dla tych defektów najlepszym parametrem do detekcji alarmu jest wartość pdi mocy wyładowań niezupełnych. 4.3. Wpływ temperatury i wilgotno ści na poziom sygnałów pdi (mW), pulse count PPS,

Qmax (mV) podczas rozruchów Rozruch silnika w dniu 6.12.2011r po postoju w temp 10,75 °C, wilgotność względna 50%. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.6, rys.4.7.

57

a)

b)

c)

Rozruch silnika w dniu 22.06.2011 przy wysokiej temp. 39,7 °C, wilgotność względna 28%. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.8, rys.4.9, rys.4.10, rys.4.11, rys.4.12, rys.4.13.

Rys.4.6. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie 03.06. do 12.06.2011r

Rys.4.7. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax, c) Pulse Count-PPS w dniu 12.06.2011r

58

a)

b)

c)

Rys.4.8. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie 25.05. do 24.06.2011r

Rys.4.9. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax, c) Pulse Count-PPS w dniu 22.06.2011r

59

a) a) CC_A

CC_A

b) b)

CC_B

CC_B

60

c) c) CC_C

CC_C

a) RTD 5 żłobek 70 faza B a)

RTDB

RTDB

Rys.4.10. Wykresy fazowo-rozdzielcze 3D oraz wykresy impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a) faza A kanał CC-A, b) faza B kanał CC-B, c) faza C kanał CC-C 06.12.2011r po postoju w temp.10,75°C, wilgotność względna 50%.

Rys.4.11. Wykresy fazowo-rozdzielcze 3D oraz wykresy impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a) faza A kanał CC-A, b) faza B kanał CC-B, c) faza C kanał CC-C 06.22.2011r po postoju w temp.39,7°C, wilgotność względna 28%.

61

b) RTD 7 czoło faza B b)

RTDB

RTDB

W tabeli 4.14 przedstawiono wyniki pomiarów rozruchów dla różnych temperatur powietrza.

Faza Parametr 10,75°C 13,27°C 18°C 20°C 24°C 31°C 3 9,7°C

A PDI[mW] 13,8 12,5 9,8 8,9 7,8 26,9 41,5

B PDI[mW] 26,9 25,8 20,8 17,2 15,3 28,7 36,4

C PDI[mW] 10,5 9,8 7,5 6,3 5 30,6 42,1

A Qmax [mV] 335 338 261 241 241 967 1212

B Qmax [mV] 306 284 241 237 233 935 592

C Qmax [mV] 322 303 300 332 268 1061 1356

A PPS[1/s] 8057 7116 7347 5821 5395 16284 25130

B PPS[1/s] 16020 14375 14660 10586 9605 14211 20893

C PPS[1/s] 4906 4123 4264 3125 3051 13670 19829

temp.uzw. Tuzw[°C] 40 55 28 36,7 42 76 82

wilg.wzgl [%] 50 40 34 48,8 46 28,3 28 Tabela 4.14. Pomiary wnz rozruchów dla zmian temperatury

Rys.4.12. Wykresy fazowo-rozdzielcze 3D oraz wykresy impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a) RTD 5 b) RTD 7 w dniu 06.12.2011r po postoju w temp.10,75°C, wilgotność względna 50%.

Rys.4.13. Wykresy fazowo-rozdzielcze 3D oraz wykresy impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a) RTD 5 b) RTD 7 w dniu 6.22.2011r po postoju w temp.39,7°C, wilgotność względna 28%.

62

Zmienność pdi rozruchu silnika od temperatury przedstawia rys.4.15, Qmax Rys.4.16, PPS Pulse Mount rys.4.17.

Zmienno ść PDI rozruchu silnika do temperatury

05

1015202530354045

10,75°C 13,27°C 18°C 20°C 24°C 31°C 39,7°C

Temperatura[°C]

PD

I [m

W] Faza A kanał CC_A

Faza B kanał CC_B

Faza C kanał CC_C

Zmienno ść Qmax rozruchu silnika od temperatury

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

10,75°C 13,27°C 18°C 20°C 24°C 31°C 39,7°C

Temperatura [°C]

Qm

ax [m

V]

Faza A kanał CC_A

Faza B kanał CC_B

Faza C kanał CC_C

Zmienno ść PPS rozruchu silnika od temperatury

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

10,75°C 13,27°C 18°C 20°C 24°C 31°C 39,7°C

Temperatura [°C]

PP

S P

ulse

Cou

nt [1

/s]

faza A kanał CC_A

faza B kanał CC_B

faza C kanał CC_C

Rys.4.15. Zmienność pdi rozruchu silnika od temperatury

Rys.4.16. Zmienność Qmax rozruchu silnika od temperatury

Rys.4.17. Zmienność PPS Pulse Count rozruchu silnika od temperatury

od

63

Wzrost temperatury najczęściej połączony jest ze spadkiem wilgotności względnej. Przedstawione przebiegi w różnych obszarach środowiska pracy dla zmieniającej się temperatury i wilgotności względnej pokazały zależności z wartościami parametrów pdi, Qmax, Pulse Count-PPS w poszczególnych fazach A, B, C:

• Dla rozruchów silnika odbywających się przy temperaturze do 25°C powietrza chłodzącego stojan i temperaturach uzwojenia do 40°C w wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.10, rys.4.12) widzimy charakterystyczne defekty, każda faza ma swój charakterystyczny obraz rozkładu intensywności wyładowań.

• Zmienności Qmax - faza B z defektem powłoki przeciwjarzeniowej czoła nie daje takiego wzrostu wartości przy wysokich temperaturach jak pozostałe .

• Obszar środowiska pracy pomiędzy 18°C do 24°C jest najlepszy do porównań pomiarów robionych cyklicznie, ze względu na mały wpływ zmienności wyników od temperatury. Taka sytuacja występuje wielokrotnie w ciągu roku kalendarzowego. Pomiary wykonywane w tym zakresie temperatur (zakładamy zbliżone wartości obciążenia, wilgotności względnej) nie będą obarczone dużym błędem zmiany temperatury, co widać na rys.4.15, rys.4.16, rys.4.17.

• Wykresy fazowo-rozdzielcze dla temperatur około 40°C powietrza chłodzącego oraz około 80°C temperatury uzwojenia i większych tracą charakterystyczne obrazy (zawierające występujące w izolacji defekty) poszczególnych faz np. brak obrazu defektu fazy B. Wartości parametrów pdi, Qmax, Pulse Count - PPS w poszczególnych fazach A, B, C wzrastają co najmniej dwukrotnie. Zmiany wartości parametrów wnz na wykresach impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) (rys.4.13, rys.4.14) w tym zakresie temperatur podnoszą do góry, a wykresy polaryzacji dodatniej i ujemnej pokrywają się, co świadczy o dużych wyładowaniach wewnątrz izolacji. Zjawisko to możemy zaobserwować na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.13, rys.4.14) pokazujących symetryczne rozkłady ładunków maksymalnych dla polaryzacji dodatniej i ujemnej napięcia probierczego.

Wnioski:

• Obszar środowiska pracy pomiędzy 18°C do 24°C jest najlepszy do porównań

pomiarów robionych cyklicznie dla oceny stanu technicznego izolacji. • Dla analizy parametrów wnz obszar środowiska pracy o temperaturach powietrza

wewnątrz korpusu stojana powyżej 30°C należy rozpatrywać oddzielnie. • Dla temperatur powietrza chłodzącego około 40°C oraz temperatur uzwojenia około

80°C wartości parametrów pdi, Qmax, Pulse Count - PPS w poszczególnych fazach wzrastają co najmniej dwukrotnie w stosunku do osiąganych w temperaturach około 20°C.

• Z wysoką temperaturą powietrza chłodzącego związana jest wysoka wartość funkcji korelacji temperaturowej z parametrami pdi, Qmax, Pulse Count – PPS.

• Faza mająca defekt powłoki przeciwjarzeniowej czoła osiąga mniejsze wartości Qmax

od pozostałych.

4.4. Ujemna korelacja temperaturowa sygnałów wnz pdi, Qmax, pulse count PPS, podczas pracy silnika w okresie zimowym w latach 2010, 2011 i 2012 Pomiary wykonane zimą 2010 roku w warunkach; temperatura -1,6 °C, 34,8% wilgotności względnej. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.18, rys.4.19, rys.4.20.

64

a)

b)

c)

Rys.4.18. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie od 22.01. do 30.01.2010r.

Rys.4.19. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax, c) Pulse Count-PPS w dniu 26.01.2010r.

65

Analizując zarejestrowane sygnały wnz pdi, Qmax, pulse count PPS, podczas pracy silnika w okresie zimowym w latach 2010,2011 i 2012 możemy stwierdzić:

• Wykresy PDI mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresach zimowych pokazują, że każdego roku występują zjawiska korelacji ujemnej wielkości Qmax, pulse count PPS, pdi od temperatury, wilgotności względnej. Korelacje ujemne są rejestrowane tylko na kanałach pomiarowych kondensatorów sprzęgających CC_A, CC_B, CC_C. Jest to podyktowane większą czułością pomiaru wnz dla tych kanałów pomiarowych.

