CC BY
26
УДК 621.313 ББК 31.261.62
М.В. КИПЕРВАССЕР, Ш.Р. ГУЛАМОВ
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ ГИДРОАГРЕГАТОВ, РАБОТАЮЩИХ НА АВТОНОМНУЮ НАГРУЗКУ, ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОЛОМОК
Ключевые слова: гидротурбина, синхронный генератор, контроль электрических и механических параметров, функциональная схема, система защиты.
Предложен метод косвенного определения неисправностей механической части гидрогенератора путем контроля электрических параметров. Разработана математическая модель турбины и синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку. Получены графики переходных процессов в момент возникновения механической поломки. Предложена система защиты гидроагрегата от механических поломок. Описана работа системы защиты от механических поломок или попадания инородного тела в гидротурбину гидроагрегата, работающего на автономную нагрузку.
Одним из направлений развития альтернативной электроэнергетики является использование одиночных установок для преобразования гидравлической энергии в электрическую. Основными причинами использование таких гидроагрегатов являются: отсутствие традиционных электрических сетей в удалённых и труднодоступных районах местности, надежность электроснабжения в случаях протяженных сетей малой мощности, рост тарифов на электроэнергию.
Подобные одиночные гидроагрегаты после монтажа и запуска в работу, как правило, постоянно не наблюдаются и не обслуживаются квалифицированным персоналом. При этом сами установки являются достаточно сложными электротехническими комплексами, включающими в себя гидравлические и сопряженные с ними электрические машины [2].
В этой связи обеспечение надежной и бесперебойной работы этих агрегатов является актуальной задачей.
Известно, что для контроля и защиты от аварийных режимов механической части электротехнического комплекса, имеющего в своем составе электрическую машину, можно использовать косвенный метод, основанный на измерении электрических параметров электромашины [2].
Разработка подобных схем защиты может быть основана на предварительной оценке изменения контролируемых электрических параметров в различных аварийных ситуациях. С этой целью была составлена математическая модель электромеханического комплекса, имеющего в своем составе гидравлическую турбину малого расхода и синхронный генератор, работающий на автономную нагрузку.
В качестве среды моделирования использовался программный комплекс Matlab Simulink.
При моделирования нагрузка синхронного генератора (СГ) принималась чисто активной. Это объясняется тем, что одиночные гидроагрегаты в отда-
ленных и труднодоступных местах работают в основном на активную нагрузку, обеспечивая электропитанием системы освещения и отопления. Функциональная схема математической модели турбины и синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку, содержит следующие блоки: 1 -блок задания момента гидротурбины; 2 - блок задания скачка момента, связанного с механической поломкой; 3 - блок задания тока возбуждения; стандартный блок 4 моделирования синхронного генератора; 5 - блок моделирования активной нагрузки активная нагрузка синхронного генератора; 6 - блок измерительных приборов (рис. 1) [3].
Мт
¿Тетина! Уа {Ур
АМ
<ТетГта1 уЫиэде УЪ
<Тетйи1 уоШде Ус (УР
£Р1оЬм 5рем члп (га-±'
О
18 муа- заану 50 Иг- 1500 фпл
<Оес№са1 ро*ет Ре (Шр*
Ян
Рис. 1. Функциональная схема математической модели турбины и синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку
Моделирование производилось для синхронного генератора мощностью 15 кВт. В ходе моделирования исследовалась динамика переходных процессов электрических и механических параметров при возникновении механической поломки или попадании инородного тела в гидротурбину. Изменение механического момента при работе на автономную нагрузку задавалось как 20% от номинального момента гидротурбины. Заданное время появления аварийной ситуации 2,2 с. Аварийная ситуация моделировалась при номинальной мощности синхронного генератора, результаты моделирования приведены на рис. 2 и 3.
Анализ полученных графиков переходных процессов на рис. 2 и 3 показывает, что изменение механического момента на валу гидроагрегата, обусловленное механической поломкой или попаданием инородного тела в гидротурбину, приводит к изменению всех параметров синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку. Скорость вращения гидроагре-
гата снижается, что приводит к снижению напряжения фазных обмоток статора. В свою очередь, это приводит к уменьшению фазных токов в статор-ных обмотках и уменьшению вырабатываемой мощности и электромагнитного момента СГ.
