CC BY
29
Конесев С. Г. Konesev S. G.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
ФГБОУ ВО «Уфимский
Мухаметшин А. В. Muhametshin A. V.
аспирант кафедры «Электротехника и электрооборудование
предприятий»,
Конев А. А. A. A.
студент кафедры «Электротехника и электрооборудование
предприятий», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 621.31
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДРОССЕЛЯ РЕЗОНАНСНОЙ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Рассмотрены вопросы, связанные с оптимизацией массогабаритных показателей дросселя резонансной испытательной установки. В большей степени массу высоковольтной резонансной испытательной установки определяют электромагнитные компоненты, входящие в её состав: высокопотенциальный трансформатор и дроссель в первичной цепи. На основе расчета продолжительности проведения испытаний, проведенного на базе экспериментальных данных, показано, что резонансная испытательная установка при производстве испытаний изоляции электрооборудования функционирует в повторно-кратковременном режиме. Электромагнитные компоненты, рассчитанные для различных режимов работы испытательных установок (продолжительный, повторно-кратковременный), будут различаться по массогабаритным показателям. Произведен расчет дросселя для различных режимов работы, а также компьютерное моделирование в программном комплексе ELCUT 6.0. По результатам компьютерного моделирования получены данные о нагреве исследуемых дросселей (допустимая температура нагрева изоляции ограничена её нагревостойкостью), проведен анализ влияния температуры на омическое сопротивление обмотки дросселя, влияющее на добротность первичного контура резонансной испытательной установки. Адекватность разработанных моделей подтверждена сравнением данных, полученных в результате компьютерного моделирования, с данными, полученными в ходе проведения натурного испытания на лабораторном образце дросселя. Расхождение результатов не превышает 6 %, что позволяет сделать заключение о высокой степени адекватности разработанных моделей. Получены данные о массогабаритных показателях моделей дросселей, рассчитанных на различные режимы работы, проведено их сравнение. Сделан вывод, что дроссель, рассчитанный по результатам компьютерного моделирования, работающий в повторно-кратковременном режиме, удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым нормативно-технической документацией, и имеет лучшие массогабаритные показатели, при этом влияние нагрева на добротность резонансного контура резонансной испытательной установки находится в приемлемых пределах.
Для решения задачи при компьютерном моделировании использован программный пакет ELCUT 6.0, для подтверждения результатов моделирования — термограммы лабораторных образцов в программе Smart View 3.1 тепловизора типа Fluke Ti32.
Electrical facilmes and systems
Ключевые слова: испытательная установка, емкость объекта, резонанс, высоковольтные испытания, моделирование, техника высоких напряжений, нагревостойкость, электрические аппараты высокого напряжения, изоляция, дроссель.
MODELLING MODES INDUCTOR RESONANCE TEST SET
The problems associated with the optimization of weight and size of the resonance test rig choke. The more high-mass resonance test rig determine the electromagnetic components included in its composition: high-potential transformer and inductor in the primary circuit. On the basis of the calculation of the duration of the tests conducted on the basis of experimental data shows that the resonance test rig in the production of electrical insulation testing operates in intermittent mode. Electromagnetic components designed for different test rigs operating modes (continuous, intermittent) will vary in weight and size parameters. The calculation of the throttle, for different modes of operation and computer modeling in software ELCUT 6.0 complex. According to the results of computer simulation to obtain data on the investigated heating inductors (permissible insulation, the heating temperature is limited to its heat resistance), and analyzed the effect of temperature on the ohmic resistance of the inductor coil, affecting the quality factor of the primary circuit of the resonant test set. The adequacy of the developed model is confirmed by comparing the data obtained as a result of computer modeling with data obtained in the course of carrying out full-scale tests on a laboratory sample throttle. The discrepancy between the results does not exceed 6 %, which allows to conclude that a high degree of adequacy of the developed models. Data on weight and size chokes models designed for different operating modes, their comparison. It was concluded that a throttle calculated on the results of computer simulation of working in intermittent mode, satisfies all the requirements of normative and technical documentation, and has the best weight and overall dimensions, with the effect of heating on the resonant circuit quality factor resonance test equipment is within acceptable limits.
