Защита автономных асинхронных генераторов сельскохозяйственного назначения от витковых коротких замыканий
На правах рукописи
Соболь Александр Николаевич
Защита автономных асинхронных генераторов
Сельскохозяйственного назначения
От витковых коротких замыканий
Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар 2010 2
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Богдан Александр Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Тропин Владимир Валентинович кандидат технических наук, доцент Кобзистый Олег Валентинович
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Северокавказский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства» (г. Зерноград).
Защита диссертации состоится 15 декабря 2010 г., в 10-00 часов на засе дании диссертационного совета Д 220.038.08 Кубанского государственного аг рарного университета по адресу: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, Кубан ский государственный аграрный университет
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Кубан ский государственный аграрный университет».
Автореферат размещен на сайте www.kubsau.ru « »ноября 2010 года.
Автореферат разослан 12 ноября 2010 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор В.С. Курасов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
В настоящее время широко известны автономные асинхронные генерато ры с емкостным самовозбуждением (ААГ). Теоретические исследования и прак тический опыт показывают перспективы их применения в сельском хозяйстве, в том числе в качестве автономного источника электроснабжения животноводче ских комплексов и птицефабрик. Значительный вклад в науку и практику их при менения внесли такие ученые, как Н.И. Алиев, Н.Д. Торопцев, В.Я. Беспалов, М.Л. Костырев, А-З. Р. Джендубаев, В.С. Фришман, И.Г. Стрижков и др. Боль шой вклад в развитие защит асинхронных машин внесли: С.Л. Кужеков, М.Я.
Клецель, В.Ф. Минаков, О.В. Кобзистый и др.
Однако имеется важная нерешенная проблема эксплуатации генераторов.
В настоящее время чувствительных защит ААГ не существует. Есть мнение, что в случае коротких замыканий (КЗ) ААГ теряет возбуждение, и защита для него не требуется.
Известно, что в большинстве случаев (85-95 %) отказы асинхронных ма шин происходят из-за повреждения статорной обмотки. При этом более 90 % повреждений приходится на межвитковые замыкания. Замыкание небольшого количества витков статорной обмотки ААГ не должно существенно изменять ос новной магнитный поток машины, и, поэтому велика вероятность длительной работы ААГ с таким видом повреждения. Скрытый отказ, существующий в виде виткового замыкания, значительно снижает надежность автономного ААГ, как источника резервного питания.
В создании устройств защиты (УЗ) главная трудность заключается в том, что пока мало исследованы процессы при внутренних КЗ в обмотке статора ААГ и не определены информативные параметры или признаки, характеризующие соответствующие повреждения.
Цель исследования – повышение эксплуатационной надежности авто номных асинхронных генераторов с емкостным самовозбуждением в электроус тановках сельскохозяйственного назначения путем применения защит ААГ при повреждениях в статорной обмотке.
Задачи исследования:
– разработать математическую модель витковых коротких замыканий в обмотке статора автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбу ждением;
– провести экспериментальные исследования повреждений в обмотке статора автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением;
– разработать устройства защиты автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением.
Объект исследования – автономный асинхронный генератор с емкост ным самовозбуждением.
Научная гипотеза. В случае витковых КЗ в статорной обмотке ААГ не теряет возбуждения и продолжает питать нагрузку, в КЗ витках циркулирует ток, превышающий номинальный, что может стать причиной отказа.
Предмет исследования – витковые и межфазные повреждения обмотки статора автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением.
Методы исследования: математическое моделирование, планирование эксперимента, спектральный анализ, численное решение дифференциальных уравнений.
Научную новизну работы составляют:
– математическая модель автономного асинхронного генератора с емко стным самовозбуждением при витковых КЗ в обмотке статора на базе системы дифференциальных уравнений;
– результаты экспериментального исследования повреждений в обмотке статора автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением;
– построение устройств защиты автономного асинхронного генератора с использованием полученных информационных признаков повреждений;
– экономическое обоснование эффективности использования устройства защиты автономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением.
