CC BY
30
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
УДК 621.313.333.2
© Кривоносов В.Е.*
СТАТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ПИТАЮЩЕГО КАБЕЛЯ В УСЛОВИЯХ ЛОКАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ
Локальная компенсация реактивной мощности эффективна, когда батареи конденсаторов включены параллельно обмоткам электродвигателя. Выбор мощности батарей определяет режим работы электродвигателя. При отключении двигателя от сети разряд конденсатора осуществляется в контуре индуктивность обмотки двигателя, комплексное сопротивление изоляции и ёмкости батареи конденсаторов. Скорость разряда конденсатора является критерием диагностики сопротивления изоляции обмоток двигателя, а при значении сопротивления изоляции 85 кОм двигатель блокируется для дальнейшей работы.
Ключевые слова: компенсация реактивной мощности, батарея конденсаторов, скорость разряда, сопротивление изоляции, диагностика, моделирование.
Кривоносов В.€. Статичш джерела реактивное nomyrn:Hocmi при дiагностицi стану iзоляцu асинхронного двигуна i живлячого кабелю в умовах локальног компенсаци. Локальна компенсация реактивног потужност1 ефективна, коли ба-тарег конденсатор1в включенi паралельно обмоткам електродвигуна. Виб1р поту-жност1 батарей визначаережим роботи електродвигуна. При вiдключеннi двигуна вiд мережi розряд конденсатора здiйснюеться в контурi тдуктивтсть обмотки двигуна, комплексний отр iзоляцiг i емностi батарег конденсаторiв. Швидюсть розряду конденсатора е критерiем дiагностики опору iзоляцiг обмоток двигуна, а при значент опору iзоляцiг 85 кОм двигун блокуеться для подальшог роботи. Ключовi слова: компенсащя реактивног потужностi, батарея конденсаторiв, швидюсть розряду, отр iзоляцiг, дiагностика, моделювання.
V.E. Krivonosov. Reactive power static sources in the diagnosis of insulation condition of the induction motor and the power supply cable in terms of local compensation.
Reactive power compensation is particularly relevant for the industrial companies, major power consumers of which are asynchronous motors (AM). The most effective reactive power compensation is at placing the capacitor bank (CB) directly at the points of AM connection. The capacity of the CB and the method of controlling the power factor depend on the AM loading conditions. Under operating conditions ensuring AM reliable start-up after a technological pause is an important task. Reliable motor start-up is possible when the insulation resistance of the stator windings is equal to or above 0.5 megohms. The discharge of the capacitor bank at the moment of the AM disconnection from the network, makes it possible to use the power stored in the CB to diagnose insulation condition and suitability of the AM to a safe start. The speed of the CB discharge is the criterion showing that the AM winding insulation resistance is of critical value. The capacitors discharge simulation made it possible to develop a method to protect the AM and the power cable as well as to formulate an algorithm to identify one-, two-, three- and interphase short circuit when operating, and at the time of the AM disconnection from the network and to define the critical value of the insulation resistance according to the capacitor discharge speed.
Keywords: reactive power compensation, capacitor bank, discharge rate, insulation resistance, diagnostics, modelling.
канд. техн. наук, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, vahtverf@,mail. ги
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Постановка проблемы. Эффективное использование энергоресурсов и, в первую очередь, электрической энергии является одним из приоритетных направлений развития современной мировой экономики и энергосберегающей политики Украины. В связи с постоянным удорожанием энергоресурсов в рамках программ энергосбережения, важную роль приобретает экономия потребляемой электроэнергии путем целенаправленного воздействия на баланс реактивной мощности в узлах электроэнергетической системы. Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели (АД), коэффициент мощности которых без принятия мер по компенсации составляет 0,7-0,75 [1].
Во многих отраслях промышленности используются электроприводы, созданные на основе применения АД с номинальным напряжением 220/380 В. По данным [2], в Украине ежегодно производится до одного миллиона единиц АД. Повсеместное применение АД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. До 70% АД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-газодобывающей, металлургической и других. Известно, что наиболее эффективна компенсация реактивной мощности при размещении её источника непосредственно в точках подключения АД [3-5].
