CC BY
4DIAGNOSTICS OF FAULTS OF ASYNCHRONOUS AUTONOMOUS GENERATORS WIND-SOLAR
POWER PLANTS
Sobol A.,
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I. T. Trubilin ", Krasnodar, Russia, associate professor
Andreeva A.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I. T. Trubilin ", Krasnodar, Russia, student
ДИАГНОСТИКА НЕИСПРАВНОСТЕЙ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ АВТОНОМНЫХ
ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Соболь А.Н.,
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина», г. Краснодар, Россия, доцент
Андреева А.А.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина», г. Краснодар, Россия, студент
Abstract
One of the problems in the operation of autonomous wind-solar power plants is associated with possible malfunctions of autonomous asynchronous wind turbine generators. The most common faults are short-circuited windings. Having a small number of them (no more than 5%), the generator continues its work. In this case, overheating of the windings is observed, which can cause the failure of the electric machine, the occurrence of fire and, at the end, the disruption of the power supply system as a whole. It is necessary to diagnose these types of malfunctions, that is, to obtain relevant information about the parameters of the generator currents and voltages.
Аннотация
Одна из проблем эксплуатации автономных ветро-солнечных электростанций, связанна с возможными неисправностями автономных асинхронных генераторов ветроустановки. Самыми распространенными неисправностями являются замкнутые на коротко витки обмотки. Имея небольшое их количество (не более 5 %), генератор продолжает свою работу. При этом наблюдается перегрев обмоток, что может послужить причиной выхода из строя электрической машины, возникновения возгорания и, на конец, нарушения системы электроснабжения в целом. Необходимо диагностировать данные виды неисправностей, то есть получить соответствующей информации об параметрах токов и напряжений генератора.
Keywords: operation, wind-solar power plant, turn circuits in the stator winding, autonomous asynchronous generator.
Ключевые слова: эксплуатация, ветро-солнечная электростанция, витковые замыкания в обмотке статора, автономный асинхронный генератор.
В большинстве районов приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в противофазе (т.е. когда светит яркое солнце, обычно нет ветра, а если дует сильный ветер, то солнца нет). Поэтому для обеспечения бесперебойного электроснабжения автономного объекта во многих случаях целесообразно использование гибридной ветросолнеч-ной электростанции.
Как указано в [1, с. 2], по сей день все еще актуальным остается вопрос использования автономных асинхронных генераторов (ААГ) с емкостным возбуждением в ветроэлектрических установках.
Ветрогенераторы используют либо для зарядки аккумуляторов, либо как не единственные в системе, т.е. перегрузок в системе с ветрогенерато-рами быть не должно, поэтому и используются простые, эффективные и надёжные асинхронные генераторы. В других системах часто нет буферов (аккумуляторов) поэтому вероятность возникновения
перегрузок достаточно высока, что и не даёт использовать асинхронные генераторы.
Асинхронные генераторы также подвержены различным техническим недостаткам как, например, нестабильностью напряжения. Кроме того, как отмечено в [2, с.3], существует еще одна возможная техническая проблема эксплуатации данного вида генераторов, связанная с возможными повреждениями в его обмотках. Так, в короткозамкнутой обмотке ротора возможно наличие поврежденных стержней. Данный вид повреждения называется обрывом стержня и может возникать из-за различных причин, например, из-за перегрева генератора.
В обмотке же статора, что описано в [3, с.2], также возможно возникновение различных повреждений. Среди данных неисправностей самыми распространенными являются замкнутые на коротко витки обмотки. Имея небольшое их количество (не более 5 %), генератор продолжает свою работу. При этом наблюдается перегрев обмоток, что
может послужить причиной выхода из строя электрической машины, возникновения возгорания и, на конец, нарушения системы электроснабжения в целом. Это все обуславливает необходимость диагностирования данных видов неисправностей, то есть получения соответствующей информации об изменении токов и напряжений генератора. Зная соответствующую информацию, можно диагностировать данный вид нарушения нормальной работы генератора на ранней стадии и, соответственно, вовремя устранить конкретную неисправность. Кроме того, этот момент приобретает особую важность в свете того, что при выходе из строя электроустановки с генератором, мы получаем соответствующий технологический ущерб.
А
При использовании автономного асинхронного генератора его привод может иметь различную механическую характеристику. Характеристика может быть «жесткой», когда число оборотов практически не зависит от нагрузки, и «мягкой», при существенной зависимости числа оборотов привода от его нагрузки.
В эксперименте асинхронный генератор приводился во вращение двигателем постоянного тока (привод генератора с «мягкой» механической характеристикой, индекс «2»,) или асинхронным двигателем (привод генератора с «жесткой» механической характеристикой, индекс «1»). Мощность приводных двигателей была соизмерима с мощность асинхронного генератора. Напряжение генератора на момент замыкания поддерживалось равным 220 В.