Практическая ценность работы. Разработанные компьютерные про граммы моделирования витковых КЗ в обмотке статора ААГ позволяют устано вить диапазон изменения переменных электромагнитных величин, прогнозиро вать развитие процессов в генераторе и определить целесообразность применения различных защитных устройств.
Проведенные экспериментальные исследования позволили определить характерные признаки повреждений обмотки статора ААГ при витковых и меж фазных коротких замыканиях. Разработаны устройства защиты и диагностики ААГ с емкостным самовозбуждением при таких повреждениях. Проведенные экономические расчеты позволили определить возможную область эффективного использования устройств защиты автономного асинхронного генератора с емко стным самовозбуждением в электроустановках сельскохозяйственного назначе ния.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
– математическая модель автономного асинхронного генератора с емко стным самовозбуждением при симметричных и несимметричных витковых КЗ в обмотке статора;
– предложения по использованию изменений в величинах и гармониче ском составе токов ААГ для создания его защит, полученные на основе экспери ментального исследования повреждений в обмотке статора автономного асин хронного генератора с емкостным самовозбуждением;
– технические решения в области устройства защиты и диагностики ав тономного асинхронного генератора с емкостным самовозбуждением при повре ждениях в обмотке статора.
Реализация и внедрение результатов работы.
Материалы диссертационных исследований внедрены в учебный про цесс.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладыва лись и обсуждались на научной конференции факультетов механизации и элек трификации в КубГАУ в 2005 г. (г. Краснодар);
XXVIII сессии семинара «Диаг ностика энергооборудования» в ЮРГТУ в 2006 (г. Новочеркасск);
на 8-й Регион.
научн.-практ. конф. молод. ученых в КубГАУ в 2006 г. (г. Краснодар);
на Меж дународной научно-технической конференции в 2006 г. в БГАТУ (г. Минск);
на Международной научно-практической конференции в КубГТУ в 2007 г. (г. Крас нодар).
Публикации результатов работы. По теме диссертационной работы опубликованы 17 научных трудов, включая 3 статьи в изданиях, рекомендован ных ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение и один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, четыре главы, общие выводы, список литературы и приложения. Работа изложена на страницах, включая 59 рисунков, 14 таблиц, библиографический список из наименований и 30 страниц приложений.
Во введении раскрывается актуальность диссертационной работы, сфор мулированы цель работы, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены: классификация, область применения, осо бенности эксплуатации асинхронных генераторов в сельском хозяйстве, а также анализ существующих устройств защиты генераторов.
Специфические условия эксплуатации электрических сетей вызывают большое число отказов их элементов. Отказы электрооборудования и перерывы в электроснабжении предприятий АПК влекут за собой как прямой экономический ущерб, связанный с его восстановлением, так и технологический, обусловленный порчей сельхозпродукции (например, массовой гибелью птицы). При этом аварии могут происходить как в линиях 6…10 кВ и 0,4 кВ, так и в резервном источнике электроснабжения, в качестве которого может использоваться ААГ.
В подавляющем большинстве случаев отказы асинхронных машин про исходят из-за повреждения обмоток, при этом большинство повреждений прихо дится на замыкания между витками. Если ААГ не потеряет возбуждение при за мыкании между витками и сохранит временную работоспособность, то надо счи тать, что он находится в состоянии скрытого отказа, выявление которого необхо димо для обеспечения надежности резервного источника питания.
Защиты при таких повреждениях, в основном, строятся на изменениях:
величин, фаз токов и их симметричных составляющих, гармонических состав ляющих токов и магнитных потоков рассеивания, вибрации. Применение одно системной схемы поперечной дифференциальной защиты требует наличия парал лельных ветвей. Такие защиты применяются в основном для синхронных генера торов большой и средней мощности. Для асинхронных электродвигателей защи ты часто выполняют на измерении несимметрии токов фаз. Если для ААГ не большой мощности потребуется построение собственной защиты, то необходимо знать специфику процессов в нем в случае витковых и межфазных КЗ в обмотке статора. Выбору соответствующих информационных признаков при повреждени ях в обмотке статора ААГ посвящены следующие главы работы.
Во второй главе разработана математическая модель самовозбуждаю щегося ААГ, а также математические модели ААГ с симметричными и несим метричными витковыми замыканиями в обмотке статора ААГ.
