Procena preostalog životnog veka izolacionog sistema obrtne električne mašine u uslovima kombinovanog naprezanja utvrđivanjem karakteristike veka trajanja

Abstract

Cilj ovog rada je razvoj pouzdanog, jednostavnog i vremensko-materijalo ekonomičnog algoritma za određivanje preostalog životnog veka obrtne električne mašine. Algoritam, koji je razvijen, se zasniva na univerzalnim konstruktivnim rešenjima obrtnih električnih mašina, na sofisticiranim metodama statističke matematike, iskustvu konstrukcionih biroa električnih obrtnih mašina, iskustvu radionica za remont električnih obrtnih mašina i poznavanja uticaja uslova eksploatacija električnih obrtnih mašina na karakteristike materijala tipičnih za njihovu izradu. Validacija razvijenog algoritma sprovedena je poređenjem njime dobijenih rezultata sa odgovarajućim rezultatima dobijenim u realnom vremenu, širokog dijapazona. Svi ekperimentalni postupci su vršeni visoko kvalitetnom profesionalnom opremom sa fabrički određenom mernom nesigurnošću tipa B. Merenja su vršena pod dobro kontrolisanim laboratorijskim uslovima i u skladu sa odgovarajućim standardima. Kombinovana merna nesigurnost svih primenjenih mernih postupaka je bila manja od 5 %. Dostupni podaci iz literature kao i publikovana iskustva remontnih radionica ukazuju da preko 50% ukupnih kvarova na obrtnim električnim mašinama nastupa kao posledica gubljenja izolacionih svojstava izolacije statora. Kao osnovi uzrok slabljenja i gubljenja izolacionih svojstava statorske izolacije smatraju se pojedinačna naprezanja, kao i njihova sinergija, tokom eksploatacije električne obrtne mašine. Pritom se kao najvažniji tipovi naprezanja podrazumevaju: termičko, naponsko, mehaničko, ambijentalno i kombinovano. U praksi se javljaju, skoro, isključivo kombinovana naprezanja. To je u prethodno primenjivanim ispitivanjima ostatka životnog veka stvaralo problem da se izdvoji dominantni uticaj ili više dominantnih uticaja, pa se životni vek određivao na osnovu raspoloživih podataka koji uključuju sinergiju više dominantnih uticaja. Analizirajući takav postupak prezentiran u ranije objavljenim radovima ukazano je na njegove nedostatke, od kojih je najvažniji sama pretpostavka o aditivnoj sinergiji i iz čega je proistekla potreba za razvojem novog algoritma. Tako nastao novi algoritam za određivanje ostatka životnog veka, razvijen u ovom radu, ne polazi od različitih tipova naprezanja, već se ostatak životnog veka smatra posledicom jednog zbirnog, realnog naprezanja. U osnovi izvedenog algoritma je aparat matematičke statistike koji je uslovljavao statističku koncepciju eksperimenta i izbor eksperimentalne opreme. Pritom se vodilo računa da statistički uzorci slučajnih veličina dobijenih eksperimentalno budu reprezentativni. Stohastičke veličine dobijene merenjem su pridruživane najopštijim raspodelama ekstremnih vrednosti čemu je dato fizičko tumačenje. Na taj način, prevođenje stohastičkih podataka u statističke i primenom Vilkinsonovog testa, testa korelacije, testa regresije izveden zakon porasta za teoretske statističke raspodele od interesa. Pri tome su izvršene određene dopune primenjenih algoritama statističke matematike da bi sam matematički postupak bio potpuno korektan i statistički strožiji (tu se prvenstveno misli na primenu Šoveneovog kriterijuma na slučajne uzorke kojima odgovaraju statističke raspodele čiji treći centralni momenat nije nula, kao i na korišćenje strožije statističke sigurnosti U testa). Zakon porasta za teoretske statističke raspodele od interesa je dvostepenim postupkom korišćenjem krive životnog veka je omogućio da se izvrši predikcija ostatka životnog veka ispitivanjem uzorka uzetog iz karakteristične oblasti kanure. Takva koncepcija algoritma određivanja ostatka životnog veka je znatno pojednostavila merni postupak pošto je umesto ispitivanja 50 (ili više) statora električne obrtne mašine bilo dovoljno ispitati 50 uzoraka uzetih sa određenog broja kanura. Treba napomenuti da se u ovde uvedenom algoritmu vrši ispitivanje rastućim naponom, a ne konstantnim naponom. Ta zamena, konstantnog napona za rastući napon, znatno skraćuje vreme Bojan Jokanović – doktorska disertacija V potrebno za ispitivanje. Prilikom formiranja algoritma za određivanje preostalog životnog veka svaki međukorak je proveravan najstrožijim metrološkim metodama. Kada je novi algoritam za određivanje preostalog životnog veka razvijen i validiran primenjen je u laboratorijskim, strogo kontrolisanim, uslovima na ispitivanje pojedinačnih i kombinovanih naprezanja na parametre izolacije statora električne mašine relevantne i uobičajene za određivanje ostatka životnog veka (tangens ugla gubitaka, otpornost jedan minut nakon stavljanja pod napon, indeks polarizacije, broj prenapona, napon praga pražnjenja, ac probojni napon, koeficijent proporcionalnosti i eksponent životnog veka). Ova ispitivanja podržana optičkom analizom omogućili su da se objasni najverovatniji sinergistički efekat uništenja statorske izolacije. Takvo tumačenje najverovatnijeg sinergističkog efekta degradacije je provereno u realnim uslovima i dalo je zadovoljavajuće rezultate. U cilju demonstracije univerzalnosti razvijenog algoritma izvršena su merenja uticaja nestandardnog opterećenja, radioaktivnog zračenja, na ostatak životnog veka električne obrtne mašine. I ovo ispitivanje, veoma važno za pozdan rad nuklearnih energetskih postrojenja, dalo je zadovoljavajuće rezultate