• Dobry obraz starzenia się izolacji czoła. • Obserwacja ujemnej korelacji wzn do temp. pozwala ocenić degradację izolacji żłobka

od sił termomechanicznych [1].Taka sytuacja występuje przy temperaturach około 0°C powodowana jest różnymi współczynnikami rozszerzalności materiałów wchodzących w skład uzwojenia (np. kliny, taśmy mikowe, taśmy przewodzące, miedź i inne) Porównując lata 2010, 2011, 2012 obserwuje się zmianę sygnałów Qmax, pulse count PPS, pdi, które zawierają informacje o stopniu deformacjach izolacji żłobkowej.

o dla fazy A wartość pdi [mW] zmieniała się od 4,3 przez 13,3 do 17 [mW]. o dla fazy B wartość pdi [mW] zmieniała się od 17,3 przez 24,8 do 33,3 [mW]. o dla fazy C wartość pdi [mW] zmieniała się od 4,4 przez 8,9 do 12,4 [mW].

Zmiany sygnałów Qmax, pulse count PPS, pdi pokazane są na wykresie (rys.4.21). a)

Wykres PDI dla korelacji temperaturowej ujemnej

0

5

10

15

20

25

30

35

2010 2011 2012

PDI [m

W] CC_A

CC_B

CC_C

Rys.4.20. Wykres słupkowy korelacji wielkości Qmax, pulse count PPS, pdi od temperatury, wilgotności względnej, obciążenia, wilgotność [ kg/m3], w zakresie czasu od 26.01. do 27.01.2010r.

66

b)

Wykres Qmax dla korelacji temperaturow ej ujemnej

050

100150200250300350400

2010 2011 2012

Qm

ax [m

V] CC_A

CC_B

CC_C

c)

Wykres Pulse Count-PPS dla korelacji temperaturowej ujemnej

02000400060008000

1000012000140001600018000

2010 2011 2012

Pul

se C

ount

-PP

S [1

/s]

CC_A

CC_B

CC_C

Wnioski:

• Dla tych samych obszarów środowiska pracy (okres zimowy, niskie temperatury, duża wilgotność) zaobserwowane zjawiska wnz podczas rozruchów silników (pkt.4.2) występują również podczas pracy ciągłej silnika.

• Podstawowym wymuszeniem dla szukania defektów izolacji za pomocą pomiarów wnz w omawianym przypadku jest zmiana temperatury (obciążenie stałe). Stan pracy silnika (rozruch, praca ciągła) mniejszym stopniu wpływa na zmianę wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q).

• Poziom degradacji izolacji żłobka od sił termomechanicznych na podstawie pomiarów wnz możemy przeprowadzić tylko przy użyciu kondensatorów sprzęgających, gdzie występuje ujemna korelacji temperaturowa wnz (kanały RTD –czujniki temperatury nie rejestrują ujemnej korelacji).

4.5 Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷24 °C, wilgotność względna 32%÷50% – wpływ zmian wilgotności względnej powietrza Analiza poziomów wnz dla podobnych temperatur, ale dla różnych wilgotności względnych. Pomiary poddane analizie wybrano z wąskiego zakresu czasowego (od 13.09.2011 do 9.12.2011r) po to, aby odnosiły się do tego samego stanu izolacji.

Rys.4.21. Zmienność parametrów wnz w latach 2010, 2011, 2012 dla korelacji temperaturowej ujemnej a) pdi, b) Qmax c) Pulse Count - PPS

67

Praca silnika przy temperaturze 24,4°C, wilgotności względnej 48%. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.22, rys.4.23.

Praca silnika przy temperaturze 20°C, wilgotności względnej 42%. Wyniki pomiarów przedstawia rys.4.24.

Analiza pdi wyładowań niezupełnych pracy silnika warunkach środowiskowych przy wartościach wilgotność względnej z przedziału 37%÷50,5% oraz przy zmianach temperatury powietrza w zakresie 20°C÷25°C:

• W zakresie zmienności 37% ÷ 50,5% wilgotności względnej, przy zmianach temperatury powietrza w zakresie 20°C÷25°C zmiany maksymalne wartości pdi dla fazy A wynoszą 7,6 mW, fazy B 11,6 mW, fazy C 6,4 mW.

Rys.4.22. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie od 05.09. do 26.09.2011r.

Rys.4.23. Wykres słupkowy wartości pdi [mW] wyładowań niezupełnych na kanałach pomiarowych w dniu 13.09.2011r

Rys.4.24. Wykres słupkowy wartości pdi [mW] wyładowań niezupełnych na kanałach pomiarowych w dniu 09.12.2011r

68

• Porównując tylko pomiary dokonywane z dokładnością do 1°C wartości temperatur otrzymujemy odchylenia:

o Dla temperatury 20°C w zakresie zmienności 37%÷50,5% wilgotności względnej zmiany maksymalne wartości pdi dla fazy A wynoszą 6,5 mW, fazy B 9,7 mW, fazy C 5,1 mW.

o Dla temperatury 25°C w zakresie zmienności 37%÷50,5% wilgotności względnej zmiany maksymalne wartości pdi dla fazy A wynoszą 0 mW, fazy B 0,5 mW, fazy C 2,4 mW.

• Wykres zmienności wartości pdi poszczególnych faz są współbieżne, mają one takie same kształty (rys.4.25).

• Na wykresie wzrosty wartości pdi odpowiadają spadkom temperatury i odwrotnie co możemy zaobserwować na rys.4.25.

Zmienno ść PDI od wilgotno ści wzgl ędnej

0

5

10

15

20

25

30

37% 42% 46% 48% 50,50%

Wilgotno ść %

PD

I [m

W] CC_A

CC_B

CC_C

temperatura

Wnioski:

• Pomiary dokonywane w zakresie zmienności 37%÷50,5% wilgotności względnej obarczone są najmniejszym błędem pomiarowym w temperaturze 25°C z zakresu zmienności temperatur 20°C÷25°C. Kolejne pomiary wykonywane dla tego samego stanu izolacji maszyny, ale wykonywane dla różnych wilgotności będą się najmniej różnić od siebie, gdy pomiar będzie przebiegał w temperaturze zbliżonej do 25°C.

• Dla oceny stanu izolacji silnika przez analizą wyładowań niezupełnych należy wybierać pomiary o możliwie małej odchyłce temperaturowej, dla niskich temperatur najlepiej wybrać 25°C.

4.6. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C, wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r do 06.2012r Praca silnika przy temperaturze 24 °C, wilgotności względnej 37%. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.26, rys.4.27.

Rys.4.25. Zmienność wartości pdi wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C w zakresie zmienności 37%÷50,5% wilgotności względnej oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C

69

a)

b)

c)

Praca silnika przy temperaturze 24,7 °C, wilgotności względnej 29%. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.28, rys.4.29.

Rys.4.26. Wykresy Ppdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie od 21.09. do 10.10.2009r.

Rys.4.27. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Pulse Count-PPS c) Qmax,w dniu 02.10.2009r.

70

a)

b)

c)

Rys.4.28. Wykresy pdi mierzone na kondensatorach fazy B i C oraz wykresy temperatury i wil-gotności względnej w funkcji czasu w okresie od 10.05. do 15.06.2012r

Rys.4.29. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax c) Pulse Count-PPS,w dniu 17.05.2012r

71

Analiza pomiarów: • Analizując pomiary wyładowań niezupełnych w latach do 10-2009 do 06-2012 Można zaobserwować trend wzrostowy pdi [mW]:

o faza A od 2,2 przez 6,5 do 7,8 mW, o faza B od 6,2 przez 10 do 15,5 mW, o faza C od 2,5 przez 5,5 do 10,1 mW,

• Faza B znacznie przewyższa wartościami fazy A i C co spowodowane jest defektami omówionymi w punkcie 4.2. Przebieg trendu odzwierciedla zmiany wnz, co za tym idzie zmiany stanu izolacji silnika.

• Przedstawiony wykres trendu pdi (rys.4.28) przebiega łagodnie, bez dramatycznych wzrostów, co wskazuje na równomierne zużywanie się izolacji.

Trend PDI [mW] warunki normalne 20-25°C

02468

1012141618

2009

/10/

02

2009

/11/

02

2009

/12/

02

2010

/01/

02

2010

/02/

02

2010

/03/

02

2010

/04/

02

2010

/05/

02

2010

/06/

02

2010

/07/

02

2010

/08/

02

2010

/09/

02

2010

/10/

02

2010

/11/

02

2010

/12/

02

2011

/01/

02

2011

/02/

02

2011

/03/

02

2011

/04/

02

2011

/05/

02

2011

/06/

02

2011

/07/

02

2011

/08/

02

2011

/09/

02

2011

/10/

02

2011

/11/

02

2011

/12/

02

2012

/01/

02

2012

/02/

02

2012

/03/

02

2012

/04/

02

2012

/05/

02

2012

/06/

02

Data

PDI[mW]

CC_A

CC_B

CC_C

• Na wykresie trendu parametru wnz pdi (rys.4.30) występuje w rejonie 04.2012

zmniejszenie wartości wyładowań w każdej z faz. Spowodowane to było rewizją wewnętrzną i poprawą izolacji przez nałożenie lakieru izolacyjnego na czoła uzwojeń stojana.