4Л
■4(1_\_I_\_1___I_\_I_\_\_
Л 05 I 1.5 2 Е5 I 15 Л 4.5 »
Вр»ш. с
а
Время, с
б
Рис. 2. Графики переходного процесса изменения трехфазного тока статора (а), напряжения на зажимах статорной обмотки (б) синхронного генератора до и после механической поломки
а
б
Рис. 3. Графики переходного процесса изменения вырабатываемой мощности (а), угловой скорости (б) синхронного генератора до и после механической поломки
Изменение электрических параметров синхронного генератора в момент возникновения механической поломки происходит при неизменном угле открытия задвижки в напорном водоводе. В момент механической поломки происходит изменение давления в напорном трубопроводе по причине увеличения момента сопротивления на валу гидроагрегата. Совокупность вышеуказанных изменений электрических и механических параметров можно использовать для разработки новой системы защиты от механических поломок или попадания инородного тела в гидротурбину гидроагрегата малой ГЭС.
Для контроля аварийных ситуаций предлагаемая система защиты использует следующие параметры гидроагрегатов: фазные токи статорной обмотки; ток обмотки возбуждения; давление и угол открытия задвижки водонапорного трубопровода. Функциональная схема системы защиты гидроагрегата малой ГЭС, работающего на автономную нагрузку, приведена на рис. 4 [1].
ад
Рис. 4. Функциональная схема системы защиты от механических поломок или попадания инородного тела в гидротурбину гидроагрегата, работающего на автономную нагрузку
На рис. 4 приняты следующие сокращения: ВЗ - водяная задвижка в напорном водоводе; ДТ - датчик тока статора синхронного генератора; ДВЗ -датчик угла открытия водяной задвижки; ДД - датчик давления; ДТВ - датчик тока возбуждения; СГ - синхронный генератор; БЗУТ - блок задания уставки по току статора; БЗУД - блок задания уставки по давлению в напорном водоводе; БЗУЗ - блок задания уставки по углу открытия задвижки в напорном водоводе; БЗУТВ - блок задания уставки по току возбуждения; БЗНЗТ -блок задания нормального значения тока статора синхронного генератора; БЗНЗД - блок задания нормального значения давления в напорном трубопроводе; БЗНЗЗ - блок задания нормального значения угла открытия задвижки; БЗНЗТВ - блок задания нормальных значений тока возбуждения; БСНЗТ -блок сравнения с нормальными значениями тока статора; БСНЗЗ - блок сравнения с нормальными значениями по углу открытия задвижки; БСНЗД - блок сравнения с нормальным значением давления в трубопроводе; БСНЗТВ -блок сравнения с нормальными значениями тока возбуждения; БСУТ - блок сравнения с уставкой и определения знака отклонения по току статора; БСУД - блок сравнения с уставкой и определения отклонения по давлению в трубопроводе; БСУЗ - блок сравнения с уставкой и определения отклонения по углу открытия задвижки; БСУЗТВ - блок сравнения с уставкой и определения отклонения по току возбуждению; БВАС - блок выработки аварийного сигнала; БУСГ - блок управления синхронного гидроагрегата; ГТ - гидротурбина; НВ - напорный водовод; АН - автономная нагрузка.
На рис. 5 приведены временные диаграммы следующих параметров: угловой скорости гидроагрегата, тока обмотки статора, тока обмотки возбуж-
дения, давления, угла открытия задвижки в напорном водоводе, выходных сигналов блока выработки аварийного сигнала и блока управления синхронного гидроагрегата.
1 1
I
Врелн. г
11 1г Ь ь «
6 г 1 у
—> и << . а а з е
в и
¡2 ж
г 1 о --►
Рис. 5. Временные диаграммы циклов: угловой скорости гидроагрегата (а), тока статора (б), тока обмотки возбуждения ( давления (г), угла открытия задвижки в напорном водоводе (д); выходного сигнала блока выработки аварийного сигнала (е); выходного сигнала блока управления синхронного гидроагрегата (ж)
Система защиты синхронного гидроагрегата от механических поломок или попадания инородного тела в гидротурбину, работающего на автономную нагрузку, функционирует следующим образом.
Включение системы (условно принято с момента времени ^ = 0) происходит по сигналу (Пуск гидротурбины), поступающему с управляющего входа схемы управления гидротурбины. Сигнал управления подается с пульта управления оператором.
На рис. 5, а приведен график изменения угловой скорости вращения гидротурбины и синхронного генератора. Весь цикл работы состоит из четырех участков:
1. Первый участок до t1) - участок разгона, где гидроагрегат движется с ускорением до момента набора номинальной скорости вращения гидроагрегата с включенной нагрузкой.
2. Второй участок (^ до ¿2) - установившийся режим работы гидроагрегата и синхронного генератора.
3. Третий участок (от ¿2 до ¿3) - режим работы при возникновении механической поломки или попадании инородного тела в гидротурбину.
4. Четвертый участок (от ¿3 до ¿4) - остановка синхронного гидроагрегата под нагрузкой. При остановке синхронного гидроагрегата снижается напор в
напорном водоводе, тем самым уменьшаются скорость вращения синхронного гидрогенератора и ток статора, а ток обмотки возбуждения увеличивается для подержания постоянства напряжения статорной обмотки.