To solve the problem with the computer simulation software package used ELCUT 6.0, to verify the simulation results — thermograms laboratory samples in the program Smart View 3.1 type imager Fluke Ti32.
Key words: test set, the capacity of an object, resonance, high voltage testing, modeling, high voltage technics, heat resistance, high voltage electronics, insulation, inductor.
Особенностью испытаний изоляции высоковольтных электродвигателей является необходимость применения испытательных установок мощностью порядка 3-5 кВА. Изоляция высоковольтных электродвигателей является объектом большой емкости (десятки — сотни нанофарад), и мощности стандартных промышленных испытательных установок недостаточно.
Необходимую мощность обеспечивают установки высокого переменного напряжения, работающие в резонансном режиме [1, 2, 3, 4]. В известных технических решениях высоковольтных испытательных установок емкость испытуемого объекта используется для создания резонансного контура. Однако эти установки ограничены в своем применении, поскольку не могут работать с объектами малой емкости и имеют сложную конструкцию испытательного трансформатора.
Авторами предложено техническое решение резонансной испытательной установки (РИУ) [5]. Резонанс в ней создается в первичной цепи высокопотенциального испытательного трансформатора при любой емкости нагрузки посредством использования дросселя с плавной регулировкой индуктивности, что позволяет производить испытание изоляции электрооборудования как большой, так и малой емкости.
Массогабаритные показатели испытательной установки являются параметром, к которому предъявляются высокие требования, и их оптимизация является важной задачей совершенствования оборудования. Одним из самых массивных компонентов РИУ является дроссель, следственно, уменьшение его массы окажет значительное влияние на показатели всей установки. Выбрать дроссель, обладающий лучшими массогабаритными
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 12, 2016
показателями, можно опираясь на анализ различных режимов работы РИУ
Рассмотрим процесс проведения высоковольтных испытаний с помощью РИУ Общее время испытания изоляции повышенным напряжением переменного тока высоковольтных электродвигателей можно определить по формуле:
ТИСПЫТАНИЯ ~ П^Т+Т+Т+Т) = 30 мин (1)
где п — количество обмоток статора, п = 3; Т — время входа в режим, Т} ~ 0,5 мин; Т2 — время испытания высоковольтной из оляции по ГОСТ Р 52776-2007 (п. 9.2.1), Т2 = 1 мин;
Т3 — время снятия остаточного заряда, Т3 = 6 мин;
Т4 — время подготовки к проведению высоковольтных испытаний, Т = 3,5 мин. Время одного цикла
Т
Т+Т2+Т3+Т4 = 10 мин. (2)
ИСПЫТАНИЯ
После отключения высокого напряжения обмотку испытанной фазы для снятия остаточного заряда необходимо разрядить разрядной штангой через сопротивление не менее 10-50 Ом на киловольт испытательного напряжения [6] с выдержкой времени:
Т3 ~ СОБЪЕКТА ^РАЗРЯДНОЕ. (3)
Измерения показали, что емкость изоляции высоковольтных электродвигателей, эксплуатируемых на объектах нефтегазовой отрасли, находится в диапазоне от 20 до 150 нФ. Расчетное время снятия остаточного заряда для данных электродвигателей находится в пределах от 0,021 до 0,09 с, поэтому после того, как испытуемый объект разряжен с помощью разрядного устройства, рекомендуется фазу закоротить на корпус электродвигателя на время не менее 3-10 мин [7].