• Na kanałach wyposażonych w czujniki PT100: RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), sporadycznie pojawiają się wartości ułamkowe pdi [mW] większe o zera. Śledzenie trendu pdi na tych kanałach jest niemożliwe do realizacji przy aktualnym stanie izolacji. W przypadku powstania dużych defektów izolacji mierzone sygnały osiągną wyższe poziomy umożliwiające analizę.

• Na wykresie trendu parametru wnz Qmax (rys.4.31) zarejestrowano na przestrzeni eksploatacji 10.2009 ÷06.2012r małe zmiany poziomu z 100 do 250 mV (2012 roku przed przeglądem). Można na nim zaobserwować czynności konserwacyjne poprawy izolacji wykonane w kwietniu. Po pewnym czasie parametry wracają one do wartości wcześniejszych.

Rys.4.30. Zmienność wartości pdi wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

72

Trend Qmax [mV] warunki normalne 20°C÷25 °C

0100200300400500600700

2009

/10/

01

2009

/12/

01

2010

/02/

01

2010

/04/

01

2010

/06/

01

2010

/08/

01

2010

/10/

01

2010

/12/

01

2011

/02/

01

2011

/04/

01

2011

/06/

01

2011

/08/

01

2011

/10/

01

2011

/12/

01

2012

/02/

01

2012

/04/

01

2012

/06/

01

Data

Qm

ax [

mV

] CC_A

CC_B

CC_C

RTD_A(ch4)

RTD_B(ch8)

RTD_C(ch9)

RTD_B(ch5)

RTD_A(ch6)

RTD_B(ch7)

• Wykresy trendu parametru wnz Qmax poszczególnych faz pokrywają się, brak różnic

pomiędzy nimi.

Trend Qmax [mV] warunki normalne 20°C÷25 °C

0100200300400500600700

2009

/10/

01

2009

/12/

01

2010

/02/

01

2010

/04/

01

2010

/06/

01

2010

/08/

01

2010

/10/

01

2010

/12/

01

2011

/02/

01

2011

/04/

01

2011

/06/

01

2011

/08/

01

2011

/10/

01

2011

/12/

01

2012

/02/

01

2012

/04/

01

2012

/06/

01

Data

Qm

ax [

mV

]

RTD_A(ch4)

RTD_B(ch8)

RTD_C(ch9)

RTD_B(ch5)

RTD_A(ch6)

RTD_B(ch7)

Dla lepszego zaobserwowania różnic pomiędzy sygnałami z kondensatorów i czujników PT100 to jest RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7) na rysunku 4.32 przedstawiono oddzielnie trend zmienności Qmax dla kanałów wyposażonych w czujniki PT100. • Dla kanałów RTD sygnały mają małe wartości Qmax co utrudnia analizę. • Na wykresie trendu parametru PPS Pulse Count (rys.4.33) na przestrzeni eksploatacji

10.2009 ÷06.2012r odnotowano identyczne przebiegi wykresów jak dla pdi (rys.4.28).

Rys.4.31. Zmienność wartości wnz Qmax dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C, RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

Rys.4.32. Zmienność wartości wnz Qmax dla kanałów RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

73

Trend zmienności PPS Pulse Count warunki normalne 20°C÷25°C

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2009

/10/

01

2009

/12/

01

2010

/02/

01

2010

/04/

01

2010

/06/

01

2010

/08/

01

2010

/10/

01

2010

/12/

01

2011

/02/

01

2011

/04/

01

2011

/06/

01

2011

/08/

01

2011

/10/

01

2011

/12/

01

2012

/02/

01

2012

/04/

01

2012

/06/

01

Data

PP

S P

ulse

Cou

nt [1

/s]

CC_A

CC_B

CC_C

RTD_A(ch4)

RTD_B(ch8)

RTD_C(ch9)

RTD_B(ch5)

RTD_A(ch6)

RTD_B(ch7)

Dla lepszego zaobserwowania różnic pomiędzy sygnałami z kondensatorów i czujników PT100 na rysunku 4.34 przedstawiono oddzielnie trend zmienności PPS Pulse Count dla kanałów wyposażonych w czujniki PT100.

Trend zmienności PPS Pulse Count warunki normalne 20°C÷25°C

0

500

1000

1500

2000

2500

2009

/10/

01

2009

/12/

01

2010

/02/

01

2010

/04/

01

2010

/06/

01

2010

/08/

01

2010

/10/

01

2010

/12/

01

2011

/02/

01

2011

/04/

01

2011

/06/

01

2011

/08/

01

2011

/10/

01

2011

/12/

01

2012

/02/

01

2012

/04/

01

2012

/06/

01

Data

PP

S P

ulse

Cou

nt [1

/s]

RDT_A(ch4)

RDT_B(ch8)

RDT_C(ch9)

RDT_B(ch5)

RDT_A(ch6)

RDT_B(ch7)

• Porównując trendy pomiarów wnz wartości pdi, Qmax, PPS Pulse Mount dla kanałów

pomiarowych wyposażonych w kondensatory należy zauważyć największy zakres różnic wartości dla PPS Pulse Count w poszczególnych fazach.

Pomiary on-line wnz pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r umożliwiły obserwację zmienność wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) w zakresie temperatur 20°C÷25°C i wilgotność względnej 32%÷50%.

Rys.4.33. Zmienność wartości wnz PPS Pulse Count dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C, RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

Rys.4.34. Zmienność wartości wnz PPS Pulse Count dla kanałów RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

74

a) CC_A

CC_A

b)

CC_B

c)

CC_C

CC_C

CC_B

CC_C

CC_B

CC_A

CC_C

CC_B

CC_A

CC_C

CC_B

CC_A

01.03.2012r 04.04.2012r 04.2010r 04.2011r 10.06.2012r

Faza A kanał pom. CC_A

Faza B kanał pom. CC_B

Faza C kanał pom. CC_C

Rys.4.35. Zmienność wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a)faza A kanał CC-A ,b)faza B kanał CC-B, c) faza C kanał CC-C wnz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

75

Każda faza silnika posiada swój charakterystyczny obraz wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q). Na rysunku 4.35 przedstawiono zmienność tych wykresów dla każdej z faz w trakcie eksploatacji od 10.2009r. do 06.2012r. Analizując charakterystyczne rozkłady intensywności wnz możemy określić czy rozwija się jakiś defekt lub utrzymywany jest indywidualny obrazu rozkładu wnz wynikający z technologii i zastosowanych materiałów. Analiza przebiegów wnz poszczegółnych faz izolacji stojana dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C, wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r: • Faza A zmieniła znacznie wartość PDI z 2,2 do 9,1 mW . Charakter zmiany widoczny na

wykresach impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla poszczególnych lat (rys.4.32a) pokazuje rozwijający się defekt rozwarstwienia wewnątrz izolacji z zacho-waniem zależności qmax+ ≈ qmax- . Linie czerwona i niebieska pokrywają się, unosząc się do góry w latach eksploatacji, co wizualizuje tendencję wzrostową defektu. Na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.35a) obserwujemy symetryczne rozkłady ładunków maksymalnych dla polaryzacji dodatniej i ujemnej napięcia probierczego w zakresie kątów fazowych Φ=0°÷ 90° oraz 180°÷ 270°. W poszczególnych latach wzrasta ilość impulsów wnz dla danego kąta fazowego napięcia probierczego, co jest wizualizowane zmianą kolorów (najniższa ilość impulsów to kolor czarny i fiolet; do żółtego i czerwonego duża intensywność) oraz objętością bryły na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D. Po przeprowadzonym czyszczeniu i poprawie izolacji czoła uzwojenia przez lakierowanie pomiar 04.04.2012 wskazuje na dużą redukcję wyładowań. Taka reakcja izolacji potwierdza istnienie defektu rozwarstwienia wewnątrz izolacji czoła uzwojenia. Pomiar wnz 10.06.2012 wykonany trzy miesiące po regeneracji izolacji wykazuje zasadność tej decyzji dlatego, że uzyskano powrót stanu izolacji do poziomu roku 2010.

• Faza B zmieniła wartość pdi z 6,2 do 15,5 mW. Charakter zmiany widoczny na wykresach impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla poszczególnych lat (rys.4.35b) pokazuje rozwijający się defekt powłoki przeciwjarzeniowej czoła uzwojenia. Obserwujemy większą intensywność wnz w ujemnej połówce napięcia probierczego,

qmax+ < qmax- . Na wykresach fazowo-rozdzielczych 3D (rys.4.35b) można zaobserwować koncentrację ładunków maksymalnych dla kąta fazowego Φ = 225o÷280o impulsów dla polaryzacji ujemnej napięcia probierczego. Pomiar 04.04.2012 wskazuje całkowitą redukcję wady powłoki przeciwjarzeniowej uzyskując wzorcowy obraz wnz dla izolacji wykonanej w technologii VPI. Zastosowana emalia elektroizolacyjna SYNTHITE ER – 43 spowodowała odzyskanie ciągłości powłoki przeciwjarzeniowej. W toku dalszej eksploatacji obserwujemy (pomiar 10.06.2012) wzrost wnz do poziomu 2010 roku. Przyczyny tej sytuacji zostaną omówione w następnym rozdziale.