При эксплуатации АД важной задачей является обеспечение надежного пуска после технологической паузы. Надежный пуск возможен, когда величина сопротивления изоляции ста-торных обмоток равна или превышает 0,5 МОм [6].
Анализ последних исследований и публикаций. Литературные исследования показали, что поставленная задача изучена недостаточно. Результаты известных работ [1-6] направлены на изучение компенсация реактивной мощности и способы её регулирования в больших энергосистема и точках коммерческого учета предприятия. Локальная компенсация реактивной мощности в точка подключения АД к сети является актуальной задачей, позволяющей повысить эффективность работа предприятия. Известные способы контроля сопротивления изоляции в периоды технологических пауз требуют дополнительных источников питания и затрат электроэнергии. Использование энергии, запасенной в батареях конденсаторов (БК), для диагностирования состояния изоляции обмоток АД и питающего кабеля и защиты АД от пуска при значении величины сопротивления изоляции не изучены.
Цель работы. В настоящей работе рассмотрен вопрос локальной компенсации потребляемой мощности АД и использования энергии, запасенной в конденсаторной батарее, для диагностирования состояния изоляции обмоток АД в момент его отключения от сети.
Изложение основного материала. Выбор мощности и способ управления мощности компенсирующими устройствами при их параллельной работе с АД зависит от нагрузки АД [7], которую различают непрерывная, повторно-кратковременная и случайная [8].
Для АД, работающих с непрерывным графиком нагрузки, мощность БК рассчитывается по паспортным данных двигателя и коэффициенту мощности, значения которого стремится к единице (cosa ~ 1). Выбор мощности БК осуществляется следующим образом [7].
Мощность БК
¿БК — ^ ""
QEK — Од =V S 2-Р2, (1)
р
где S =--полная мощность АД.
cosaАд
Зависимость между мощностью конденсатора, кВар,и емкостью,мкФ
QБK = 2-л-f • С • и2 • 109, (2)
Qek-IO 2-ж-f-U2
с = ^ek 2, (3)
где С - емкость конденсатора; QБК - мощность конденсатора; f - частота сети; и - напряжение сети.
В таблицах 1, 2 представлены параметры конденсатора, включенного параллельно к обмоткам статора АД (рис. 1). Величина максимального тока, протекающего через конденсатор, не превышает 90% тока холостого хода двигателя.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Таблица 1
Мощность АД и соответствующая мощность БК при параллельном включении
Максимальная мощность двигателя Максимальная скорость вращения, об/мин
3000 1.500 1.000
л.с. кВт Максимальная мощность кВар
11 8 2 2 3
15 11 3 4 5
20 15 4 5 6
25 18 5 7 7,5
30 22 6 8 9
40 30 7,5 10 11
50 37 9 11 12,5
60 45 11 13 14
100 75 17 22 25
150 110 24 29 33
180 132 31 36 38
218 160 35 41 44
274 200 43 47 53
340 250 52 57 63
380 280 57 63 70
482 355 67 76 86
Таблица 2
Мощность низковольтных АД и мощность БК
Мощность электродвигателя Компенсирующий конденсатор
220 В 380 В 440 В
кВт л.с. мкФ кВар мкФ кВар мкФ кВар
0,2 1/4 15 0,27 - - - -
0,4 1/2 20 0,36 - - - -
0,75 1 30 0,55 - - - -
1,5 2 50 0,91 10 0,544 10 0,730
2,2 3 75 1,37 15 0,817 15 1,095
3,7 5 100 1,82 20 1,089 20 1,460
5,5 7,5 175 3,19 50 2,722 40 2,919
7,5 10 200 3,65 75 4,083 40 2,919
11 15 300 5,47 100 5,444 75 5,474
15 20 400 7,30 100 5,444 75 5,474
22 30 500 9,12 150 8,166 100 7,299
30 40 800 14,60 200 10,888 175 12,772
37 50 900 16,42 250 13,609 200 14,597
Для АД, работающих в повторно-кратковременном режиме с заданным графиком нагрузки, компенсация реактивной мощности производится ступенчато [8, 9]. К неизменной мощности БК, определяемой из расчета холостого хода АД, подключают ступенчато необходимую мощность БК. Количество ступеней и их мощность зависит от графика нагрузки и потребляемой мощности. Регулирование коэффициента мощности осуществляться применением установок типа УКРМ-0,4 - это низковольтные регулируемые конденсаторные установки компенсации реактивной мощности. Ступенчатое регулирование мощности при помощи конденсаторных установок УКРМ позволяет использовать её в сетях с изменяющейся нагрузкой. Автоматическое подключение ступеней УКРМ осуществляется за счет обратной связи по току при помощи измерительных трансформаторов тока. Диапазон мощностей конденсаторных установок УКРМ-0,4 - от 10 кВар до 2500 кВар, шаг регулирования - от 5 кВар.