Для построения математической модели самовозбуждающегося ААГ и ААГ с симметричными трехфазными витковыми КЗ в обмотке статора ААГ (ри сунок 1) рассмотрен предельный случай размагничивания, имеющий место при наличии КЗ контуров одновременно во всех трех фазах обмотки статора ААГ.
Приняты традиционные допущения о симметрии машины (электрической, маг нитной, пространственной), гладких цилиндрических поверхностях магнитопро водов статора и ротора, магнитной проницаемости стальных участков и распределении МДС в зазоре по гармоническому закону. Вращающееся поле имеет круговую форму, то есть его амплитуда постоянна, а мгновенное значение частоты вращения за период неизменно, обмотка статора выполнена с числом параллельных ветвей, равным единице и одним элементарным проводником.
Дифференциальные уравнения ААГ в относительных величинах, вклю чающие уравнения: тока и напряжения статора ( is, u s ), потокосцепления ротора ( r ), движения (угловая скорость ротора v, момент приводного двигателя m с, относительный параметр Tm ), внешней цепи для конденсаторов ( c ) и нагрузки (ток i н и индуктивность L н ), а также время t и ток КЗ iКЗ в неподвижной ком плексной системе координат (, ) имеют вид (1).
d is u s r is k k r r r pvr, x x x Tr x dt s s s s di u s r is s k k r r r pvr, dt x x x Tr x s s s s dr dt k r rr is k r 1 rr iКЗ T r pvr, r dr k r rr is k r 1 rr iКЗ r pvr, dt Tr dv k r r is ris k r 1 r iКЗ riКЗ mс, dt Tm Tm Tm d iн us iн rн, (1) dt Lн di u i r н s н н, dt Lн dus is iн dt, c dus is iн, dt c d iКЗ k r1 k r ri k КЗ r pvr, x k Tr x k x k dt s s s d iКЗ rk iКЗ k r 1 k r 1 pv.
r r dt x k Tr x k x k s s s Безразмерные коэффициенты:
x 2 x x x x s m, k r m, Tr r, r rs k r 2rr, (2) s xr xr rr rk r W rprov, x k x W2, k r1 k r W, (3) s s где x s, x r, x m, rr, rs – относительные параметры;
W – число замкнутых витков по отношению к числу витков в фазе;
rprov – сопротивление короткозамкнутого контура.
В качестве базовых величин приняты амплитудные номинальные значе ния фазного напряжения, тока, а также номинальные значения угловой частоты и момента.
Рисунок 1- Модель ААГ для исследования симметричных витковых КЗ в неподвижной - системе координат Результаты расчетов системы (1) с помощью пакета MathCAD и соответ ствующие осциллограммы, полученные экспериментально, изменения фазного тока при самовозбуждении ААГ и тока в поврежденной фазе, а также тока КЗ при замыкании 3 % витков в каждой фазе при номинальной емкости, показаны на ри сунке 2. На данном рисунке видно, что при витковом КЗ ток в поврежденной фазе уменьшается в 1,2 раза, а в замкнувшихся витках ток превышает номинальный в шесть раз. Сравнение моделирования и эксперимента показало, что кривые отли чаются на 3 – 5 %, это подтверждает адекватность математической модели.
Решение системы Осциллограммы токов дифференциальных уравнений (эксперимент) Ток статора при пуске ААГ Ток статора при пуске ААГ Ток статора при трехфазном Ток статора при трехфазном симметричном КЗ симметричном КЗ Ток КЗ при трехфазном Ток КЗ при трехфазном симметричном КЗ симметричном КЗ Рисунок 2 – Проверка адекватности математической модели ААГ Для анализа несимметричных витковых замыканий в обмотке статора ААГ разработана математическая модель на основе системы дифференциальных уравнений в фазных,, координатных осях для реальных величин статора (ри сунок 3).
