Повышение эксплуатационной надёжности электрооборудования инфраструктуры предприятий АПК на базе количественной термографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.02, кандидат технических наук Мухин, Евгений Александрович

• Мухин, Евгений Александрович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мухин, Евгений Александрович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК НА БАЗЕ 11 КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ

1.1. Тенденция развития инфраструктуры АПК

1.2. Анализ систем технической эксплуатации электрооборудования портов рыбохозяйственного комплекса

1.3. Эксплуатационная надёжность электрооборудования инфраструктуры предприятий АПК

1.3.1. Эксплуатационная надежность электрооборудования портальных кранов

1.3.1.1. Эксплуатационная надёжность электрических машин

1.3.1.2. Эксплуатационная надёжность коммутирующей аппаратуры

1.3.2. Эксплуатационная надёжность судовых электрических машин

1.3.3. Эксплуатационная надёжность трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ

1.4. Диагностика электрооборудования инфраструктуры АПК на базе количественной термографии

1.4.1. Анализ метода тепловизионной диагностики

1.4.2. Элементы системы диагностики электрооборудования инфраструктуры АПК на базе количественной термографии

1.5. Элементы термографического обследования электрооборудования инфраструктуры АПК

1.6. Технические характеристики тепловизионного оборудования

1.7. Цели и задачи повышения эксплуатационной надёжности электрооборудования инфраструктуры предприятий АПК

ГЛАВА II. ТЕПЛОВАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1. Предпосылки разработки диагностической модели асинхронного двигателя

2.1.1. Анализ существующих методов контроля технического состояния асинхронного двигателя

2.1.2. Математическое описание процессов теплопередачи в электрической машине

2.1.3. Параметрическая идентификация диагностической модели асинхронного двигателя в стационарном тепловом режиме

2.1.4. Анализ термограммы станины асинхронного двигателя

2.1.5. Диагностическая модель асинхронного двигателя в стационарном тепловом режиме

2.1.6. Расчет коэффициента теплоотдачи от поверхности станины

2.1.7. Расчет плотности теплового потока с поверхности станины

2.1.8. Расчет температуры обмотки статора

2.1.9. Анализ адекватности диагностической модели асинхронного двигателя при стационарном тепловом режиме

2.1.10. Анализ использования диагностической модели в регулярном тепловом режиме

2.1.11. Результаты использования методики расчёта температуры обмотки асинхронного двигателя на базе количественной термографии

2.2. Электротепловая схема оребренной поверхности станины асинхронного двигателя

2.2.1. Методы теплового расчета электрических машин

2.2.2. Электротепловая схема оребренной поверхности станины статора асинхронного двигателя

2.3. Факторный анализ влияния параметров диагностической модели на расчёт температуры обмотки

2.4. Влияние теплового режима работы на ресурс асинхронного двигателя

2.5. Результаты использования диагностической модели асинхронного

двигателя

ГЛАВА III. АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЁЖНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ 77 АПК НА БАЗЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ

3.1. Методика расчёта показателей эксплуатационной надёжности элементов электрооборудования АПК по данным количественной термографии

3.2. Оценка параметров эксплуатационной надёжности элементов электрооборудования морского порта

3.2.1 Оценка параметров эксплуатационной надёжности асинхронных двигателей электропривода портальных кранов

3.2.2. Гамма-процентный ресурс асинхронных двигателей электропривода портальных кранов

3.2.3. Параметры эксплуатационной надёжности коммутирующей аппаратуры электропривода портальных кранов

3.2.4 Проверка статистической гипотезы однородности массивов данных дефектов электропривода портальных кранов

3.3 Оценка параметров эксплуатационной надёжности элементов электрических сетей морского порта

3.3.1. Оценка доверительных интервалов вероятности отказа контактных соединений ТП 6/0,4 кВ

3.3.2. Проверка гипотезы о законе распределения потока дефектов контактных соединений ТП 6/0,4 кВ