• Faza C wykazuje najmniejszą zmienność wykresów wnz (rys.4.35c). Zmieniła wartość pdi z 2,5 do 10,1 mW. Izolacja tej fazy w najmniejszym stopniu się starzeje. Po przeglądzie

w marcu 2012 roku faza C utrzymuje wartość pdi w granicach 5,2 mW z zachowaniem symetrii rozkładu impulsów wnz. Wnioski:

• Dokonując pomiary on-line wartości parametrów wnz możemy jednoznacznie określać zmiany stanu izolacji, wyodrębniać powstające defekty oraz śledzić ich zachowanie (rys.4.35).

• Prowadząc analizę pomiarów wnz, można wcześniej zaplanować remont, trafniej dobrać zakres remontu silnika, a wykonanie remontu poddawać ocenie jakościowej.

• Ze względu na jednostkowe wykonania silników dużej mocy analizę wyboru obszarów środowiska pracy silnika należy dokonywać indywidualnie.

76

4.7. Obszar warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r Praca silnika przy temperaturze 35°C, wilgotności względnej 32 %. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.36, rys.4.37.

a)

b)


77

c)

Praca silnika przy temperaturze 40°C, wilgotności względnej 25 %. Wyniki pomiarów przedstawiają rys.4.38, rys.4.39.

a)

b)


Rys.4.37. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax c) Pulse Count-PPS,w dniu 15.07.2010r

78

c)

Analiza pomiarów dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie stojana 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r: • Analizując pomiary wyładowań niezupełnych w latach do 10-2009 do 06-2012 dla temperatur zakresu 35°C÷45°C obserwowano utrzymywanie się poziomu pdi [mW] na stałej wartości:

o faza A od wartości 26,9 do 53,5 mW, o faza B od wartości 25 do 58,3 mW, o faza C od wartości 24,4 do 52 mW.

• Zmienność wartości pdi powodowana jest szerokością zakresu temperatur analizowanych pomiarów.

• Przedstawiony wykres trendu pdi (rys.4.40) przebiega łagodnie, bez wzrostów co wskazuje na brak zużywanie się izolacji w tym interwale czasowym. Podyktowane jest to wykonaniem izolacji stojana w technologii VPI.

Trend pdi w wysokich temperaturach 30÷45°C

010203040506070

*200

9/10

/02

2010

-04-

30

2009

-07-

15

2010

-08-

03

2011

-08-

14

2011

-08-

27

2011

-09-

18

2011

-10-

04

2012

-04-

29

2012

-06-

30

data

pdi[m

W],

tem

p.po

w.[°

C]

CC_A

CC_B

CC_C

temp.pow

• Na wykresie trendu parametru pdi wnz (rys.4.40) nie zarejestrowano zmian wartości w re-

jonie 04.2012. Regeneracja izolacji czół uzwojenia stojana nie znajduje odzwierciedlenia w przebiegach zmienność wartości pdi wnz (rys.4.40) i zmienność wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej oraz ujemnej N(Q) (rys.4.43).

• Na kanałach wyposażonych w czujniki PT100: RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), śledzenie trendu pdi jest niemożliwe, brak

Rys.4.39. Wykres słupkowy wartości parametrów pomiarowych a) pdi, b) Qmax c) Pulse Count-PPS, w dniu 30.06.2012r

Rys.4.40. Zmienność wartości pdi wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C w oraz w zakresie temperatur 30°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

79

wartości większej od zera. W przypadku powstania defektów można spodziewć się pojawienia mierzalnych poziomów pomiarowych.

• Na wykresie trendu parametru wnz Qmax (rys.4.41) przedstawiono na przestrzeni eksploatacji 10.2009 ÷ 06.2012r małe zmiany poziomu wartości:

o faza A dla kanału pomiarowego CC_A z wartości 630 do 1350 mV, o faza B dla kanału pomiarowego CC_B z wartości 500 do 1460 mV, o faza C dla kanału pomiarowego CC_C z wartości 980 do 1508 mV.

Trend Qmax [mV] w wysokich temperaturach 30÷45°C

0200400600800

1000120014001600

2010

/04/3

0*

2009

-07-

15

2010

-08-

03

2011

-08-

27

2011

-09-

18

2011

-10-

04

2012

-04-

29

2012

-06-

30

Data

Qm

ax [m

V] CC_A

CC_B

CC_C

RTD_A(ch4)

RTD_B(ch8)

RTD_C(ch9)

RTD_B(ch5)

RTD_A(ch6)

RTD_B(ch7)

• Dla wyznaczania trendu parametru wnz Qmax[mV] używanie kanałów z czujnikami PT100

jest zasadne już w początkowej fazie eksploatacji silnika. • Na wykresie trendu parametru PPS Pulse Count (rys.4.42) na przestrzeni eksploatacji

10.2009 ÷ 06.2012r odnotowano podobieństwo przebiegów wykresów dla pdi (rys.4.40). Wykres PPS Pulse Count posiada mniejszą stabilność wartości mierzonej przez co jest mniej przydatny do oceny stanu izolacji.

Trend zmienności PPS Pulse Count w wysokich temperaturach 30÷45°C

05000

1000015000200002500030000350004000045000

2010

/04/30

*

2009

-07-

15

2010

-08-

03

2011

-08-

27

2011

-09-

18

2011

-10-

04

2012

-04-

29

2012

-06-

30

Data

PP

S P

ulse

Cou

nt [1

/s]

CC_A

CC_B

CC_C

RTD_A(ch4)

RTD_B(ch8)

RTD_C(ch9)

RTD_B(ch5)

RTD_A(ch6)

RTD_B(ch7)

Na rysunku 4.43 przedstawiono porównanie wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz

wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) dla poszczególnych faz.

Rys.4.41. Zmienność wartości wnz Qmax dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C, RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 30°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

Rys.4.42. Zmienność wartości wnz PPS Pulse Count dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C, RTD_A(ch4), RTD_B(ch8), RTD_C(ch9), RTD_B(ch5), RTD_A(ch6), RTD_B(ch7), w oraz w zakresie temperatur 30°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

80

Przedstawione obok siebie wykresy odpowiadają zarejestrowanym pomiarom on-line w ciągu eksploatacji silnika.

CC_A CC_A CC_A CC_A CC_A

CC_B CC_B CC_B CC_B CC_B

CC_C CC_C CC_C CC_C CC_C

Rys.4.43. Zmienność wykresów fazowo-rozdzielczych 3D oraz wykresów impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) a) faza A kanał CC-A , b) faza B kanał CC-B, c) faza C kanał CC-C wnz w zakresie temperatur 35°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

04.2010r 08.2010r 08.2011r 04.2012r 06.2012r

Faza A kanał pom. CC_A

Faza B kanał pom. CC_B

Faza C kanał pom. CC_C

81

• Dla badanego silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6000V w obszarze warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie stojana 20%÷35% brak występowania defektów.

Wnioski: • Pomiary (rys.4.43) nie wykazały zmian poziomu wnz po regeneracji izolacji czół

uzwojenia, co świadczy że, pomiary w tym obszarze warunków środowiskowych (35°C÷45°C) nie pokazują istniejących i rozwijających się defektów izolacji czół uzwojeń.

• Pomiary on-line pracy ciągłej silnika parametrów wnz w zakresie temperatur 35°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% odzwierciedlają stan izolacji uzwojeń w żłobkach.

4.8. Wybór poziomów odniesienia do analizy pomiarów wnz oraz określenie współczynników stanu izolacji w1 i w2

Przedstawione we wcześniejszych podrozdziałach wyniki pomiarów pokazują drogę badania zachowań izolacji dla poszczególnych warunków środowiska i cykli pracy:

• Wyselekcjonowane pomiary umożliwiły analizę trendu zmian stanu izolacji stojana silnika.

• Dla maszyny o dobrym stanie izolacji pierwsze charakterystyczne dla defektów zmiany rozkładu fazowo-rozdzielczego można zaobserwować w niskich temperaturach, podczas rozruchu, w czasie przeciążenia maszyny, w ekstremalnie wysokich temperaturach.

• Mając charakterystyczne dla danego uzwojenia rozkłady fazowo-rozdzielcze i wykresy rozkładu impulsów o polaryzacji dodatniej i ujemnej N(Q) możemy dla ustalonych indywidualnie warunków środowiska pracy prowadzić monitoring on-line.

• Na bazie pomiarów on-line wyznaczamy poziomy parametrów wnz do sygnalizacji oraz alarmów pogorszenia stanu izolacji.