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Рис. 1 - Схема включения АД и БК
Для АД, работающих при случайных нагрузках, регулирование коэффициента мощности производится, как правило, при установке части нерегулируемых БК, величина которых определена неизменной составляющей нагрузки и БК, подключаемых к сети посредством управляемых регуляторов [8, 10].
Согласно ПУЭ [6], при отключении БК от сети они замыкаются на разрядные сопротивления или лампы накаливания. Такие переключения позволяют преобразовать запасенную в БК электрическую энергию в тепловую. Запасенную в БК электрическую энергию, можно использовать для диагностирования естественного старения изоляции обмоток АД и питающего кабеля.
На рис. 2 показана схема замещения БК, подключенной к обмотками статора АД после его остановки. На рис. 2 обозначено: ХЬАд, RАд - индуктивное и активное сопротивления обмотки статора АД, Rg, Xg - активная и ёмкостная составляющие сопротивления изоляции обмотки АД, СБК - емкость батареи конденсатора с остаточным напряжением после его отключения от сети.
ABC
\ \ \
Рис. 2 - Схема замещения БК и двигателя
Принимая для упрощения расчета сопротивление диэлектрика активным и не учитывая малое по величине активное сопротивление обмотки статора АД, получим схему замещения (рис. 3).
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
X,
■ЬАД>
Я,
С
БК
Рис. 3 - Упрощенная схема замещения БК и двигателя
Под действием остаточного напряжения на конденсаторе UБК в цепи возникает ток и БК начинает разряжаться. Уравнение цепи для схемы, приведенной на рис. 3, составлено по второму закону Кирхгофа:
Е = I -Я8 Цк . (4)
<1
Выразив ЭДС самоиндукции обмотки АД Е = —Тад--через ток и индуктивность об-
д dt
мотки ЬАд, а иБК- через ток и емкость иБК =--— ■ [ 1<, получаем:
С *
бк
— тад ■ <| " 1 ^ ^ — СТ- = 0 . (5)
Взяв производную от левой и правой частей уравнения, получаем дифференциальное уравнение второго порядка:
<21 <1 I П
—- + —я---+-= 0 . (6)
< Ьад < Ьад ■ Сда
Решение этого уравнения известно и приведено в [11].
Характер переходного процесса, протекающего в цепи, зависит от соотношения парамет-
Г \2
т> \
КАД
2^ Т
V2 таД у
переходный процесс в цепи носит апериодический
ров % Сбк, Тад. При С~Т— <
сбк ■ тад
характер. Скорость изменения напряжения иБК зависит от величины Яя. На рис. 4 представлены результаты математического моделирования разряда БК. Для моделирования процесса значения элементов схемы замещения соответствуют параметрам двигателя серии 4А, тип -
об
4А112М4У3, Р=5,5 кВт, напряжением и=380 В,^а ~ 0,85, число оборотов поб = 1480-.