3.3.3. Определение величины гамма-процентного ресурса контактных

соединений ТП 6/0,4 кВ

3.4. Результаты мероприятий по повышению эксплуатационной надёжности электрооборудования морского порта

ГЛАВА IV. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ 105 АПК НА БАЗЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ТЕРМОГРАФИИ

4.1. Тепловизионная диагностика элементов подъёмно-транспортного

оборудования морского порта

4.2. Тепловизионная диагностика объектов электрических сетей морского порта

4.3. Тепловизионная диагностика объектов теплоэнергетики

Заключение

Библиографический список литературы

Приложение 1

Приложение II

Приложение III

Приложение IV

Приложение V

Приложение VI

Приложение VII

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эксплуатационной надёжности электрооборудования инфраструктуры предприятий АПК на базе количественной термографии»

ВВЕДЕНИЕ

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

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

Техническое обслуживание и ремонт инфраструктуры предприятий рыбохозяйственного комплекса, в частности, электрооборудования рыбных и торговых терминалов морских портов осуществляются на основе систем контроля технического состояния: РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования», «Правила устройства электроустановок», «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» и т.д. В представленных документах изложены организационные и технические требования по обслуживанию и ремонту электрооборудова-

ния, приведены периодичность, объемы и регламент испытаний, рассмотрены общие указания по устройству электроустановок и т.д.

Статистическая обработка данных дефектов, зафиксированных в процессе эксплуатации электрооборудования морского порта г. Мурманска в период 2008 - 2010 г.г., показала, что поток отказов различных элементов электропривода, в частности асинхронных двигателей, значителен.

Планово-предупредительные ремонтные работы не позволяют предотвращать дефекты, например, асинхронных двигателей, коммутирующей аппаратуры, силовой преобразовательной техники на ранней стадии развития.

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

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

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

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

Задачами исследования являются:

- анализ эксплуатационной надёжности электрооборудования предприятий АПК;

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

- создание тепловой диагностической модели асинхронного двигателя;

- анализ эффективности применения элементов системы контроля технического состояния электрооборудования методом количественной термографии;

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

Объектами исследования является электрооборудование инфраструктуры АПК, в том числе асинхронные двигатели серии АИР, K2\R, Smh и др. мощностью от 1,5 до 110 кВт; преобразователи частоты IndraDrive, Refudrive 500 мощностью от 45 до 250 кВт; сетевые контакторы и реле ES—160, ES-250, S—IDX 31,41, Siemens 3RT\0, 3RH19, 2RV\4 и др.; электрогидротолкатели ЕВ 320, BL 200 и др.; элементы трансформаторных подстанций 6/0,4 кВ.

Предметом исследования являются элементы системы контроля технического состояния электрооборудования предприятий АПК на основе количественной термографии.

Базовыми методологическими научными работами в области количественной термографии являются работы Вавилова В.П., Власова А.Б.; в области тепловых расчётов электрических машин и аппаратов работы Сипайлова Г.А., Санникова Д.И., Жадана В.А., Борисенко А.И., Бурковского А.Н., Турина Я.С., Радина В.И., Ройзена Л.И.; в области теории теплопередачи работы Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомела A.C., Лыкова A.B., Михеева М.А.; в области математической статистики работы Кремера Н.Ш., Блохина В.Г., Ряби-нина И.А.; в области отраслевой энергетики работы Бородина И.Ф., Стребкова Д.С., Карпова В.Н., Гессена В.Ю., Епифанова А.П. и др.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечена применением сертифицированных средств измерения исследуемых величин; применением методов математической статистики; экспертизой патента и программы ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ.