Dla ujednolicenia kryteriów oceny stanu technicznego izolacji różnych maszyn Autor wprowadził współczynniki stanu izolacji dla niskich temperatur w1 oraz dla wysokich temperatur w2.

• Współczynniki stanu izolacji pomiarów wnz są niemianowane po to, aby pomiary wykonywane na różnych maszynach oraz różnymi rodzajami czujnikami można było analizować tymi samymi kryteriami.

• Z uwagi na stabilność pomiaru współczynniki stanu izolacji pomiarów wnz w1 i w2 wyznaczone są dla mocy wyładowań pdi [mW] .

Dla badanego silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6000V młyna surowca w obszarze

warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 32%÷50% przyjęto stały poziom odniesienia

pdi min20°C [mW]: Faza A kanał pomiarowy CC-A - pdi min20°C(A) = 2,2 mW Faza B kanał pomiarowy CC-B - pdi min20°C(B) = 6,6 mW Faza C kanał pomiarowy CC-C - pdi min20°C(C) = 2,5 mW

Dla badanego silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6 kV w obszarze warunków

środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie stojana 20%÷35% przyjęto stały poziom odniesienia

pdi max40°C [mW]: Faza A kanał pomiarowy CC-A - pdi max40°C(A) = 43 mW Faza B kanał pomiarowy CC-B - pdi max40°C(B) = 33 mW Faza C kanał pomiarowy CC-C - pdi max40°C(C) = 51 mW

Współczynnik w1 jest to stosunek stałej wartość poziomu odniesienia pdi max40°C(n) [mW] danej fazy n przez wartość pomiaru pdi faza n [mW] dla którego wyznaczamy w1,

82

w obszarze warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C , wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 32%÷50%. w1faza n = pdi max40°C(n) / pdi faza n ( 4.1)

Współczynnik w2 jest to stosunek wartość pomiaru pdi faza n [mW] dla którego wyznaczamy w2 przez stałą wartość poziomu odniesienia pdi max40°C(n) [mW] danej fazy n , w obszarze warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C ,wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie stojana 20%÷35%: w2 faza n = pdi faza n / pdi max40°C(n) (4.2) Obliczenia współczynników w1 i w2 dla silnika SZUf-1412LL 1400kW, 6000V

Tabela 4.44 przedstawia pomiary wnz parametru pdi [mW] on-line dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 32%÷50% na przestrzeni eksploatacji 10.2009 ÷06.2012r oraz odpowiadającym im wartościom współczynnika w1 .

data pdi[mW] faza A

pdi[mW] faza B

pdi[mW] faza C w1faza A w1faza B w1faza C

2009-10-02 2,2 6,2 2,50 19,5 5,3 20,4 2009-10-19 2,5 7,1 2,80 17,2 4,6 18,2

2010-01-14 3,2 11,2 2,70 13,4 2,9 18,9 2010-03-15 6,2 11,9 6,70 6,9 2,8 7,6 2010-05-10 6,8 10,8 6,50 6,3 3,1 7,8 2010-08-08 6,5 10 5,50 6,6 3,3 9,3 2010-08-11 6,1 12 6,30 7,0 2,8 8,1 2010-09-05 6,5 12 6,90 6,6 2,8 7,4 2010-09-15 6,5 13,3 6,70 6,6 2,5 7,6 2010-11-12 7,6 12,2 7,00 5,7 2,7 7,3 2011-03-16 7 14 7,40 6,1 2,4 6,9 2011-06-13 6,2 11 6,40 6,9 3,0 8,0 2011-10-09 8,1 13,2 8,30 5,3 2,5 6,1 2011-11-28 7,3 13,6 7,50 5,9 2,4 6,8 2011-12-18 9,1 14,3 9,40 4,7 2,3 5,4 2012-01-05 7,2 14,8 7,90 6,0 2,2 6,5 2012-01-22 8,5 15 9,30 5,1 2,2 5,5 2012-02-24 7,8 15,5 10,10 5,5 2,1 5,0 2012-03-01 6,9 14,5 8,80 6,2 2,3 5,8 2012-03-29 1,1 1,3 0,90 39,1 25,4 56,7 2012-04-11 3,8 6,9 6,80 11,3 4,8 7,5 2012-04-19 5,6 14,4 6,40 7,7 2,3 8,0 2012-06-12 5,4 13,3 6,50 8,0 2,5 7,8

Tabela 4.44. Pomiary on-line wnz pdi oraz odpowiadającym im wartościom współczynnika w1 podczas eksploatacji od 10.2009 do 06.2012r dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 20°C÷25°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 32%÷50%

83

Pomiar wyładowań niezupełnych na napędzie młyna surowca został zainicjowany w październiku 2009 roku. Silnik w stanie nowym zainstalowano na obiekcie w kwietniu 2008 roku. Pierwsze półtora roku nie było objęte pomiarami. W pierwszych pomiarach odnotowano najniższe wartości mocy wyładowań wzn pdi min20°C [mW] to jest dla fazy A 2,2 [mW], faza B 6,2 [mW], faza C 2,5[mW]. W trakcie eksploatacji mierzone wartości pdi podnosiły się co można zaobserwować w tabeli (rys.4.44.):

• Faza A zmienia się we wrześniu 2010r do wartości 6,5 [mW], w październiku 2011r do 8,1 [mW], w lutym 2012r 7,5 [mW], po przeglądzie marzec 2012r spadła do 1,1 by w czerwcu 2012 osiągnąć 5,5 [mW] (poziom pdi 03.2010r).

• Faza B zmienia się we wrześniu 2010r do wartości 12 [mW], w październiku 2011r

do13,2 [mW], w styczniu 2012r do 15 [mW] po przeglądzie marzec 2012r spadła do 1,3 by w czerwcu 2012 osiągnąć 13,3 [mW] (poziom pdi 09.2010r).

• Faza C zmienia się we wrześniu 2010r do wartości 6,7 [mW], w październiku 2011r do

8,3 [mW], w styczniu 2012r do 9,3 [mW] po przeglądzie marzec 2012r spadła do 0,9 by w czerwcu 2012 osiągnąć 6,5 [mW] (poziom pdi 03.2010r).

Dla tych danych obliczono współczynnik w1 i przedstawiony na wykresie rys.4.45.

zmiana współczynnika w1w okresie od 10.2009r. do 06.2012r

0,010,020,030,040,050,060,0

2009

/10/

02

2009

/12/

02

2010

/02/

02

2010

/04/

02

2010

/06/

02

2010

/08/

02

2010

/10/

02

2010

/12/

02

2011

/02/

02

2011

/04/

02

2011

/06/

02

2011

/08/

02

2011

/10/

02

2011

/12/

02

2012

/02/

02

2012

/04/

02

2012

/06/

02

data

wsp

ółcz

ynni

k w

1

w1faza Aw1faza Bw1faza C

• Faza A zmienia się we wrześniu 2010r do wartości w1=19,5, w październiku 2011r do 5,3 , w lutym 2012r 5,5, po przeglądzie marzec 2012r wzrasta do 39,1 by w czerwcu 2012 osiągnąć 8 [mW] (poziom w1 z 03.2010r).

• Faza B zmienia się we wrześniu 2010r do wartości w1=5,3, w październiku 2011r do

2,5, w lutym 2012r do 15 po przeglądzie marzec 2012r wzrasta do 25,4 by w czerwcu 2012 osiągnąć 2,5 (poziom w1 z 09.2010r).

• Faza C zmienia się we wrześniu 2010r do wartości w1=20,4, w październiku 2011r do

6,1, w lutym 2012r do 5 po przeglądzie marzec 2012r wzrasta do 56,7 by w czerwcu 2012 osiągnąć 7,8 (poziom w1 z 03.2010r)

Rys.4.45. Zmienność wartości współczynnika w1 wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C w oraz w zakresie temperatur 20°C÷25°C wilgotność względna 32%÷50% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

84

Obserwując trendy wartości pdi [mW] i współczynnika „w1” widzimy zmianę stanu izolacji czoła uzwojenia stojana. Autor w oparciu o swoje pomiary wprowadził kryteria oceny stanu izolacji( rys.4.46). Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w1

Wartość współczynnika w1 Ocena stanu izolacji (dobry obraz czoła uzwojenia)

w 1 ≥ 20 Uzwojenie nowe

20 > w1 > 10 Bardzo dobry stan izolacji

10 ≥ w1 > 5 Dobry stan izolacji

5 ≥ w1 > 1 Obniżony stan izolacji

1 ≥ w1 > 0,1 Niski stan izolacji

Tabela 4.47 przedstawia pomiary wnz parametru pdi [mW] on-line dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 20%÷35% na przestrzeni eksploatacji 10.2009 ÷06.2012r.