The goal of this paper is the development of a reliable, simple and time-material economical algorithm for determining the remaining lifetime of a rotating electric machine. The developed algorithm is based on universal constructive solutions of rotating electric machines, on sophisticated methods of statistical mathematics, the experience of design bureaus of electric rotating machines, the experience of workshops for the overhaul of electric rotating machines and knowledge of the influence of the conditions of exploitation of electric rotating machines on the characteristics of materials typical for their making. The validation of the developed algorithm was carried out by comparing the results obtained by it with the corresponding results obtained in real time, in a wide range. All experimental procedures were performed with high-quality professional equipment with a factory-determined measurement uncertainty of type B. Measurements were performed under well- controlled laboratory conditions and in accordance with appropriate standards. The combined measurement uncertainty of all applied measurement procedures was less than 5%. Available data from the literature as well as published experiences of repair shops indicate that over 50% of total failures on rotating electrical machines occur as a result of the loss of the insulating properties of the stator insulation. Individual stresses, as well as their synergy, during the operation of the electric rotating machine are considered to be the main cause of the weakening and loss of the insulating properties of the stator insulation. The most important types of stress are: thermal, voltage, mechanical, ambient and combined. In practice, almost exclusively combined stresses occur. In previously applied tests of the remaining lifetime, this created a problem, the constant trend of extracting the dominant influence, or several dominant influences, so the lifetime was determined by it, that is, by the addition of several dominant influences. Analyzing such a procedure presented in previously published works, its shortcomings were pointed out, the most important of which is the very assumption of additive synergy, which led to the need for the development of a new algorithm. Thus, the new algorithm for determining the remaining lifetime, developed in this work, does not start from different types of stress, but the rest of the lifetime is considered the result of one collective, abstract stress. The basis of the derived algorithm is the apparatus of mathematical statistics, which conditioned the statistical conception of the experiment and the choice of experimental equipment. In doing so, care was taken to ensure that statistical samples of random variables obtained experimentally were representative. Stochastic quantities obtained by measurement were associated with the most general distributions of extreme values, which were given a physical interpretation. In this way, the translation of stochastic data into statistical data and the application of the Wilkinson test, the correlation test, the regression test derived the law of growth for theoretical statistical distributions of interest. At the same time, certain additions were made to the applied algorithms of statistical mathematics in order to make the mathematical procedure itself completely correct and statistically stricter (this primarily refers to the application of Chauvin's criterion to random samples corresponding to statistical distributions whose third central moment is not zero, as well as to the use of stricter statistical security U test). The law of increasing probability for theoretical statistical distributions of interest is a two- step procedure using the lifetime curve made it possible to make a prediction of the remaining lifetime by examining a sample taken from a characteristic area of the kanura. Such a conception of the algorithm for determining the remaining lifetime greatly simplified the measurement procedure, since instead of testing 50 (or more) stators of an electric rotary machine, it was enough to test 50 samples taken from a certain number of cans. It should be noted that in the algorithm introduced here, the test is performed with increasing voltage, and not with constant voltage. This substitution of constant Bojan Jokanović – doktorska disertacija VII voltage for increasing voltage significantly shortens the time required for testing. During the formation of the algorithm for determining the remaining lifetime, each intermediate step was checked using the strictest metrological methods. When the new algorithm for determining the remaining lifetime was developed and validated, it was applied in laboratory, strictly controlled, conditions to test single and combined stresses on the insulation parameters of the electric machine stator relevant and common for determining the remaining lifetime (tangent of the loss angle, resistance one minute after voltage, polarization index, overvoltage number, discharge threshold voltage, ac breakdown voltage, proportionality coefficient and lifetime exponent). These tests supported by optical analysis made it possible to explain the most likely synergistic effect of stator insulation destruction. Such an interpretation of the most likely synergistic effect of degradation was verified in real conditions and gave satisfactory results. In order to demonstrate the universality of the developed algorithm, measurements were made of the impact of non-standard load, radioactive radiation, on the remaining lifetime of the rotating electric machine. And this test, very important for the late operation of nuclear power plants, gave satisfactory results