Таким образом, процесс проведения высоковольтных испытаний производится в повторно-кратковременном режиме, и, следовательно, целесообразно рассчитать параметры дросселя для работы именно в этом режиме, так как дроссель, рассчитанный на этот режим, будет обладать лучшими массо-габаритными показателями по сравнению с дросселем, рассчитанным на продолжительный режим работы из-за возможности использовать в обмотках дросселя провод меньшего сечения. Кроме того, следует учи-
тывать, что возможность использования дросселя РИУ в различных режимах работы ограничена нагревостойкостью изоляции, требования к которой определены нормативно-технической документацией [8, 9], а также изменением добротности колебательного контура РИУ из-за влияния нагрева на омическое сопротивление обмотки дросселя. Экспериментально установлено, что значение добротности резонансного контура в первичной цепи высокопотенциального испытательного трансформатора РИУ должно быть не меньше 6,9.
Для решения задачи оптимизации массо-габаритных показателей дросселя был смоделирован в программе ELCUT 6.0 повторно-кратковременный режим работы дросселя S3 (продолжительность одного цикла принимают равной 10 мин с продолжительностью включения 15 %), также для сравнения показателей был использован лабораторный образец дросселя, работающий в продолжительном режиме работы, (режим работы с постоянной нагрузкой и продолжительностью, достаточной для достижения теплового равновесия) [8].
Исследования содержали следующие этапы:
— исследование работы дросселя в режиме Б3 в компьютерной модели;
— исследование работы дросселя в режиме Б3 на лабораторном образце;
— сравнение результатов, полученных в ходе лабораторных испытаний и моделирования, подтверждение адекватности разработанной модели;
— расчёт дросселя с наилучшими массо-габаритными показателями на основе разработанной модели;
— сравнение массогабаритных показателей дросселей, рассчитанных под различные режимы работы.
В таблицах 1, 2 и на рисунках 1, 2 представлены результаты исследования работы лабораторного образца и компьютерной модели дросселя в повторно-кратковременном режиме работы.
Регистрация температуры при тепловизи-онном контроле (рисунок 2) осуществлялась по истечении 21,5 мин работы. Значение измеренных температур выводилось на
Таблица 1. Результаты исследования работы дросселя в повторно-кратковременном режиме работы
Время, мин 0 1,5 10,0 11,5 20,0 21,5 30,0
Температура лабораторного образца, оС 22,30 34,00 30,80 40,30 38,40 45,00 41,20
Температура компьютерной модели, оС 22,30 31,00 29,64 39,90 37,80 46,20 41,90
Таблица 2. Результаты исследования влияния температуры на добротность контура в повторно-кратковременном режиме работы
Температура, оС 20,0 34,0 40,3 45,0
Добротность 9,70 9,22 8,98 8,84
- компьютерная модель
Рисунок 1. Тепловая характеристика повторно-кратковременного режима работы
Рисунок 2. Термограммы режима S3 при t = 21,5 мин: лабораторный образец (а), компьютерная модель (б)
140 120 100 80 60 40 20 О
11,5
20
21,5
30
Рисунок 3. Тепловая характеристика компьютерной модели при повторно-кратковременном режиме работы
дисплей устройства контроля температуры тепловизора FlukeTi32. Регистрация температуры компьютерной модели также происходила по истечении 21,5 мин работы.
Основываясь на данных, полученных в ходе лабораторного испытания, был проведён анализ влияния температуры на добротность резонансного контура. Для анализа были выбраны 4 точки: одна с начальной температурой, а остальные с наибольшими температурами, полученными в течение одного цикла, соответственно Т1 = 20 оС, Т2 = 34 оС, Т3 = 40,3 оС, Т4 = 45 оС. 1
Расхождение данных, полученных в ходе лабораторных испытаний, и данных, полученных в ходе компьютерного моделирования режима работы Б3, находится в пределах 6 %, что подтверждает адекватность разработанной модели.
На основе данных, полученных в ходе тепловизионного контроля, можно сделать вывод, что наибольшая температура нагрева дросселя не превышает температуру нагре-востойкости для данного класса изоляции (класс изоляции «В» — температура нагре-востойкости 130 оС). Следовательно, возможно оптимизировать дроссель путем использования провода меньшего сечения и добиться улучшения его массогабаритных показателей, при этом не выходя за рамки предъявляемых требований.