data pdi[mW] faza A

pdi[mW] faza B

pdi[mW] faza C w2 faza A w2 faza B w2 faza C

*2009/10/02 43 33 51 1,0 1,0 1,0

2010-04-30 27,6 25 36,5 0,6 0,8 0,7

2009-07-15 42,9 33,3 51,8 1,0 1,0 1,0

2010-08-03 41,3 30,6 44,1 1,0 0,9 0,9

2011-08-14 53,5 58,3 47,7 1,2 1,8 0,9

2011-08-27 53,5 58,3 47,7 1,2 1,8 0,9

2011-09-18 26,9 28,7 30,60 0,6 0,9 0,6

2011-10-04 33 34,3 31 0,8 1,0 0,6

2012-04-29 24,9 30,3 35,20 0,6 0,9 0,7

2012-06-30 36,1 25 24,40 0,8 0,8 0,5

Wartości pdi [mW] przy pracy w wysokiej temperaturze 35÷40°C są pokazane w tabeli 4.47 oraz na wykresie wartości współczynnika w2 wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C (rys.4.48). Fazy A i C mają wyższy poziom pdi od fazy B w początkowym pomiarze. W 2011 roku faza B osiąga najwyższą wartość pdi 58,3(mW). Brak tendencji wzrostowej wskazuje na stabilny

Tabela .4.47. Pomiary on-line wnz pdi oraz odpowiadającym im wartościom współczynnika w2 podczas eksploatacji od 10.2009 do 06.2012r dla obszaru warunków środowiskowych; temperatury z przedziału 35°C÷45°C, wilgotność względna powietrza chłodzącego uzwojenie 20%÷35%

Tabela 4.46. Kryteria oceny stanu izolacji czoła uzwojenia w oparciu o współczynnik w1

85

poziom izolacji. Ten obszar środowiskowy nie wykazuje defektów izolacji, jedyna zmiany spowodowane są różnicami temperatury pracy.

zmiana współczynnika W2 od 10.2009r. do 06.2012r

0,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,0

*200

9/10/0

2

2010

-04-

30

2009

-07-

15

2010

-08-

03

2011

-08-

14

2011

-08-

27

2011

-09-

18

2011

-10-

04

2012

-04-

29

2012

-06-

30

data

wsp

ółcz

ynni

k w

2

CC_A

CC_B

CC_C

Wartości współczynnika w2 zaczynają się do wartości 1. Największą dynamikę wzrostu współczynnika w2 posiada faza B do wartości 1,8, faza A do wartość współczynnika w2= 1,2, faza B współczynnika w2=0,9. Izolacja w żłobkach stojana wykonany techniką VPI nie obniżyła w sposób istotny wartości izolacji w trakcie eksploatacji w latach 2009 do 2012.

Autor w oparciu o swoje pomiary wprowadził kryteria oceny stanu izolacji( rys.4.49). Kryteria oceny stanu izolacji w oparciu o współczynnik w2 tabela 4.49.

Wartość współczynnika w2 Ocena stanu izolacji (dobry obraz żłobków)

w2≤ 2 Uzwojenie nowe

2 < w2 < 5 Bardzo dobry stan izolacji

5 ≤ w2 < 10 Dobry stan izolacji

10 ≤ w2 < 20 Obniżony stan izolacji

20 ≤ w2 Niski stan izolacji

Wnioski:

• Wyselekcjonowane pomiary umożliwiły analizę trendu zmian stanu izolacji stojana silnika.

• Współczynniki stanu izolacji pomiarów wnz w1 i w2 wyznaczone są dla mocy wyładowań pdi.

Rys.4.48. Zmienność wartości współczynnika w2 wnz dla kanałów CC_A, CC_B, CC_C w oraz w zakresie temperatur 30°C÷45°C wilgotność względna 20%÷35% - pomiary on-line pracy ciągłej silnika wykonane od 10.2009r. do 06.2012r

Tabela.4.49. Kryteria oceny stanu izolacji w żłobkach w oparciu o współczynnik w2

86

• Prowadząc pomiary wyładowań niezupełnych on-line można w oparciu o wyliczenie współczynników w1 i w2 oraz stosując przedstawione kryteria oceny stanu izolacji (tab.4.46, tab.4.49) śledzić i analizować stan izolacji silnika.

5. Wnioski

Autor w pracy zaprezentował nową technologię i organizację efektywnej diagnostyki

eksploatacyjnej napędów elektrycznych w przemyśle cementowym na przykładzie Cementowni Odra S.A., w szczególności maszyn elektrycznych w tych napędach. Diagnostyka obejmuje uszkodzenia typu elektromagnetycznego i mechanicznego najczęściej występujące w tych napędach, newralgiczne dla funkcjonowania cementowni. Autor zaproponował również zmianę dotychczasowych, starych zasad eksploatacji maszyn, wprowadził zmiany w zabezpieczeniach maszyn i urządzeń, wprowadził zmiany w zarządzaniu maszynami. Zadania wykonane przez autora w ramach realizacji pracy obejmują:

• Zestawienie zespołów napędowych w Cementowni z podziałem na grupy o różnej ważności: maszyny strategiczne, maszyny podstawowe, maszyny pomocnicze. Dla poszczególnych grup maszyn wprowadzono diagnostykę off-line i on-line. Maszyny strategiczne takie jak młyn surowca, wentylatory obiegowe i chłodzenia pieca wypału klinkieru, napęd pieca są nadzorowane za pomocą systemów ciągłego monitorowania on-line i zabezpieczeń. Maszyny podstawowe w przeważającej większości napędy młynów cementu i ich wentylatory, są nadzorowane częściowo za pomocą systemów ciągłego monitorowania i zabezpieczeń oraz monitorowane okresowo przy pomocy sprzętu przenośnego off-line. Maszyny pomocnicze są monitorowane okresowo przy pomocy przenośnego sprzętu pomiarowego off-line.

• Wprowadzenie jednolitego systemu akwizycji danych diagnostycznych dla wszystkich wymienionych grup maszyn.

• Opracowanie i wdrożenie zmian wyposażenia elektrycznego układów napędowych dla uzyskania prawidłowych warunków eksploatacji maszyn elektrycznych w cementowni.

• Włączeniu do systemu zarządzania wszystkich pomiarów on-line i off-line maszyn realizowanych na okoliczność oceny ich stanu technicznego.

• Opracowanie metody diagnozowania on-line izolacji uzwojeń silników WN w oparciu o pomiar i analizę wyładowań niezupełnych w stanach przejściowych dla różnych warunków ich otoczenia.

• Zastosowanie i wykorzystanie po raz pierwszy w kraju techniki pomiarów drgań względnych do oceny dynamicznej zespołu maszynowego: silnik WN + przekładnia + młyn cementu.

Opracowana technologia i nowa organizacja diagnostyki zespołów napędowych jest technologicznym wzorcem dla przedsiębiorstw typu cementownie, które decydują się na wprowadzenie diagnostyki off-line i on-line maszyn w szczególności maszyn elektrycznych.

Diagnozowanie zespołów napędowych mogą wykonywać służby utrzymania ruchu

cementowni, do ich nowych zadań należą głównie: • Ocena stanu technicznego maszyn elektrycznych w czasie eksploatacji na podstawie śledzenia i analizy zmian danych pomiarowych systemu monitorowania ciągłego on-line i pomiarów okresowych maszyn off-line.

• Wykonywanie pomiarów okresowych off-line maszyn pomocniczych i maszyn podstawowych niewyposażonych w monitoring.

87

• Prognozowanie trendu zmian stanu technicznego maszyn na podstawie powyższej oceny.

• Ostrzeganie o możliwej awarii maszyn i wskazywanie horyzontów czasowych napraw prewencyjnych maszyn elektrycznych.

• Kontrola efektywności remontu – ocena stanu technicznego maszyny przed i po remoncie.

Do najistotniejszych osiągnięć autora tej pracy zalicza:

• Opracowanie technologicznego wzoru dla cementowni, które decydują się na wprowadzenie kompleksowego programu zabezpieczenia, diagnostyki i zarządzania układami napędowymi. Jest to długofalowa koncepcja rozwoju w przedsiębiorstwie zmierzająca do ustanowienia systemu wczesnego ostrzegania przed awarią maszyny. Autor będzie propagował swoją metodę w innych cementowniach i podobnych zakładach.

• Zainstalowanie i uruchomienie dwóch pierwszych w kraju układów drgań względnych wałów silników pierścieniowych na łożyskach ślizgowych napędzających młyny cementu.

• Ocena stanu technicznego napędu na łożyskach ślizgowych oparta o analizę w dziedzinie czasu i częstotliwości sygnału drgań względnych wałów silników pierścieniowych.

• Zainstalowanie i uruchomienie pierwszego w kraju układu pomiaru wyładowań niezupełnych na silniku pierścieniowym produkcji polskiej.

• Opracowany własnego system doboru kryteriów i wyznaczania obszarów obserwacji wyładowań niezupełnych dla danej maszyny elektrycznej, pozwalającej na ciągłe śledzenie starzenia się izolacji oraz oceny skuteczność czynności naprawczych.

• Wprowadzenie własnej metody analizy stanu izolacji na podstawie obserwacji wnz w wyznaczonych obszarach pracy układu izolacji z wykorzystaniem stanów przejściowych (zmiana temperatury, zmiana wilgotności powietrza chłodzącego, zmiana obciążenia maszyny, rozruchu), pozwalającej ocenić stopień degradacji stanu izolacji.