Для записи уравнений потокосцепления в матричном виде введем вектор токов:
I is is is is ir ir ir T. (4) Также необходимо записать матрицу индуктивностей:
Ls Mss Mss Mss Msr Msr Msr M Msr ss Ls Mss Mss Msr Msr Mss Msr Mss Ls Mss Msr Msr L Mss Mss Mss Ls Msr. (5) Msr Msr M rs M rr M rs M rs M rs L r M rr M rs M rs M rs M rs M rr M rr L r M L r rs M rs M rs M rs M rr M rr Матричное выражение потокосцеплений статора и ротора:
LI. (6) Рисунок 3 - Модель ААГ для расчета несимметричных витковых КЗ в фазной,, системе координат Математическая модель несимметричных витковых коротких замыканий в обмотке статора позволяет рассчитать токи и все необходимые характеристики электромеханической системы с ААГ. Однако практическая реализация данной модели сложна из-за необходимости определения взаимных индуктивностей об моток. Поэтому для анализа данных повреждений приоритет целесообразно от дать экспериментальным исследованиям.
В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследова ний повреждений ААГ. Определены степень и характер влияния повреждений в обмотке статора на величины токов и напряжений в фазных обмотках, токов ем костей самовозбуждения и токов нагрузки, а также на вибрацию ААГ.
Экспериментальная установка с ААГ, выполненная на базе асинхронного электродвигателя (АД) с КЗ ротором типа 4A100S4У3 (3 кВт, 1435 об/мин), пока зана на рисунке 4. Искусственные замыкания между различными витками в фаз ных обмотках ААГ создавались с помощью специальных, предварительно выве денных наружу из лобовой части обмотки статора, выводов. Изменение вибрации фиксировалось с помощью датчика, прикрепленного к корпусу генератора.
Рисунок 4 – Схема экспериментальной установки: АГ – асинхронный генератор;
ПД – приводной двигатель;
Z1, Z2, Z3 – сопротивления нагрузки.
Привод ААГ может быть различным. В частности его приводом может быть ветроустановка. Е характеристика момента не обладает жесткостью. По этому в экспериментальной установке использовалось два варианта привода:
асинхронный двигатель (АД) (система с «жестким» приводом, const ) и дви гатель постоянного тока (ДПТ) с изменяемой в некоторых пределах угловой ско ростью («не жесткая» система, var ). В обозначения величин получаемых па раметров ААГ при повреждениях для const используется цифра «1», а для var - цифра «2».
Экспериментами с ААГ полностью подтверждена гипотеза о том, что в случае витковых замыканий в части обмотки циркулирует достаточно большой ток, способный вызвать повреждение статорной обмотки генератора. Кривые то ков коротко замкнутой части обмотки (КЗ вмтков) в зависимости от числа замк нувшихся витков и осциллограмма тока КЗ показаны на рисунках 5 и 6 соответ ственно. Для ААГ, питающего нагрузку, по мере увеличения числа КЗ витков с % до 30% ток в этих витках изменяется с 1,7 I ном до 4 I ном для const и с I ном до 2,8 I ном для var. Максимальный ток замкнувшихся витков превы шает номинальный в 5 - 7 раз и наблюдается примерно при 3 % КЗ витков. При увеличении числа КЗ витков до 25 – 35 % ААГ теряет возбуждение и все токи прекращаются.
В случае 15 % КЗ витков фазные, емкостные токи, напряжения в повреж денной фазе уменьшаются в 1,3 раза (привод const и чисто активная нагруз ка) (рисунок 6). Коэффициент обратной последовательности для фазных, емкост ных токов и фазных напряжений имеет величину менее 0,1. Разница между сред ними значениями токов и напряжений фаз при 15 % КЗ витков, и токами и на пряжениями в поврежденной фазе, по отношению к номинальным величинам, будет соответственно 0,04 I ном и 0,07 U ном. Ток нагрузки в поврежденной фазе в этом случае уменьшается в 1,1 раза. Коэффициент обратной последовательно сти имеет величину менее 0,05.
Подобные процессы происходят и при обрыве, и несимметрии емкостей самовозбуждения, и обрыве фаз ААГ, а также в случае межфазных и трехфазных КЗ. При замыкании 3 % и 15 % витков в двух фазах, соответственно, уменьшение токов в фазах аналогично уменьшению при витковых КЗ, ток в короткозамкнутых витках в 4,6 раз больше номинального.