В таблицах 3, 4 и на рисунках 3 и 4 представлены результаты исследования работы компьютерной модели дросселя с оптимизированными массогабаритными показателями в повторно-кратковременном режиме работы.
Регистрация температуры (рисунок 3) осуществлялась по истечении 21,5 мин работы. Значение измеренных температур выводилось на дисплей компьютера в программе Е1сШ; 6.0.
Основываясь на данных, полученных в ходе моделирования, был проведён анализ влияния температуры на добротность резонансного контура. Для анализа были выбраны
Таблица 3. Результаты исследования работы дросселя с наилучшими массогабаритными показателями в повторно-кратковременном режиме работы
Время, мин 0 1,5 10,0 11,5 20,0 21,5 30,0
Температура компьютерной модели, оС 22,3 102,0 94,0 113,0 104,0 124,0 115,0
8 -
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 12, 2016
Таблица 4. Результаты исследования влияния температуры на добротность контура в продолжительном режиме работы
Температура, оС 20 102 113 124
Добротность 9,70 7,37 7,15 6,97
Таблица 5. Сравнение массогабаритных показателей дросселей
Рисунок 4. Термограмма компьютерной модели дросселя режима S3 при t = 21,5 мин
4 точки: одна с начальной температурой, а остальные с наибольшими температурами, полученными в течение одного цикла, соответственно Т2 = 102 оС, Т3 = 113 оС, Т4 = 124 оС.
В таблице 5 приведено сравнение массогабаритных показателей лабораторного образца дросселя, рассчитанного на продолжительный режим работы, с показателями модели дросселей, рассчитанными на повторно-кратковременный режим. Расчётная масса дросселя, работающего в режиме Б3 и смоделированного при использовании провода меньшего сечения, меньше массы дросселя с проводом большего сечения на 2,9 %. По сравнению с лабораторным образцом дросселя, рассчитанного на продолжительный режим работы, масса была уменьшена на 11,2 %.
На основе полученных данных можно сделать вывод, что дроссель, рассчитанный по результатам компьютерного моделирования, работающий в повторно-кратковременном режиме Б3, удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым нормативно-технической
Режим работы Число витков первой катушки Диаметр провода d, мм Масса дросселя, кг
S1 300 2,24 23,29
S3 650 1,18 21,30
S3 1486 0,60 20,68
документацией, и имеет лучшие массогаба-ритные показатели, при этом влияние нагрева на добротность резонансного контура РИУ находится в приемлемых пределах.
Заключение
В процессе исследования создана компьютерная модель, позволяющая исследовать режимы работы дросселя. Данная модель дает возможность анализировать процесс нагрева элементов установки с высокой степенью точности (расхождение с данными практических исследований не превышает 6 %) без температурных испытаний оборудования, негативно сказывающихся на состоянии изоляции и требующих значительных временных затрат. Позволяет дополнить и ускорить процедуру проектирования и разработки элементов электротехнических установок, наглядно иллюстрирует протекающие в электротехнических установках физические процессы.
Список литературы
1. Конесев С.Г., Мухаметшин А.В., Кириллов РВ. Выбор схемы ВИУ для работы в резонансном режиме // Сб. науч. тр. I Междунар. (IV Всеросс.) науч.-техн. конф. Уфа: УГНТУ, 2013. С. 209-215.
2. Конесев С.Г., Мухаметшин А.В., Хазиева Р. Т., Стрижев Д.А. Новые схемотехнические решения резонансной высоковольтной испытательной установки // Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий и электроо-
борудования: межвуз. сб. науч. тр. Уфа: УГНТУ, 2012. С. 178-183.
3. Конесев С.Г., Мухаметшин А.В. Оценка влияния параметров изоляции высоковольтного оборудования на режимы работы испытательной установки [Электронный ресурс] // Электронный научный журнал «Современные проблемы науки и образования». 2015. № 2. Режим доступа: URL: www. science-education.ru/122-20794-07.08.2015.