• Wprowadzenie własnych kryteriów oceny stanu izolacji w oparciu o współczynniki w1 i w2 pomiarów wnz, pozwalających na ocenę stanu izolacji czoła uzwojenia oraz izolacji żłobkowej.

Wszystkie prace wykonane przez autora, jego badania eksperymentalne i pomiary potwierdziły w pełni postawione tezy:

Pracy silników elektrycznych z napędów przemysłowych w cementowniach

towarzyszą wyładowania niezupełne (wnz). Analiza wnz z uwzględnieniem rozkładów fazowo-rozdzielczych może być wykorzystana do diagnostyki on-line izolacji tych silników w tym do diagnostyki czół uzwojeń.

Opracowano system doboru kryteriów i wyznaczania obszarów obserwacji wyładowań

niezupełnych dla danej maszyny pozwala na ciągłe śledzenie starzenia się izolacji oraz pozwala ocenić skuteczność czynności naprawczych.

Metoda analizy stanu izolacji na podstawie obserwacji wnz w wyznaczonych

obszarach pracy układu izolacji z wykorzystaniem stanów przejściowych (zmiana

88

temperatury, wilgotności powietrza chłodzącego, obciążenia maszyny, rozruch) pozwala ocenić stopień degradacji stanu izolacji.

W analizie w dziedzinie czasu i częstotliwości sygnału drgań względnych wałów

silników pierścieniowych zawarta jest informacja o stanie technicznym tego napędu.

Przedstawiona praca ma charakter technologiczny zmierzający do zmniejszenia awaryjności urządzeń technologicznych w krajowych cementowniach. Uzyskane w ten sposób obniżenie kosztów produkcji poprawi konkurencyjność tej gałęzi przemysłu w Unii Europejskiej.

Wykaz publikacji: 1.autor Marek Kacperak „Modernizacja starych układów napędowych w przemyśle

cementowym”–maszyny elektryczne zeszyt problemowy 79/2008, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel.

2.autor Marek Kacperak „Utrzymanie ruchu układów napędowych w przemyśle cementowym” –maszyny elektryczne zeszyt problemowy 80/2008, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel.

3. autor Marek Kacperak, Sławomir Szymaniec „Eksploatacja i diagnostyka maszyn elektrycznych w przemyśle cementowym –zagadnienia wybrane”- maszyny elektryczne zeszyt problemowy 85/2010, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel.

4. autor Marek Kacperak „Eksploatacja i diagnostyka maszyn elektrycznych w przemyśle cementowym –zagadnienia wybrane”- maszyny elektryczne zeszyt problemowy 87 /2011, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel.

5. autor Marek Kacperak. „Diagnostyka on-line maszyn elektrycznych w przemyśle cementowym” – Własna metoda oceny stanu izolacji stojana na podstawie pomiarów wyładowań niezupełnych- maszyny elektryczne zeszyt problemowy 96/3 /2012, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel.

Ważniejsze projekty:

1.Projekt oraz wykonanie regulacji obrotów pieca klinkieru. Konieczność podniesienia mocy

dla silników pierścieniowych typu AKZ 6 KV z 320 kW na 400 kW. 2.Wykonanie według własnego patentu układu łagodzącego rozruch silników indukcyjnych

zwartych typu SZJ-r 138, 500 kW, 6 kV. Złagodzono udary rozruchowe młyna węgla napędzanego dwoma silnikami przez połączenie elektrycznie na czas rozruchu stojanów.

3.Modernizacja zabezpieczeń silników 6 kV Aplikacja i parametryzacja cyfrowych zabezpieczeń. Dostosowanie pól 6 kV do sterowania z systemów centralnych.

4.Wprowadzanie systemu diagnostycznego napędów Cementowni Odra S.A. 5.Zastosowanie falownika 1500 kVA do zasilania silnika młyna cementu. 6. Zaprojektowanie i wykonanie układu falowników pieca klinkieru z rezerwowaniem podczas awarii. 7. Układ automatycznego zasilania awaryjnego z zastosowaniem agregatu prądotwórczego. 8. Wprowadzenie centralnego sterowania pieca obrotowego i młyna surowca.

89

9.Wprowadzenie centralnego sterowania młynami cementu opartego o system PCS7 Cemat. 10.Aplikacja komputerowego systemu zarządzania zużyciem energii elektrycznej.

Literatura [1] ADWEL: PD monitoring, Nota Aplikacyjna 2003. [2] Aleksandrow A., Barkow A., Barkowa N., Szafrański W.: Wibracyja

i wibrodiagnostika sudowogo elektrooborudowanija. Sudostrojenie 1986. [3] Andrzejewski M., Cempel Cz.: Diagnostyka eksploatacyjna łożysk tocznych

w silnikach elektrycznych za pomocą zjawisk elektrycznych. Praca zbiorowa : Diagnostyka łożysk tocznych. Ossolineum 1980, Wrocław, str.133-148.

[4] Andrzejewski L.: Diagnostyka i remonty maszyn elektrycznych dużej mocy. IV Seminarium Techniczne – Materiały i układy elekroizo- lacyjne w przemyśle, Ustroń, 7-9.10.1998, Materiały Konferencyjne, str. 129-139.

[5] Bently Nevada Corporation: How to minimize electrical runout during rotor manufacturing. Applications Note. Minden, 1979.

[6] Bently Nevada Corporation: „GLITCH”, Definition of and Methods for Correction, including Shaft Burnishing to Remove Electrical Runout. Applications Note. Minden, 1990.

[7] Bently Nevada Corporation: Rotating Machinery Information Systems and Services. Applications Note. Minden, 1990.

[8] Biernatt M.O awaryjności silników klatkowych wysokiego napięcia.Wyd.BOBRME Katowice 2004, Maszyny Elektryczne,nr 68, 2004, str. 37-40.

[9] Borowski R., Ludwikowski Z.: Badania eksperymentalne silnika indukcyjnego z uwzględnieniem przerw i zwarć w uzwojeniach stojana. Wyd. BOBRME, Katowice 1998, Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr 56, 1998, str. 5-9.

[10] Brown D.N., Jensen T.: Peak and envelope analysis for bearing fault detection a case study from a Pacific North-West Mill, USA. Application notes BO 0286-11. Application notes BO 0252-11.

[11] Brüel & Kjær: Machine Condition Monitoring. Application notes BR 0267-13. [12] Brüel & Kjær: Systematic Machine Condition Monitoring. Application notes BO

0299-11. [13] Brüel & Kjær: Peak and Envelope Analysis for Bearing Fault Detection. Application

notes BO 0286-11. [14] Brüel & Kjær: Envelope analysis the key to rolling - element bearing diagnosis.

Application notes BO 0187-11. [15] Courrech J.,Gaudet M.: Envelope analysis – the key to rolling – element bearing

diagnosis. Application notes BO 0187-11. [16] Dwojak J.: Opracowanie efektywnej diagnostyki eksploatacyjnej zespołów maszynowych

w energetyce na przykładzie Elektrowni Opole S.A., Praca Doktorska, Politechnika Opolska, Opole 2012.

[17] Energotest-Diagnostyka Spółka z o.o Protokół nr 2006/734 z pomiarów i remontu silnika elektrycznego; typ: DSE 1318-6, Brzezie grudzień 2006r.

[18] Energotest-Diagnostyka Spółka z o.o.:Protokół nr 2011/321 z pomiarów stanu izolacji silnika elektrycznego silnika SZUf-1412LL Brzezie kwiecień 2011 roku.

[19] Fenger M., Stone G.C., Lloyd B.: Continuous on-line PD monitoring for motors, switchgear and dry-type tranformers. Iris Power Engineering, Toronto, ON-M9C1B2, Nota Aplikacyjna 2003.

[20] Florkowska B.: Wyładowania niezupełne w układach izolacyjnych wysokiego napięcia – analiza mechanizmów, form i obrazów. Wyd. IPPT PAN, Warszawa 1997.

[21] Florkowska B, Florkowski M., Włodek R., Zydroń P.: Mechanizmy, pomiary i analiza wyładowań niezupełnych w diagnostyce układów izolacyjnych wysokiego

90

napięcia. Wyd. IPPT PAN, Warszawa 2001. [22] Florkowski M.: System diagnostyczny oceny układów elektroizolacyjnych wysokiego

napięcia. Rozprawa doktorska, AGH, Kraków, 1994. [23] Glinka T.: Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń stojana silników indukcyjnych

wysokiego napięcia. Wyd. BOBRME, Katowice 1992, Maszyny Elektryczne, nr 45, 1992, str. 17-21.

[24] Glinka T., Bernatt J.: Doświadczenia z badań diagnostycznych izolacji uzwojeń WN napięciem stałym. IV seminarium Techniczne „Materiały i układy elektroizolacyjne w przemyśle”, Ustroń 7-9.10.1998. str. 102-109, Materiały Konferencyjne.

[25] Glinka T.: Diagnostyka okresowa izolacji uzwojeń generatorów napięciem stałym. Wyd.BOBRME, Katowice 2003, Maszyny Elektryczne, nr 65, 2003, str.73-76.