Выходы датчиков токов, давления и угла открытия задвижки являются информационными входами системы защиты синхронного гидроагрегата, работающего на автономную нагрузку, от механических поломок и попадания инородного тела в гидротурбину.
Появление аварийного сигнала обеспечивается последовательным срабатыванием девяти блоков при контроле значений тока статора, угла открытия задвижки, тока обмотки возбуждения и давления, величины отклонения. При собственном срабатыванием аналоговых блоков 5-10...10"" полное время срабатывания устройств будет определяться в основном собственным временем срабатывания блока управления системами гидротурбины и синхронного генератора, составляющим 0,07-0,09 с, и временем срабатывания датчика давления. Время срабатывания датчика давления составляет 0,12-0,14 с, а полное время срабатывания устройства составит 0,19-0,23 с.
Таким образом, предлагаемая система защиты синхронного гидроагрегата, работающего на автономную нагрузку, от механических поломок и попадания инородного тела в гидротурбину позволяет распознать аварийную ситуацию на ранних стадиях и увеличивает быстродействие срабатывания защиты, что позволит минимизировать последствие аварии.
Литература
1. Пат. 2566613 РФ. (51) МПК F03B 15/00 (2006.01), H02H 7/00 (2006.01). Устройство защиты гидротурбины от выхода из строя опорного подшипника / Пугачев Е.В. Кипервассер М.В. Гула-мов Ш.Р.; патентообладатель Сибирский гос. индустриальный ун-т. № 201450744/06(081372); заявл. 15.12.2014; опубл. 27.10.2015, Бюл. № 30.
2. Пугачев Е.В., Кипервассер М.В., Гуламов Ш.Р. Косвенное оценивание неисправностей механической части гидроагрегатов // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2015. № 2(108). С. 122-127.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPower Systems и Simulink. М.: ДМК Пресс, 2007. 288 с.
КИПЕРВАССЕР МИХАИЛ ВЕНИАМИНОВИЧ - кандидат технических наук, заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования, Сибирский государственный индустриальный университет, Россия, Новокузнецк (kipervasser2012@yandex.ru).
ГУЛАМОВ ШУХРАТ РАХМАТУЛЛОЕВИЧ - аспирант кафедры электротехники и электрооборудования, Сибирский государственный индустриальный университет, Россия, Новокузнецк (Shuhrat_83_1@mail.ru).
M. KIPERVASSER, Sh. GULAMOV DEVELOPING OF HYDRALIC UNIT PROTECTION SYSTEM WORKING ON AN AUTONOMOUS LOAD TO AVOID MECHANICAL FAILURES
Key words: hydraulic turbine, synchronous generator, control of the electrical and mechanics parameters, functional scheme, protection system.
The article suggests the method of indirect malfunction definition of the generators mechanical system via controlling the electrical parameters. The mathematical model of the turbine and synchronous generator is designed, the latter working on an autonomous load. Graphic of the main parameters during mechanical malfunction has been got. Pro-
tection system of the hydraulic unit from mechanical failures is proposed. The functioning of the protection system from mechanical failure or entering the external element into unit of the hydraulic turbine working on the autonomous load is shown.
References
1. Pugachev E.V., Kipervasser M.V., Gulamov Sh.R. Ustroistvo zashchity gidroturbiny ot vyk-hoda iz stroya opornogo podshipnika [Device protecting the hydroturbine against failure of bearing reference]. Patent RF, no. 2566613, 2015.
2. Pugachev E.V., Kipervasser M.V., Gulamov Sh.R. Kosvennoe otsenivanie neispravnostei mekhanicheskoi chasti gidroagregatov [Indirect estimation of the mechanical part faults of the hydro-generators]. Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Kuzbass State Technical University], 2015, no. 2(108), pp. 122-127.
3. Chernyh I.V. Modelirovanie elektrotekhnicheskikh ustroistv vMATLAB. SimPower Systems i Simulink [Modeling of electrotechnical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press Publ., 2007, 288 p.
KIPERVASSER MICHAIL - Candidate of Technica Sciences, Head of Electrical Engineering and Electrical Equipment Department, Siberian State Industrial University, Russia, Novokuznetsk (kipervasser2012@yandex.ru).
GULAMOV SHUHRAT - Post-Graduate Student of Electrical Engineering and Electrical Equipment Department, Siberian State Industrial University, Russia, Novokuznetsk (Shuhrat_83_1@mail.ru).
Ссылка на статью: Кипервассер М.В., Гуламов Ш.Р. Разработка системы защиты гидроагрегатов, работающих на автономную нагрузку, от механических поломок // Вестник Чувашского университета. - № 3. - С. 68-75.
