На канализационных насосных станциях (КНС) часто возникает ситуация, когда
асинхронные электродвигатели затапливает канализационными стоками. Сточные
воды в своём составе содержат растворённые соли (хлориды, сульфаты,
аммонийные соли), органику и механические примеси. После затопления вода
проникает в микропоры лаковой изоляции, а при высыхании оставляет на
поверхности обмоток гигроскопичные проводящие осадки. Эти осадки не только
снижают сопротивление изоляции, но и впитывают влагу из воздуха при
относительной влажности выше 50-60 %, создавая условия для повторного
увлажнения.
Не всегда присутствует резерв новых электродвигателей, поэтому часто
приходится использовать бывшие в эксплуатации либо же ранее затопленные.
Традиционно их состояние изоляции оценивают однократным измерением
сопротивления мегаомметром через 60 секунд (R₆₀), расчётом коэффициентов
абсорбции (Dielectric Absorption Ratio – DAR) и поляризации
(Polarization Index – PI). Однако этих данных часто недостаточно,
особенно после длительной сушки: одномоментное значение не показывает
механизм деградации, а стандартные коэффициенты разработаны
преимущественно для термически состаренной изоляции, а не для загрязнённой
солями.
Более информативным является анализ формы кривых сопротивления изоляции
R(t) и тока утечки I(t) за весь период измерения (режим RISOChar).
Современные измерители параметров электроизоляции, такие как TM-2501,
позволяют регистрировать эти зависимости непрерывно.
В данной работе исследования проводились на действующей КНС. В качестве
образцов использовали три трёхфазных асинхронных двигателя с
короткозамкнутым ротором.
В качестве эталона выступает новый электродвигатель АМН280М4 (рис. 1), не
введённый в эксплуатацию, однако находящийся в тех же условиях хранения.
Рис.1. Процесс измерения изоляции на АМН280М4
Вторым объектом исследования выступает подвергшийся затоплению и
естественной сушке в помещении КНС в течение 1 месяца общепромышленный
двигатель 4А200М2 (рис. 2а);
Третьим – аналогично затопленный, но сушившийся в тех же условиях
уже 6 месяцев АИР200М2 (рис. 2б).
Рис. 2. Внешний вид двигателя 4А200М2 (а) и АИР200М2 (б) с подключённым
по двухпроводной схеме ТМ-2501
Все двигатели до измерений хранились в одном подвальном помещении КНС при
температуре 9,7 °C и относительной влажности 59 %. В таких условиях
точка росы составляет около +1,9 °C, поэтому при ночных похолоданиях и
сквозняках на металлических поверхностях может выпадать конденсат.
Измерения выполняли измерителем параметров электроизоляции Sonel TM-2501 в
режиме RISOChar с настройками:
испытательное напряжение: 500 В;
длительность замера 600 с (10 мин);
запись (Char) каждые 15 с;
схема подключения: фазы обмотки статора на зажим «LINE»
(красный), корпус на «EARTH» (чёрный).
Все двигатели имеют изоляцию класса F и одинаковый способ охлаждения,
поэтому различия в параметрах обусловлены только состоянием изоляции, а не
конструкцией.
Температурная коррекция сопротивления к 40 °C не применялась, так как
стандартные коэффициенты разработаны для диапазона 20-60 °C и не
корректны при 9,7 °C. Использованы фактические значения,
соответствующие реальным условиям на КНС.
Таблица 1. Параметры изоляции испытанных двигателей
Двигатель
Состояние
R₆₀, МОм
R₆₀₀, МОм
DAR
PI
I₆₀₀, мкА
АМН280М4
Эталон, сухой
23 460
79 740
2,34
3,40
0,007
4А200М2
1 месяц сушки
117,2
191,3
1,37
1,63
2,77
АИР200М2
6 месяцев сушки
3,605
5,379
0,98
1,49
98,55
Эталонный двигатель показал высокое сопротивление (более
23 ГОм) и PI = 3,40, что соответствует хорошему состоянию.
Двигатель после 1 месяца сушки имеет сопротивление 117
МОм, DAR = 1,37, PI = 1,63. Состояние сомнительное, но поляризация ещё
заметна.
Двигатель после 6 месяцев сушки отличается критически
низким сопротивлением (3,6 МОм), высоким током утечки (98,6 мкА) и
неудовлетворительным DAR = 0,98. При этом PI = 1,49 – даже ниже, чем
у двигателя после месяца сушки.
Клеммная коробка у АИР200М2 позволяет дополнительно измерить межфазное
сопротивление. Наилучшее из трёх замеров составило 24,65 МОм, наихудшее
– 4,87 МОм. Почти десятикратный разброс и значительное превышение
межфазного сопротивления над сопротивлением фаза-корпус (3,6 МОм)
показывают, что основной путь утечки проходит именно на корпус через
поверхностные солевые отложения.
Анализ кривых R(t) и I(t)
Эталонный двигатель (рис. 3) демонстрирует крутой экспоненциальный рост
сопротивления с 23,5 до 79,7 ГОм и выход на асимптоту после 200 с. Ток
утечки быстро спадает до 0,007 мкА – сквозная проводимость практически
отсутствует.
Рис. 3. RISOChar двигателя АМН280М4 (эталонный)
Двигатель после месяца сушки (рис. 4) имеет пологий рост со 117 до 191
МОм. Увеличение сопротивления за 10 минут составило около 63 %. Ток утечки
снижается с ~10 мкА до 2,8 мкА, но установившееся значение остаётся
повышенным. Это говорит о наличии абсорбционных процессов (ориентация
диполей воды в порах), однако сквозная проводимость ещё не доминирует.