мин
Результаты исследования позволили разработать способ контроля изоляции АД и питающего кабеля.
В рабочем режиме двигателя БК подключена параллельно обмоткам статора, осуществляется компенсация реактивной мощности. Непрерывно измеряется скорость изменения напряжения на конденсаторах БК. По изменению значений скорости напряжения определяют межфазное, одно-, двух-, трехфазное короткое замыкание в сети и неполнофазные режимы работы АД, с последующей сигнализацией о возникшем режиме и отключением двигателя от сети.
При отключении АД и БК от питающей сети, режим технологической паузы, напряжение
иБК на одном из конденсаторов СБК остается. Величина напряжения иБК = Цф(или—Цф), конденсатор разряжается на сопротивление обмотки статора и изоляции АД.
Если сопротивление изоляции обмоток измеряется при температуре 75°С, то при снижении температуры обмотки на каждые 18°С ее сопротивление увеличивается в двое. Так, при снижение температуры с 75°С до 25°С, т. е. температуры окружающей среды, коэффициент перевода равен 6.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Изоляции обмотки АД и кабеля во время отключения от сети предельно нагреты: эквива-
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХШЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2016р. Серiя: Техшчш науки Вип. 33
ISSN 2225-6733
лентное значение комплексного сопротивления изоляции ZзАд стремится к бесконечности, наблюдается выполнения неравенства
Z >> ZgVX,
g ад gbk '
где Z^K - комплексное сопротивление конденсатора, определяющее его саморазряд.
Изменение напряжения на клеммах конденсатора обусловлено естественным разрядом конденсатора. Изменение падения напряжения на клеммах конденсатора (рис. 4, позиция б).
Во время работы АД необратимые процессы старения изоляции обмоток АД и кабеля протекают значительно интенсивней, чем у конденсатора. Сопротивление изоляции уменьшается при выполнении равенства
Z - Z
Zgад - zgek •
Интенсивность разряда конденсатора и скорость изменения напряжения на клеммах конденсатора возрастают (пример - рис. 4, позиция а).
При снижении величины эквивалентного сопротивления изоляций обмоток АД и кабеля ниже допустимого значения 0,5 МОм, будет выполняться неравенство
Z << ZgVX .
g ад gbk
Скорость изменения напряжения на клеммах конденсатора будет в 50 и более раз больше скорости изменения напряжения при новой изоляции (пример - рис. 4, позиция в).
Выводы:
1. Использования БК для локальной компенсации реактивной мощности позволяет снизить потери электроэнергии в трансформаторах, питающих линиях и коммутационной аппаратуре.
2. Режим нагрузки работы АД определяет способы и средства управления коэффициентом мощности при локальной компенсации.
3. Использование энергии, запасенной в БК, при компенсации реактивной мощности позволяет без дополнительных источников питания производить непрерывный контроль и диагностирование состояния изоляции обмоток АД и кабельной линии.
4. Скоростные характеристики разряда конденсаторов в периоды работы АД можно использовать для защиты от межфазных, одно-, двух-, трехфазных коротких замыканиях и обрыва фаз.
5. Измерение сопротивления изоляции сразу после отключения АД от сети позволяет определять величину сопротивления изоляции обмоток АД с учетом её старения.
Список использованных источников:
1. Электроэнергетика Украины [Электронный ресурс] / Консалтинговая группа Success Brand Management (SBM). - 2012. - 50 с. - (http://marketing.rbc.ua/publication/03.06.2015/7526).
2. Лесникова М.Н. Двигательная активность / М.Н. Лесникова // Бизнес. - 2003. - № 39. -С. 28-31.
3. Prophi® power factor controller [Электронный ресурс]. - (http://www.janitza.com/prophi-power-factor-controller.html).
4. Паули В.К. Компенсация реактивной мощности как эффективное средство рационального использования электроэнергии / В.К. Паули, Р.А. Воротников // Энергоэксперт. - 2007. -№ 2. - С. 16-22.
5. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей. - Утв. 2006-07-25. -К. : Министерство топлива и энергетики, 2007. - 288 с.
6. Глушков В.М. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий / В.М. Глушков, В.П. Грибин. - М. : Энергия, 1975. - 103 с.
7. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / И.А. Сыромятников. - М. : Энергия, 1984. - 240 с.
8. Epcos. TDK Europe [Электронный ресурс]. - (https://en.tdk.eu/).
9. Пат. 106564 Украша, МПК G 05 F 1/70, Н 02 J 3/18. Споаб комутаци конденсаторiв у складi батаре! конденсаторiв для компенсаци реактивно! потужносп / В.В. Бурлака, С.В. Гулаков; ДВНЗ «ПДТУ». - № а201310826; заявл. 09.09.13; опубл. 10.09.14, Бюл. № 17. - 4 с.
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
10. Борисов Ю.М. Электротехника / Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. - М. : Энерго-атомиздат, 1985. - 552 с.
11. Пат. 98353 Украша, МПК Н 02 К 15/12, G 01 R 31/34. Споаб контролю змши опору iзолящl електродвигуна й живильного кабелю / ВС. Кривоносов; ДВНЗ «ПДТУ». - № а201005384; заявл. 05.05.10; опубл. 10.05.12, Бюл. № 9. - 4 с.
References:
1. Consulting Group Success Brand Management (SBM). Elektroenergetika Ukrainy [Ukrainian Electricity] Available at: http://marketing.rbc.ua/publication/03.06.2015/7526 (accessed 15 January 2016).
2. Lesnikova M.N. Dvigatel'naia aktivnost' [Physical activity]. Biznes - Business, 2003, no. 39, pp. 28-31. (Rus.)
3. Prophi® power factor controller Available at: http://www.janitza.com/prophi-power-factor-controller.html (Accessed 30 January 2016).
4. Pauli V.K. Kompensatsiia reaktivnoi moshchnosti kak effektivnoe sredstvo ratsional'nogo is-pol'zovaniia elektroenergii [Reactive power compensation as an effective means of rational use of electricity]. Energoekspert - Energoekspert, 2007, no. 2, pp. 16-22. (Rus.)
5. Pravila tekhnicheskoi ekspluatatsii elektroustanovok potrebitelei [Rules of technical operation of electrical consumers]. Kyiv, The Ministry of Fuel and Energy, 2007. 288 p. (Rus.)
6. Glushkov V.M. Kompensatsiia reaktivnoi moshchnosti v elektroustanovkakh promyshlennykh predpriiatii [Reactive power compensation in industrial electrical installation]. Moscow, Energy Publ., 1975. 103 p. (Rus.)
7. Syromyatnikov I.A. Rezhimy raboti asinkhronnykh i sinkhronnykh dvigatelei [Modes of operation of asynchronous and synchronous motors]. Moscow, Energy Publ., 1984. 240 p. (Rus.)
8. Epcos. TDK Europe Available at: https://en.tdk.eu (accessed 05 February 2016).
9. Burlaka V.V., Hulakov S.V. Sposib komutatsii kondensatoriv u skladi batarei kondensatoriv dlia kompensatsii reaktivnoi potuzhnosti [The method of switching capacitors composed of capacitor banks for reactive power compensation]. Patent UA, no. 106564, 2014. (Ukr.)
10. Borisov Y.M. Elektrotekhnika [Electrical engineering]. Moscow, Energoatomisdat Publ., 1985. 552 p. (Rus.)
11. Krivonosov V.E. Sposib kontroliu zmini oporu izoliatsii elektrodviguna i zhivil'nogo kabeliu [The method of monitoring changes in insulation resistance and electric cord]. Patent UA, no. 98353, 2012. (Ukr.)
Рецензент: И.В. Жежеленко
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 15.08.2016
