CC BY
18АНАЛИЗ МЕЖФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯ В ОБМОТКЕ СТАТОРА АВТОНОМНЫХ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Соболь А.Н.,
Кандидат технических наук., доцент ФГБОУВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
Андреева А.А. Студентка факультета энергетики ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
ANALYSIS OF INTERPHASE SHORT CIRCUITS IN THE STATOR BLOCK OF AUTONOMOUS ASYNCHRONOUS GENERATORS WIND POWER PLANTS
Sobol A.,
Candidate of Technical Sciences., Associate Professor FSBEI HE Kuban SA U, Krasnodar, Russian Federation
Andreeva A. student of the Faculty of Energy FSBEI HE Kuban SA U, Krasnodar, Russian Federation
Аннотация
На данный момент не потерял актуальность вопрос использования автономных асинхронных генераторов с емкостным возбуждением. В частности, данные генераторы могут использоваться в ветроэлектрических установках. Существует очень небольшое количество защит электрических машин от внутренних коротких замыканий в статорной обмотке. Для разработки устройства защиты генератора целесообразно провести анализ токов и напряжений при соответствующих повреждениях. В статье рассмотрены повреждения в статорной обмотке генератора, а именно межфазные короткие замыкания.
Abstract
At the moment, the issue of using autonomous asynchronous generators with capacitive excitation has not lost its relevance. In particular, these generators can be used in wind power plants. There are very few protections for electrical machines against internal short circuits in the stator winding. To develop a generator protection device, it is advisable to analyze the currents and voltages in case of corresponding damage. The article deals with damage in the stator winding of the generator, namely, phase-to-phase short circuits.
Ключевые слова: повреждения, короткие замыкания, автономный асинхронный генератор, ветроэлектрическая установка.
Keywords: damage, short circuits, autonomous asynchronous generator, wind power plant.
В настоящее время актуальным остается вопрос использования автономных асинхронных генераторов (ААГ) с емкостным возбуждением в ветроэлектрических установках [8].
Асинхронные генераторы устойчивы к коротким замыканиям, а устройства автоматической регулировки напряжения сглаживают перепады напряжения [9].
В процессе эксплуатации электрической машины ее изоляция неизбежно "стареет". Основными причинами этого являются: нагревание обмоток рабочими и пусковыми токами, токами короткого замыкания (КЗ) и перегруза, теплотой от посторонних источников; динамическими усилиями, возникающими при взаимодействии проводников с током, коммутационными перенапряжениями. На состояние изоляции большое влияние оказывают также условия окружающей среды -температура и влажность воздуха, загрязненность и запыленность [1].
Применение надежной и эффективной защиты от аварийных режимов работы значительно сократит количество и частоту аварийных ситуаций и
продлит срок службы ААГ, сократит эксплуатационные расходы [1]. Для того чтобы выбрать эту защиту необходимо знать, как защищать генератор, а также специфику процессов, протекающих в нем при повреждениях [2].
Ориентация на методы аналитического исследования без широко поставленного эксперимента недостаточна и не может обеспечить полноценных результатов при изучении режимов работы электрических машин, в частности их повреждений. Экспериментальные исследования позволяют сформулировать требования к устройствам защиты, а также дать экспериментальный материал для определения области применения используемых математических моделей работы ААГ в нормальном режиме и при возникновении неисправностей [6, 7].
В статье рассмотрены повреждения в статор-ной обмотке ААГ, а именно межфазные короткие замыкания.
Для моделирования различных видов коротких замыканий внутри обмотки статора генератора была создана установка. В ней в качестве объекта
исследования используется асинхронный генератор, выполненный на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа 4Л10084У3 (3 кВт, 1435 об/мин, номинальным током 6,7 А, коэффициентом мощности, равным 0,65, количеством витков в фазе 210) [3].
Привод ААГ может быть различным. В частности, его приводом может быть ветроустановка. Её моментная характеристика не обладает жесткостью. Поэтому в экспериментальной установке использовалось два варианта привода: асинхронный электродвигатель АД (система с «жестким» приводом, (л) ~ СОПБ'Ь) и двигатель постоянного тока (ДПТ) с изменяемой в некоторых пределах угловой скоростью («не жесткая» система, Ю — У<Э.Г). В случае вращения ААГ от ДПТ напряжение генератора поддерживалось равным 220 В. ААГ возбуждался от батареи конденсаторов, соединенных треугольником.