Рис. 4. RISOChar двигателя 4А200М2
Двигатель после 6 месяцев сушки (рис. 5) показывает совершенно иную
картину. Сопротивление колеблется в диапазоне 3,6-5,5 МОм с множеством
локальных провалов и скачков. Ток утечки держится на уровне 90-110 мкА с
высоким уровнем шумов и не выходит на гладкое плато. Такая нестабильность
указывает на нестационарный характер утечки: под действием электрического
поля происходит перераспределение ионов в солевом растворе на поверхности
обмоток, и геометрия токопроводящих мостиков меняется прямо в процессе
измерения.
Рис. 5. RISOChar двигателя АИР200М2
На первый взгляд это парадокс: логично было ожидать, что за полгода
изоляция просохнет лучше. Однако наблюдается обратная картина:
сопротивление снизилось в 32 раза, а ток утечки вырос в 35 раз.
Объясняется это тремя взаимосвязанными факторами.
Миграция солей к поверхности. В начальный период после
затопления соли распределены относительно равномерно по объёму изоляции.
При медленном высыхании в холодном подвале растворённые соли мигрируют к
поверхности обмоток вследствие капиллярного эффекта. После испарения
воды на поверхности образуются кристаллические отложения (высолы).
Гигроскопичные соли активно впитывают влагу из воздуха, создавая тонкие
проводящие плёнки между обмоткой и корпусом. Высокий ток утечки 98,6 мкА
– прямое подтверждение наличия таких плёнок.
Циклическая конденсация. За 6 месяцев двигатель
пережил значительно больше циклов «конденсация – частичное
высыхание – конденсация», чем за 1 месяц. Каждый цикл не
только перераспределяет соли, но и может вызывать микротрещины в лаковой
плёнке, открывая доступ влаге в более глубокие слои.
Низкая эффективность естественной сушки. При
температуре 9,7 °C и влажности 59 % движущая сила массообмена
(градиент парциального давления водяного пара) крайне мала. Процесс
удаления прочно связанной влаги из глубины пор практически остановился
после испарения свободной воды. Более того, гигроскопичные соли
поддерживают на поверхности насыщенный раствор, который притягивает
влагу из воздуха при относительной влажности выше 50 %. Таким образом,
естественная сушка в таких условиях не просто неэффективна – она
ведёт к прогрессирующей деградации.
В этой связи, по результатам исследования, разработан простой алгоритм
диагностики для персонала КНС, который можно реализовать штатным
измерителем с функцией RISOChar.
Критерии оценки:
Норма: R₆₀ ≥ 10 МОм и PI ≥ 1,5. Двигатель можно
эксплуатировать, периодический контроль – раз в квартал.
Увлажнение: R₆₀ = 1-10 МОм и PI = 1,0-1,5. Требуется
принудительная сушка горячим воздухом (80-100 °C) с контролем PI
каждые 24 часа. Если за 48-72 часа PI не поднимается выше 1,5 –
двигатель нуждается в перемотке.
Критическое состояние: R₆₀ < 1 МОм или PI < 1,0.
Включать под напряжение запрещено. Требуется ремонт с очисткой обмоток
от солей и перемоткой.
Алгоритм действий:
Выполнить измерение RISOChar в течение 10 минут при 500 В. Зафиксировать
R₆₀, R₆₀₀ и рассчитать PI.
Если R₆₀ < 10 МОм и PI < 1,5 – запустить принудительную
сушку (горячий воздух или пропуск тока через обмотки).
После сушки повторить измерения.
Если после трёх циклов сушки PI не достигает 1,5 – направить
двигатель на перемотку.
Важное замечание. Естественная сушка в холодных влажных
помещениях КНС (ниже 15 °C, влажность выше 50 %) не восстанавливает
изоляцию, а усугубляет её деградацию. Длительное хранение затопленных
двигателей без обогрева нецелесообразно. Рекомендуется вместо ожидания
промыть двигатель дистиллированной водой и сразу приступать к
принудительной сушке с контролем параметров.
Выводы
Традиционная оценка изоляции затопленных двигателей по разовому замеру R₆₀
и коэффициентам PI/DAR в условиях КНС недостаточно эффективна, так как не
учитывает специфику солевого загрязнения. Переход к анализу динамики токов
утечки и сопротивления (режим RISOChar) позволяет выявить скрытую
деградацию и нестабильность токопроводящих мостиков.
Доказано, что длительное хранение затопленных электродвигателей в
неотапливаемых помещениях КНС приводит не к восстановлению, а к
катастрофическому падению сопротивления изоляции из-за миграции солей на
поверхность и циклической конденсации.
Практическим результатом работы стала разработка для персонала КНС
критериев и алгоритма действий по оценке состояния изоляции
электродвигателя. Единственный верный путь спасения залитого двигателя
– максимально быстрое извлечение из агрессивной среды, немедленная
промывка дистиллированной водой и последующая принудительная термическая
сушка с поэтапным контролем абсорбции и поляризации. Если изоляция не
восстанавливает диэлектрические свойства за три цикла, двигатель
направляется на ремонт для перемотки.
Благодарности
Директору филиала «Кировское ПУВКХ» ГУП ДНР «ВОДА
ДОНБАССА» Попову Виктору Ивановичу за разрешение провести измерения
и помощь в организации замеров.
Персоналу участка транспортировки и очистки стоков за помощь в проведении
замеров на объектах предприятия.
Авторы:
Попов Марк Викторович (Санкт-Петербург, Российская
Федерация) – аспирант кафедры электроэнергетики и электромеханики
Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II
Янковский Владимир Владимирович (г. Кировское, Российская
Федерация) – главный энергетик филиала «Кировское ПУВКХ»
ГУП ДНР «ВОДА ДОНБАССА»