Фазные токи Токи КЗ витков Рисунок 5 – Кривые изменения фазных токов и тока КЗ витков ААГ 15% КЗ витков 15 % КЗ витков 3 % КЗ витков ток КЗ ток фазы «A» ток фазы «A»
активно-индуктивная Обрыв емкости 15% КЗ витков нагрузка ток фазы «А» амплитуда вибрации ток фазы «A»
Рисунок 6 – Фазный ток, ток КЗ и амплитуда вибрации ААГ На рисунке 7 показано изменение спектра фазного тока в поврежденной фазе и спектра сигнала, получаемого от датчика вибрации. По оси абсцисс указа на частота тока в Гц, по оси ординат указана шкала в относительных единицах К:
I ф n К, (7) I ф где Iф n – величина тока n-й гармоники;
Iф 1 – величина тока 1-й гармоники, соответствующая нормальной ра боте ААГ при номинальных параметрах.
фазный ток обмотка исправна фазный ток КЗ спектр сигнала вибродатчика спектр сигнала вибродатчика обмотка исправна КЗ Рисунок 7 – Спектральный состав при 15 % КЗ витков в фазе «А»
В ходе проведения экспериментальных исследований установлено, что при 15 % КЗ витков наблюдается уменьшение первой, пятой и седьмой гармоник фазных и емкостных токов в поврежденной фазе соответственно в 1,15, 2,15 и 2, раз, а также рост третьей гармоники в 1,9 раз.
Для фазных напряжений происходит уменьшение первой, третьей, пятой и седьмой гармоник в поврежденной фазе соответственно в 1,53, 1,68, 1,43 и 1, раза.
Подобно напряжению происходит уменьшение данных гармоник тока на грузки, но в 1,4 раз меньше. В целом же была установлена несимметрия гармони ческих составляющих, аналогичная несимметрии токов и напряжений в фазах.
Аналогичный характер имеет изменение гармонических составляющих в неповрежденных фазах. Изменение гармонических составляющих токов и напря жений в случае межфазных и трехфазных несимметричных КЗ аналогично изме нению при витковых КЗ. При симметричном трехфазном КЗ наблюдается рост первой гармоники фазных и емкостных токов в 1,25 раз. Третья, пятая и седьмая гармоники уменьшаются в 2,8, 1,5 и 1,1 раз. Аналогичные соотношения получены для фазных напряжений, однако в данном случае первая гармоника уменьшается, а третья возрастает. Гармонические составляющие для токов нагрузки уменьша ются подобно напряжению, но в 1,4 раз меньше.
С помощью планирования эксперимента получены аналитические уравне ния связи числа КЗ витков в статорной обмотке с основными параметрами ААГ.
При проведении многофакторного эксперимента было выбрано три фактора, ока зывающих существенное влияние на процесс:
фактор X1 – число КЗ витков в поврежденной фазе (фазах), считая от нулевых выводов в %;
фактор X2 – емкость цепи самовозбуждения (мкФ);
фактор X3 – нагрузка цепи генератора ( pнг / pном ).
В качестве нижнего и верхнего уровней фактора X1 были приняты значе ния 3% и 15% соответственно. Для фактора X2 соответственно значения 30% и 70% номинальной емкости. Для X3 приняты значения 0,2 и 0,5. Коэффициенты уравнений регрессии были рассчитаны с учетом однородности дисперсий по кри терию Кохрена, адекватность модели проверена по F – критерию Фишера. Урав нения для витковых КЗ имеют вид:
- ток поврежденной фазы I А1 6,16 0,951 X1 1,572 X2 0,149 X3, (8) I А 2 4,87 0,864 X1 0,892 X2 0,228 X3, (9) - ток нагрузки Iнг A 1 0,737 0,07 X1 0,047 X2 0,370 X3, (10) Iнг A 2 0,674 0,08 X1 0,022 X2 0,348 X3, (11) - ток замкнувшихся витков I КЗ 1 51,782 4,658 X1 5,302 X2 0,548 X3, (12) I КЗ 2 49,894 1,274 X1 1,343 X2 3,857 X3, (13) - число оборотов генератора n1 1246 7 X1 11,25 X2, (14) n 2 1095 2,5 X1 60 X2 20 X3. (15) Анализ вышеприведенных уравнений показывает следующее. В случае привода от АД, в отличие от привода от ДПТ, с увеличением нагрузки ток в по врежденной фазе уменьшается. С увеличением емкости самовозбуждения ток в поврежденной фазе увеличивается. При увеличении числа КЗ витков происходит уменьшение токов в фазе. Подобным образом изменяются также емкостный ток и фазное напряжение. Ток нагрузки для обоих видов приводов ведет себя подобно фазному току для привода с ДПТ. Аналогичный характер имеют зависимости тока в установившемся режиме для неповрежденных фаз. Ток КЗ в случае приво да от АД с увеличением емкости самовозбуждения растет, в отличие от привода генератора от ДПТ. В случае межфазных КЗ уравнения регрессии имеют вид по добный витковым замыканиям. Отличие состоит в том, что токи КЗ в обоих слу чаях при возрастании емкости самовозбуждения увеличиваются.