[26] Glinka T.: Klasyfikacja stopnia zużycia izolacji uzwojeń maszyn elektrycznych. Wyd. BOBRME, Katowice 2004, Maszyny Elektryczne, nr 68, 2004, str. 13-18.

[27] Glinka T.: Badania diagnostyczne maszyn elektrycznych w przemyśle. Wyd. BOBRME, Katowice 1998.

[28] Glinka Tadeusz.:Badania Diagnostyczne Maszyn Elektrycznych w Przemyśle. BOBRME Komel, Katowice 2002r.

[29] Golubev A, Paoletti G.: Partial Discharge Theory and Technologies related to Medium Voltage Electrical Equipment. 2000 IEEE. Reprinted, with permission, from Paper 99-25 presented at the IAS 34th Annual Meeting, Oct 3-7, ‘99, Phoenix, AZ.

[30] Gosiewski Z., Muszyńska A.: Dynamika maszyn wirnikowych. Wyd. WSI w Koszalinie, 1992.

[31] Gulski E.: Diagnozowanie wyładowań niezupełnych w urządzeniach wysokiego napięcia w eksploatacji. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.

[32] Hickiewicz J., Ławrowski Z.: Diagnostyka napędów z silnikami indukcyjnymi. Wiadomości Elektrotechniczne nr 4, rok 2000.

[33] Hickiewicz J., Ławrowski Z.: Badania diagnostyczne silników indukcyjnych stosowanych w energetyce zawodowej. Wyd. BOBRME, Katowice 2000, Maszyny Elektryczne, nr 61, 2000, str. 199-206.

[34] Hofmann: Operation Manual EMB 7000 Active Fan Balancing System Dual Plane Type,Pfungstadt 2009r.

[35] Instrukcja systemu monitorującego wnz InsulGard firmy Cutler-Hammer 2007 [36] InsulGard: 03 User Manual Version 4.1.August 2007. [37] InsulGard: Continuous online discharge measurement, Optimise your electric power

availability by online discharge measurement. Broszura informacyjna. Materiały dostępne w Internecie: <http://www.moeller.ru/upload/catalog/EESS_insulguardUK.pdf>

[38] InsulGard: For Medium Voltage Motors, Generators, Switchgear, Bus Duct and Cable Terminations. Broszura informacyjna BR02713001E / Z6050. November 2007. Eaton Corporation. Materiały dostępne w Internecie: <http://www.moeller.ru/upload/catalog/EESS_insulguardUK.pdf>

[39] Ławrowski Z.: Diagnostyka izolacji silników indukcyjnych 6 kV w Elektrowni OPOLE. Wyd. BOBRME, Katowice 1995, Maszyny Elektryczne, nr 50, 1995, str. 74-79.

[40] Ławrowski Z.: Doświadczenia powodziowe dotyczące przywracania zalanych silników do eksploatacji w Elektrowni „OPOLE”. Wyd. BOBRME, Katowice 1998, Maszyny Elektryczne, nr 55, 1998, str. 120-122.

[41] Ławrowski Z.: Diagnostyka silników klatkowych wysokiego napięcia w energetyce na przykładzie Elektrowni Opole. Praca doktorska, Politechnika Śląska, Wydział Elektryczny,1999.

[42] Kacperak M. „Modernizacja starych układów napędowych w przemyśle cementowym” –maszyny elektryczne zeszyt problemowy 79/2008, Branżowy Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Maszyn Elektrycznych Komel

[43] Muszyńska A.: Misalignment and shaft crack – related phase relationships for 1X and 2X vibration components of rotor responses. Orbit, Volume 10, No. 2, September 1989, pp. 4-8.

91

[44] Muszyńska A.: Niestateczność drgań poprzecznych wirników wskutek zjawisk dynamicznych powstających w otaczającym płynie. Przegląd Mechaniczny, nr 1, 1993, str. 7-12.

[45] MATUSZEK M.: InsulGard – monitoring izolacji maszyn i urządzeń elektrycznych wysokiego napięcia. Materiały dostępne w Internecie: < http://www.utrzymanieruchu.pl/nc/menu-gorne/artykul/article/insulgard-monitoring-izolacji-maszyn-i-urzadzen-elektrycznych-wysokiego-napiecia/?tx_ttnews[backPid]=868&cHash=4a5c3e0531>

[46] Okręglicki S.: Rozwój układów izolacyjnych uzwojeń produkowanych przez Energoserwis S.A do stojanów turbo i hydrogeneratorów. XII Konferencja Remontowa Energetyki, Szczyrk 3-5.10.2001, Materiały Konferencyjne, str. 121-132.

[47] PN-98/E-04700 Urządzenia i układy elektryczne. Wytyczne przeprowadzania po montażowych badań odbiorczych.

[48] Proczek M.: Układ izolacyjny dla stojanów silników wysokiego napięcia. Wyd. BOBRME, Katowice 1992, Maszyny Elektryczne, nr 45, 1992.

[49] Rogowicz Cz.: Impregnacja próżniowo-ciśnieniowa uzwojeń VPI. Wyd. BOBRME, Katowice 1996. str. 116-119.

[50] Rogowicz Cz.: Regeneracja izolacji maszyn elektrycznych przez profilaktyczne nasycanie metodą VPI. Wyd. BOBRME, Katowice 2000, Maszyny Elektryczne, nr61, 2000, str. 35-38.

[51] SKF: Early Warning Fault Detection in Rolling Element Bearings Using Microlog Enveloping. Applicat. Note CM3021, 1999.

[52] Skubis J.: Diagnostyka wnz metodą EA w transformatorach dużej mocy podczas ich eksploatacji. Energetyka nr 6, 1997, str. 286-291.

[53] Skubis J.: Wybrane zagadnienia z techniki i diagnostyki wysokonapięciowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Opolskiej, Opole 1998 r.

[54] Skubis J.: EA w badaniach izolacji urządzeń elektroenergetycznych. IPPT-PAN, Studia i Monografie nr 99, Opole 1998.

[55] Sordyl F., Nowicki R.: Identyfikacja niestateczności drgań wału. Wyd. Energopomiar, Gliwice 1988, Materiały Konferencyjne str.70-78, III Konferencja Naukowo-Techniczna Metrologia w energetyce, Świnoujście 11-15.04.1988.

[56] Stone G.C., Boulter E.A., Culbert I., Dhirani H.: Electrical insulation for rotating machines. IEEE PRESS series on Power Engineering, USA, 2004.

[57] SZYMANIEC S.: Diagnostyka stanu izolacji uzwojeń i stanu łożysk silników indukcyjnych klatkowych w warunkach przemysłowej eksploatacji. Wyd. Politech. Opolskiej, Studia i Monografie z. 193, Opole 2006.

[58] SZYMANIEC S.: Analiza wyników pomiarów wyładowań niezupełnych w silnikach elektrycznych. Wyd. BOBRME ,Katowice 2007, Maszyny Elektryczne Nr 76/2007, str.95-100.

[59] TECHNICAD; TNC 2010 aparatura do nadzoru maszyn wirnikowych, Nota Aplikacyjna, Gliwice 2000.

[60] Technicad: DTR mocowania czujników pomiarów drgań względnych i znacznika fazy silnika SYUe-148r/01 i SAS-158 Gliwice grudzień 2009r.

[61] Technicad: System ciągłego monitorowania dwóch silników w Cementowni ODRA s.a., Gliwice maj 2009r.

[62] Tułodziecka E., Andrzejewski K., Proczek M.: Diagnostyka układu izolacyjnego typu VPI stojana silnika 6 kV, 630 kW, 3000 obr/min w procesie produkcji. Wyd. BOBRME, Katowice 1998, Maszyny Elektryczne, nr 55, 1998, str. 113-119.

[63] Zakład Maszyn Elektrycznych, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Materiały dydaktyczne online. Dostępne w Internecie: <http:// www.ime.pw.edu.pl/zme/dyd/mater/kme/kme05.pdf

[64] ZHU H., GREEN V., SASIC M., HALLIBURTON S.: On-line PD testing on lower-voltage rotating machines using high sensitivity capacitors. Materiały dostępne

92

w Internecie: <http://www.unitronics-electric.com/pdf/articulos/PD_lower_volt_machines.pdf>, (05.04.2010).

[65] Zhu H., Green V., Huynh D.: Application of Both On-line and Off-line Partial Discharge Testing on Hydrogenerators IEEE International Electrical Insulation Symposium, Anaheim, CA, USA, April, 2000.

[66] Zydroń P.: Zastosowanie analizy czasowej i częstotliwościowej do badania wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych wysokiego napięcia. Rozprawa doktorska, AGH Kraków 2001.

[67] VonRoll: Systemy izolacyjne dla wysokonapięciowych maszyn wirujących. Materiały dostępne w Internecie: <http://www.vonroll.ch/downloads/brochures/HV_Machines_Pol_09-10.pdf

Documents

Diagnostyka eksploatacyjna napędów elektrycznych w przemyśle