4. Конесев С.Г., Мухаметшин А.В. Математическое моделирование резонансных режимов испытательной установки // Вести
высших учебных заведений Черноземья. 2015. № 3. С. 51-55.
5. Пат. 132213 Российская Федерация, МПК G 01 R. Компактная испытательная установка для испытания изоляции электрооборудования повышенным напряжением / Конесев С.Г., Мухаметшин А.В. (РФ). 2013108529; заявл. 10.09.13, опубл. 10.09.2013. Бюл. № 25.
6. Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования / Под ред. Ф.Л. Коган. М.: ОРГРЭС, 1998. 493 с.
7. РД-75.200.00-КТН-079-12. Положение о диагностировании, порядке технического освидетельствования и продлении срока службы энергоустановок нефтеперекачивающих станций магистральных нефтепроводов.
8. ГОСТ Р 52776-2007. Машины электрические вращающиеся. Номинальные данные и рабочие характеристики. М.: Изд-во стандартов, 2008. 7 с.
9. ГОСТ 6581-75. Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний. М.: Изд-во стандартов, 2008. — 9 с.
References
1. Konesev S.G., Muhametshin A.V., Kirillov R.V. Vybor skhemy VIU dlya raboty v rezonansnom rezhime // Sb. nauch. tr. I Mezhdunar. (IV Vseross.) nauch.-tekhn. konf. Ufa: UGNTU, 2013. Р. 209-215.
2. Konesev S.G., Muhametshin A.V., Hazieva R.T., Strizhev D.A. Novye skhemotekhnicheskie resheniya rezonansnoj vysokovol'tnoj ispytatel'noj ustanovki // Innovacionnye napravleniya razvitiya ehlektroprivoda, ehlektrotekhnologij i ehlektrooborudovaniya: mezhvuz. sb. nauch. tr. Ufa: UGNTU, 2012. Р. 178-183.
3. Konesev S.G., Muhametshin A.V. Ocenka vliyaniya parametrov izolyacii vysokovol'tnogo oborudovaniya na rezhimy raboty ispytatel'noj ustanovki [Elektronnyj resurs] // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. Elektronnyj nauchnyj zhurnal. 2015. № 2. Rezhim dostupa: www.science-education.ru/122-20794. 07.08.2015.
4. Konesev S.G., Muhametshin A.V. Matematicheskoe modelirovanie rezonansnih rejimov ispitatelnoi ustanovki // Vesti visshih uchebnih zavedenii Chernozemya. 2015. № 3. P. 51-55.
5. Pat. 132213 Rossijskaya Federaciya, MPK G 01 R. Kompaktnaya ispytatel'naya ustanovka dlya ispytaniya izolyacii ehlektrooborudovaniya povyshennym napryazheniem / Konesev S.G., Muhametshin A.V. (RF). 2013108529; zayavl. 10.09.13, opubl. 10.09.2013. Byul. № 25.
6. Sbornik metodicheskih posobij po kontrolyu sostoyaniya ehlektrooborudovaniya / Pod red. F.L. Kogan. M.: ORGREHS, 1998. 493 р.
7. RD-75.200.00-KTN-079-12. Polozhenie o diagnostirovanii, poryadke tekhnicheskogo osvidetel'stvovaniya i prodlenii sroka sluzhby ehnergoustanovok nefteperekachivayushchih stancij magistral'nyh nefteprovodov.
8. GOST R 52776-2007. Mashiny ehlektricheskie vrashchayushchiesya. Nominal'nye dannye i rabochie harakteristiki. M.: Izd-vo standartov, 2008. 7 р.
9. GOST 6581-75. Materialy ehlektroizolyacionnye zhidkie. Metody ehlektricheskih ispytanij. M.: Izd-vo standartov, 2008. 9 р.
Electrical and data processing facilities and systems. № 3, v. 12, 2016