Научная новизна работы:

- разработан метод количественной термографии для диагностики технического состояния электрооборудования предприятий АПК;

- создана тепловая диагностическая модель асинхронного двигателя; проанализирована возможность использования модели в различных тепловых режимах; произведён анализ влияния параметров, учитываемых в модели, на результаты расчёта температуры обмотки статора;

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

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

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

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

Реализация работы. Элементы разработанной системы контроля технического состояния электрооборудования на базе количественной термографии внедрены в производственном процессе ОАО «Мурманский морской торговый порт», ОАО «Окат».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены в виде докладов на всероссийской научной

конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2010; международной молодёжной научно-практической конференции «Научно-практические исследования и проблемы современной молодёжи», Елабуга, 2010; международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2011», Мурманск; научно-техническом конкурсе молодых учёных и специалистов ОАО «Объединённая судостроительная корпорация», 2012; международной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, г. Санкт-Петербург - Пушкин, 2012; международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2012», Мурманск; международной научно-практической конференции по строительной механике корабля, г. Санкт-Петербург, 2012.

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

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

- разработанные элементы системы по контролю технического состояния электрооборудования инфраструктуры АПК на базе количественной термографии;

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

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

Заключение диссертации по теме «Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве», Мухин, Евгений Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Статистической обработкой данных отказов электрооборудования предприятий АПК подтверждено положение об ухудшение их технического состояния. Установлено, что по причине дефектов коммутирующей аппаратуры происходит 40,6% от общего числа отказов; по причине дефектов асинхронных двигателей 19,3%. Обоснована необходимость внедрения нового инженерного метода диагностики технического состояния электрооборудования АПК по данным количественной термографии.

2. Разработаны и теоретически обоснованы элементы системы контроля технического состояния электрооборудования предприятий АПК на базе количественной термографии, включающие регламент термографических обследований, диагностическую модель, метод статистической обработки полученных данных. Подобный подход позволяет решать задачи «диагноза» и «прогноза» технического состояния электрооборудовании АПК на базе количественной термографии.

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

4. На основании разработанного метода и экспериментальных исследований зарегистрирован патент №2455657 МПК С01Ю5/00 «Способ теплового контроля температуры обмоток электрических машин». Использование указанного метода позволят оперативно и дистанционно получать информацию о техническом состоянии обмоток асинхронного двигателя в процессе эксплуатации под нагрузкой.

5. Для решения задачи «прогноза» разработана методика статистической обработки данных и определена периодичность термографических обследований электрооборудования предприятиях АПК. Выявлено, что для исследуемой выборки асинхронных двигателей экспериментальные значения вероятности безотказной работы лежат в пределах 0,966 - 0,995, термографические обследования необходимо проводить с периодичностью не реже одного раза в два месяца. Для исследуемой выборки контактных соединений ТП 6/0,4 кВ значения лежат в пределах 0,994 - 0,999, термографические обследования необходимо проводить с периодичностью не реже одного раза в 3 месяца.

6. Выполненные в диссертации разработки, в том числе патент №2455657 МПК С01Ю5/00 и программа для ЭВМ № 20116165, были внедрены в производство ОАО «Мурманский морской торговый порт», что позволило увеличить ресурс работы электрооборудования в 1,25 раза.

7. Экономическая оценка результатов внедрения метода количественной термографии в производство ОАО «Мурманский морской торговый порт» обеспечило сокращение производственных затрат в размере 585,4 тыс. рублей в год для подъёмно-транспортного оборудования; 240 тыс.рублей в год для объектов электрических сетей; 107,9 тыс. рублей в год для объектов теплоэнергетики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мухин, Евгений Александрович, 2013 год

Список литературы

1. ГОСТ 23483-79 - Контроль неразрушающий. Методы теплового вида. Общие требования М.: Издательство стандартов, 1984, 14 с.

2. ГОСТ 20911-89 - Техническая диагностика. Термины и определения М.: Издательство стандартов, 1994, 9 с.

3. ГОСТ 27.310-95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения,- М.: Издательство стандартов, 1997, 14 с.

4. РД 153-34.0-20.363-99.Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ. М.: ОРГРЭС, 1999.