При витковых КЗ, с увеличением числа замкнутых витков и емкости са мовозбуждения, обороты генератора ( n1, n 2 ) падают. С увеличением нагрузки в случае привода от ДПТ обороты увеличиваются. Аналогичный характер имеют процессы в случае межфазных КЗ. В случае трехфазных КЗ для привода ААГ от ДПТ с увеличением числа КЗ витков обороты уменьшаются, а в случае привода генератора от АД – возрастают.
Исследования вибрации корпуса ААГ показали, что при КЗ в статорной обмотке гармонические составляющие сигнала вибродатчика увеличиваются в 4 – 8 раз (в области 600 – 1500 Гц). Аналогичные процессы происходят при обрыве фаз ААГ и емкостей самовозбуждения. При малом числе КЗ витков изменение гармоник незначительно (1 – 4 %). Данный признак позволяет обнаруживать не только электрические, но и механические повреждения, поэтому его целесооб разно использовать для построения устройства защиты ААГ.
В четвертой главе описываются предлагаемые устройства защиты ААГ, а также технико-экономическое обоснование применения устройства защиты.
Для защиты ААГ от внутренних межфазных КЗ в обмотке статора, вбли зи нулевых выводов, разработано устройство дифференциально-фазной защиты согласно пат. № 2313890 РФ RU, работа которого основана на измерении токов фаз в случае КЗ. Разработано устройство дифференциальной защиты ААГ (Пат.
№ 66127 РФ RU), работа которого основана на измерении токов в нулевых, фаз ных выводах и присоединении емкостей.
В качестве чувствительного устройства защиты, позволяющего опреде лять и витковые замыкания обмоток статора ААГ, предлагается использовать устройство, основанное на использовании вибродатчика, который крепится на корпусе генератора (Пат. № 2295815 РФ RU).
На рисунке 8 показана принципиальная схема управления и защиты ААГ.
При возникновении виткового КЗ в обмотке статора и при неисправности под шипников появляются дополнительные колебания корпуса машины 1, и сигнал вибродатчика 2 превышает пороговое значение. Сигнал на выходе блока сравне ния 5 усиливается в 6 и вызывает срабатывание 7. Исполнительный механизм приводит в действие привод аварийного отключения выключателя 4, который отключает ААГ. Блок питания 8 обеспечивает работу блоков 5 и 6. Блоки 5, 6, 7 и 8 в совокупности составляют устройство защиты 3.
Рисунок 8 – Схема управления и защиты ААГ Экономический эффект от использования защиты ААГ достигается за счет снижения технологического ущерба, связанного с недополучением прибыли из-за простоя системы вентиляции птичника. Снижение ущерба достигается за счет увеличения коэффициента готовности ААГ, используемого для резервирова ния питания. Расчетный дисконтированный доход на птичник составляет руб. Срок окупаемости устройства защиты ААГ составляет 0,8 года.
Общие выводы 1 Установлено, что при наличии в статорной обмотке ААГ 3 – 15 % ко роткозамкнутых витков он не теряет возбуждения и продолжает питать нагрузку.
При этом ток в КЗ витках превышает номинальный в 4 – 7 раз. Поэтому для ААГ необходимо построение устройств диагностики и защиты, так как их отсутствие может стать причиной скрытых отказов.