Искусственные замыкания между различными витками в фазных обмотках автономного асинхронного генератора создавались с помощью специальных, предварительно выведенных наружу из лобовой части обмотки статора, выводов.
Опыты показали, что при витковых и междуфазных КЗ в обмотке статора и малом числе замкнувшихся витков генератор не теряет возбуждения, а ток в короткозамкнутой части обмотки увеличивается в 5-10 раз по сравнению с номинальным. Генератор теряет возбуждение
Для асинхронных электродвигателей были проведены исследования токов при внутренних повреждениях экспериментально и моделированием. В создании устройств релейной защиты асинхронных генераторов трудность заключается в том, что пока мало исследованы процессы при внутренних коротких замыканиях (КЗ) в обмотке статора генератора и не определены информативные параметры или признаки, характеризующие соответствующие повреждения [4, с.1].
Для эксперимента была подготовлена установка с асинхронным генератором, выполненная на базе асинхронного электродвигателя с короткоза-мкнутым ротором типа 4А10084У3 (3 кВт, 1435 об/мин) [1, с.1]. Схема установки изображена на рисунке 1.
только при 15-30 % замкнутых витков в зависимости от нагрузки и величины емкости возбуждения.
На рисунке 2 показаны кривые изменения токов КЗ ААГ с приводами, имеющими «мягкую» и «жесткую» характеристики в зависимости от процентного соотношения числа замкнутых витков к числу витков в фазе (Щ %)
Ш = Щ / Wo %, где Щ - число замкнутых витков; Ш0 - число витков в фазе.
Из данных эксперимента видно, что вне зависимости от вида привода ток в замкнутых витках уменьшается при их увеличении. Уменьшение тока при малом числе замкнувшихся витков обусловлено влиянием сопротивления проводника закорачивающего витки.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлено, что при наличии в статорной обмотке автономного асинхронного генератора 3 - 15 % короткозамкнутых витков он не теряет возбуждения и продолжает питать нагрузку. При этом ток в КЗ витках превышает номинальный в 4 - 7 раз. Поэтому для асинхронных генераторов для безопасной эксплуатации асинхронных генераторов в гибридных энергоустановках, они должны иметь надежную защиту от различных неисправностей, возникающих в их обмотках.
Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
I, A SO
50
40
30
20
10
1 — ' ^—"
^ 1
ч Ч \ S _2_
S ч ч
ч ._____ \
10
20
30
40
W. %
Рисунок 2 - Кривые изменения токов КЗ витков ААГ: 1 - привод с «жесткой» характеристикой; 2 - привод с «мягкой» характеристикой
Из данных эксперимента видно, что вне зависимости от вида привода ток в замкнутых витках уменьшается при их увеличении. Уменьшение тока при малом числе замкнувшихся витков обусловлено влиянием сопротивления проводника закорачивающего витки.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлено, что при наличии в статорной обмотке автономного асинхронного генератора 3 - 15 % короткозамкнутых витков он не теряет возбуждения и продолжает питать нагрузку. При этом ток в КЗ витках превышает номинальный в 4 - 7 раз. Поэтому для асинхронных генераторов для безопасной эксплуатации асинхронных генераторов в гибридных энергоустановках, они должны иметь надежную защиту от различных неисправностей, возникающих в их обмотках.
В настоящее время имеется возможность использования устройств защиты реагирующих на несимметрию магнитного поля внутри генератора в случае виткового КЗ в статорной обмотке (при размещении кольца, охваченного ферромагнитным сердечником, внутри электрической машины) [5, с.2].
Возможно построение других защит, например, реагирующих на вибрацию корпуса генератора в случае повреждения обмотки статора или роторной обмотки. В качестве чувствительного устройства защиты, позволяющего определять и витковые замыкания обмоток статора автономного
асинхронного генератора, имеется возможность использовать устройство, основанное на использовании датчика вибрации, который крепится на корпус генератора.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Баракин Н.С. Асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора / Н.С. Баракин, А.Н. Соболь, А.А. Кумейко // Сельский механизатор, 2018. - № 7-8. - С. 48 - 49.
2. Богдан А.В. Обнаружение виткового замыкания в обмотке статора асинхронного генератора / А.В. Богдан, А.Н. Соболь, Н.С. Баракин // Сельский механизатор, 2018. - № 7-8. - С. 44 - 45.
3. Богдан А.В. Информационные признаки повреждения обмотки статора для построения релейной защиты автономного асинхронного генератора / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Известия вузов. Электромеханика, 2017. - № 6. - С. 72-76.
4. Богдан А.В. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Известия вузов. Электромеханика, 2012. - № 2. - С. 47-50.
5. Богдан А.В. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 36. - С. 322324.