При определенных допущениях емкость конденсаторов возбуждения определяется следующей формулой [4]
где Рн - мощность, отдаваемая генератором;
ис- напряжение на конденсаторах;
f - частота тока;
фг и ф^ - углы сдвига фаз между напряжениями и токами генератора и нагрузки;
111 - число фаз.
В целом точный расчет потребной емкости относительно сложен. Однако с достаточной для практики точностью можно пользоваться значениями, рекомендованными в [5]. В нашем случае принимаем емкость самовозбуждения 40 мкФ.
Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Здесь АГ - асинхронный генератор, ПД - приводной двигатель, С1 и С2 - конденсаторные батареи соответственно 30 % и 70 % от номинального значения (для изменения емкости самовозбуждения генератора). В ходе экспериментов производились замыкания между витками в одной фазе или разных фаз. Измерялись емкостные токи 1емкА, 1емкВ, 1емкС; токи генератора IA, IB, IC для фаз А, В, С соответственно; ток короткого замыкания 1кз; токи нагрузки 1нгА, 1нгВ, 1нгС. Для изучения изменений данных величин производилось их осциллографирование.
Для проведения эксперимента в каждой фазе обмотки статора выполнено по 6 выводов (отпаек) медным проводом с поперечным сечением в несколько раз большим сечения провода обмотки [1].
В таком случае, можно осуществлять различные сочетания как витковых, так и межфазных замыканий до 50% витков в обмотке [2].
На рисунке 2 показаны осциллограммы токов и напряжений при витковом замыкании между фазами «А» и «В» (система Ю = COIlSt). В данном
случае мы имеем межфазное замыкание, при котором в фазе «А» замкнуто 3 % витков, а в фазе «В» 10%. При других соотношениях числа замкнутых витков наблюдаются аналогичные процессы [2].
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
При этом наблюдается уменьшение токов в фазах. Ток КЗ в данном случае в 4,6 раза больше номинального (рисунок 3) [1].
Случай 3% КЗ витков в фазах «А» и «В» показан на рисунке 4.
Было установлено, что в случае привода от АД, в отличие от привода от ДПТ с увеличением
нагрузки ток в поврежденной фазе уменьшается. С увеличением емкости самовозбуждения токи 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 фаз- привода от АД с увеличением емкости самовозбуж-
ному току для привода с ДПТ. Аналогичный харак- дения растет в отличие от привода генератора от
тер имеют зависимости тока в установившемся ре- ДПТ [2]. жиме для неповрежденных фаз. Ток КЗ в случае
Рисунок 2
Осциллограммы изменения величин ААГпри 3% КЗ витков в фазе «А» и 10% КЗ витков в фазе «B»
0.2 0.4 0/6 0.8 и Рисунок 3 - Изменение тока КЗ
Рисунок 4 - Осциллограммы изменения величин ААГ при 3% КЗ витков в фазах «А» и «В»
Список литературы
1. Богдан А.В. Диагностика повреждений обмотки статора автономного асинхронного генератора [Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Известия вузов. Электромеханика. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, 2013. - № 1. - С. 70-71.
2. Богдан А.В. Информационные признаки повреждения обмотки статора для построения релейной защиты автономного асинхронного генератора
[Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Известия вузов. Электромеханика. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, 2017. - № 6. - С. 72-76.
3. Богдан А.В. Обнаружение виткового замыкания в обмотке статора асинхронного генератора [Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь, Н.С. Баракин // Сельский механизатор - М.: ООО «Нива», 2018. -№ 7-8. - С. 44 - 45.
4. Пат. 66127 и1 Российская Федерация, МПК Н 02 К 11 00, Н 02 Н 7 08. Устройство для дифференциальной защиты асинхронного генера-тора[Текст]. / Соболь А. Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет. - № 2006147115/22; заявл. 27.12.06; опубл. 27.08.07, Бюл. № 24. - 4 с.
5. Пат. 2313890 Российская Федерация, МПК 51 Ш2М 7/08, H02H 3/28. Устройство для Устройство для дифференциально-фазной защиты [Текст]. / Богдан А.В., Соболь А. Н.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет. - № 2006124282; заявл. 06.07.2006; опубл. 27.12.2007, Бюл. № 36. - 5 с.
6. Бубенчикова Т.В. Выбор электрогенераторов для ВЭУ [Текст] / Т.В. Бубенчикова и др. // Международный научно-исследовательский журнал. - Екатеринбург, 2016. - № 12. - С. 43 - 50.
7. Григораш О.В. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии [Текст] / О.В. Гри-гораш, Ю.И. // Промышленная энергетика. - М., 2001. - № 4. - С.37-40.