2. Разработана математическая модель ААГ с витковыми КЗ в статорной обмотке. С помощью расчетов на полученной математической модели подтвер ждены результаты эксперимента. Кривые токов и напряжений, полученные рас четом на математической модели, согласуются с реальными осциллограммами (расхождение в пределах 3 – 5 %), что подтверждает адекватность математиче ской модели. Разработанные компьютерные программы позволяют прогнозиро вать развитие процессов в генераторе и определить целесообразность применения различных защитных устройств.
3. Изменение токов и напряжений ААГ при несимметричных витковых замыканиях проанализировано на основе планирования эксперимента. Получены уравнения регрессии, позволяющие определять токи, напряжения и другие пара метры ААГ от числа КЗ витков в статорной обмотке, емкости самовозбуждения, величины нагрузки ААГ.
4. Экспериментально установлено, что при витковых, межфазных и трехфазных КЗ наибольшие изменения наблюдаются для первой, третьей, пятой и седьмой гармонических составляющих. В среднем при 15 % КЗ витков в повреж денной фазе гармоники в токах изменяются в два раза (увеличиваются при увели чении числа КЗ витков).
5. Показано, что в случае витковых КЗ в статорной обмотке ААГ несим метрия токов, напряжений и величина их гармонических составляющих не вели ки (коэффициент обратной последовательности не превышает величину 0,1).
Данная несимметрия сравнима с несимметрией в цепи нагрузки генератора, по этому построение защит, реагирующих на несимметрию токов и напряжений, затруднительно. Однако при КЗ в статорной обмотке ААГ гармонические состав ляющие сигнала вибродатчика, установленного на корпусе генератора увеличи ваются в 4 – 8 раз. На основании данного признака построено устройство защиты по пат. № 2295815 РФ RU.
6. Для защиты ААГ от внутренних межфазных КЗ в обмотке статора, вблизи нулевых выводов, разработано устройство дифференциально-фазной за щиты согласно пат. № 2313890 РФ RU и устройство дифференциальной защиты ААГ (пат. № 66127 РФ RU).
7. Экономический эффект от использования защиты ААГ достигается за счет снижения технологического ущерба, которое достигается за счет увеличения коэффициента готовности ААГ, используемого для резервирования питания.
Чистый дисконтированный доход составляет 17728 руб. Срок окупаемости уст ройства защиты генератора составляет 0,8 года.
Основное содержание диссертации опубликовано: в изданиях рекомендо ванных ВАК:
1. Соболь, А.Н. Сравнение методов расчета однофазных КЗ в электроус тановках до 1 кВ / А.Н. Соболь А.В. Богдан, В.А. Богдан, В.В. Савиных // Меха низация и электрификация сельского хозяйства. – 2004. – № 11. – С. 30 – 31.
2. Соболь, А.Н. Признаки повреждения обмотки статора асинхронного генератора / А.Н. Соболь А.В. Богдан, И.А. Потапенко // Механизация и электри фикация сельского хозяйства. – 2007. – № 8. – С. 13 – 14.
3. Соболь, А.Н. Токи повреждений в обмотках асинхронных генераторов с емкостным самовозбуждением / А.Н. Соболь А.В. Богдан // Кибернетика энер гетических систем: материалы XXVIII сессии семинара «Диагностика энергообо рудования» / ЮРГТУ. – Новочеркасск, 2006 / Ред. журн. «Изв. вузов – Электро механика». – 2006. – С. 170 - 171.
4. Пат. № 2313890 РФ RU, МПК 51 H02М 7/08, H02H 3/28. Устройство для дифференциально-фазной защиты / ФГОУ ВПО КубГАУ авт.А.В. Богдан, А.Н. Соболь. – № 2006124282;
заявл. 06.07.2006;
опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36.
5. Пат. № 2295815 РФ RU, МПК 51 H02H 7/08, G01M 15/00, H02K 15/00.
Устройство защиты машин переменного тока / ФГОУ ВПО КубГАУ авт.А.В. Бо гдан, И.Г. Стрижков, И.А. Потапенко, А.Н. Соболь. – № 2005131150;
заявл.