5. РД 34.45-51.300-97 Объем и нормы испытаний электрооборудования, (издание шестое), 1997г., 153 с.

6. ГОСТ 26629-85 Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций. - М.: Издательство стандартов, 1985, 16 с.

7. РД 31.1.02-04 Правила технической эксплуатации подъёмно-транспортного оборудования морских портов, 2004 г.

8. РД 13-04-2006 Методические рекомендации о порядке проведения теплового контроля технических устройств и сооружений, применяемых и эксплуатируемых на опасных производственных объектах, 2006 г., 11 стр.

9. Власов А.Б., Мухин Е.А Расчёт температуры обмотки по данным количественной термографии / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 20116165 регистр. 24.07.2011 Рос. агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2011 г.

10. Власов А.Б. Прямая задача оценки влияния ветровой нагрузки на результаты тепловизионного контроля. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистр. № 2009612117, от 24.04.2009, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, заявка 2009610926, 2009 г.

11. Власов А.Б. Обратная задача оценки влияния ветровой нагрузки на результаты тепловизионного контроля. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ регистр. № 2009612118, от 24.04.2009, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, заявка 20096109276, 2009 г.

12. Пат. 2455657 Российская Федерация, МПК в 01 Я 35/00. Способ теплового контроля температуры обмоток электрических машин / Мухин Е.А., Власов А.Б.: заявитель и патентообладатель МГТУ. - Заявка №2011110026/ 28(014596); заявл. 16.03.2011, опубл. 10.07.2012., бюлл. № 19.

13. Пат. 2224245 Российская Федерация, МКП7 в 01 N 25/18. Способ определения теплофизических характеристик материалов / Власов А.Б.: заявитель и патентообладатель МГТУ. -№ 2002108341/28; заявл. 02.04.2002, опубл. 20.02.04, бюлл. №5.-2 с.

14. Власов А.Б., Мухин, Е.А. Статистический анализ повреждений электрооборудования портальных кранов.- Вестник АГТУ: Морская техника и технология. - 2011. -№1. -С. 23-27.

15. Власов А.Б. Определение гамма-процентного ресурса контактных соединений по данным тепловизионной диагностики // Электротехника, 2003, № 8, с. 25-28.

16. Мухин, Е.А. Власов А.Б. Тепловой анализ электрической машины на основе тепловизионной диагностики.- Эксплуатация морского транспорта - 2012. - №1 (67). -С. 54 - 58.

17. ГОСТ Р 52776-2007 Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и характеристики.- М.: Издательство стандартов, 2007, 45 с.

18. ГОСТ 7217-87 Машины электрические вращающиеся. Двигатели асинхронные. Методы испытаний. - М.: Издательство стандартов, 1987, 40 с.

19. ГОСТ 11828-86 Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний .- М.: Издательство стандартов, 1986, 31с.

20. Власов А.Б., Мухин Е.А., Царёв Б.Д. Программа расчёта температуры обмотки по данным количественной термографии. Свидетельство об официальной

регистрации программы для ЭВМ № 20116165 регистр. 24.07.2011 Рос. агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2011 г.

21. Власов А.Б, Маклаков В.Ф. Способ определения качества изоляции кабелей. Авторское свидетельство. Заявка на изобретение от 26.05.87 г. № 407662 (24-2) (067846), 4 01 К 31/02(3 29.04.86), АС № 1394174.

22. Власов А.Б. Расчет тепловых потоков при тепловизионном контроле трансформаторов тока с конденсаторной изоляцией. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611232 регистр. 22.05.2004. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Россия, 2004 г.

23. Власов А.Б. Методы статистической обработки тепловизионных данных по параметрам надежности электрооборудования // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Современные проблемы инфракрасной термографии. СПб.: СПЭИПК, 2002, вып. 17, с. 16-31.

24. Власов А.Б. Обработка и анализ данных тепловизионного контроля электрооборудования // Электротехника, 2002, № 7, с. 37-43.