07.10.2005;
опубл. 20.03.2007, Бюл. № 8.
6. Пат. № 66127 РФ RU, МПК 51 H02K 11/00, H02H 7/08. Устройство для дифференциальной защиты асинхронного генератора / ФГОУ ВПО КубГАУ авт.
А.Н. Соболь. – № 2006147115;
заявл. 27.12.2006;
опубл. 27.08.2007, Бюл. № 24.
Публикации в других изданиях:
7. Соболь, А.Н. Анализ неисправностей асинхронного генератора / А.Н.
Соболь // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропро мышленном комплексе: сборник научных трудов / СГАУ. – Ставрополь, 2007. – С. 177 – 178.
8. Соболь, А.Н. Анализ повреждений в обмотках асинхронного генерато ра с емкостным самовозбуждением / А.Н. Соболь, А.В. Богдан // Перспективы и направления развития энергетики АПК: материалы Международной научно технической конференции / БГАТУ. – Минск, 2006. – С. 40 – 42.
9. Соболь, А.Н. Анализ токов при витковых замыканиях в обмотке стато ра асинхронного генератора с помощью теории планирования эксперимента / А.Н. Соболь // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 8-й Регион. научн.-практ. конф. молод. ученых. – Краснодар: КубГАУ, 2006. – С.
336 – 337.
10. Соболь, А.Н. Защита при витковых замыканиях в обмотке статора асинхронных генераторов с емкостным возбуждением / А.Н. Соболь, А.В. Богдан, А.И. Богдан, М.М. Ключников // Энергосберегающие комплексы и системы: ма териалы Международной научно-практической конференции / КубГТУ. – Крас нодар, 2006. – С. 192 – 196.
11. Соболь, А.Н. Использование методов расчета однофазных КЗ в элек троустановках АПК / А.Н. Соболь, А.В. Богдан, В.В. Савиных // Энерго- и ресур сосберегающие технологии и установки: материалы 4-й научной конференции факультетов механизации и электрификации / КубГАУ. – Краснодар, 2005. – С.
115 – 12. Соболь, А.Н. Математическая модель асинхронного генератора при витковых замыканиях в фазных осях статора / А.Н. Соболь, А.В. Богдан // Энер госберегающие комплексы и системы: материалы Международной научно практической конференции / КубГТУ. – Краснодар, 2007. – С. 159 – 162.
13. Соболь, А.Н. Математическая модель асинхронного генератора с ем костным самовозбуждением / А.Н. Соболь, А.В. Богдан // Энергосберегающие комплексы и системы: материалы Международной научно-практической конфе ренции / КубГТУ. – Краснодар, 2006. – С. 185 – 189.
14. Соболь, А.Н. Особенности эксплуатации асинхронных генераторов в сельском хозяйстве / А.Н. Соболь // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы пятой Всероссийской научной конференции. Сборник ма териалов. – Краснодар: КВВАУЛ, 2007 г. – С. 161 – 164.
15. Соболь, А.Н. Применение теории планирования эксперимента для анализа повреждений в статорной обмотке асинхронного генератора / А.Н. Со боль, А.В. Богдан // Энергосберегающие комплексы и системы: материалы Меж дународной научно-практической конференции / КубГТУ. – Краснодар, 2007. – С.
154 – 158.
16. Соболь, А.Н. Токи при коротком замыкании витков в статорной об мотке асинхронного двигателя и генератора / А.Н. Соболь // Энергосберегающие технологии, оборудование и источники электропитания для АПК / КубГАУ. – Краснодар, 2005. – С. 276 – 278.
17. Соболь, А. Н. Трехфазные короткие замыкания в обмотке статора асинхронного генератора / А.Н. Соболь, А.В. Богдан // Электроэнергетические комплексы и системы: материалы Международной научно-практической конфе ренции / КубГТУ. – Краснодар, 2005. – С. 150-153.
Формат 60х84 Подписано в печать «_» ноября 2010 г Бумага офсетная Офсетная печать Печ. л. 1 Заказ № _ Тираж 100 экз.
Отпечатано в типографии КубГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина,