Косвенное оценивание неисправностей механической части гидрогенераторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.313

Е.В. Пугачев, М.В. Кипервассер, Ш.Р. Гуламов

КОСВЕННОЕ ОЦЕНИВАНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ

В мировой практике основным видом электрической машины, используемой для выработки электрической энергии на тепловых, атомных и гидравлических электростанциях, а также на передвижных и транспортных установках (тепловозы, самолёты и д.р.) являются синхронные генераторы, на долю которых приходится более 90% производимой сегодня электроэнергии [1].

Параметры генераторов зависят от типа электростанции и используемого привода.

Например, мощные синхронные генераторы, работающие на гидроэлектростанциях, характеризуются низкими номинальными частотами вращения, а следовательно увеличенными габаритами, массами вращающихся частей и повышенным вращающим моментом. Элементы и узлы таких электрических машин, как правило, выполняются на заводе-изготовителе, а сборка агрегатов осуществляется непосредственно на электростанции.

Синхронные генераторы, используемые на гидроэлектростанциях, обычно имеют вертикальное исполнение, и в зависимости от расположения подпятника могут быть зонтичного или подвесного типов.

Синхронные генераторы и гидротурбины, работающие как на крупных так и на маломощных гидроэлектростанциях, подвергаются большому количеству внешних воздействий в виде разного рода механических и электрических нагрузок.

Электрические нагрузки формируются токами, протекающими по обмоткам статора и в роторной цепи, а также коммутационными и иными перенапряжениями в цепях статора и ротора.

Механические нагрузки возникают при передаче рабочего момента от вала гидротурбины на ротор синхронного генератора, от веса вращающихся частей, воспринимаемого опорными подшипниками (подпятниками) агрегата, от других осевых усилий, в том числе нагрузки от гидроударов, от дополнительных усилий, вызываемых вибрационными и иными явлениями (кавитация).

Оценивая существующие способы защиты гидроагрегатов можно отметить, что контроль функционирования электрической части осуществляется в достаточно полном объёме с замером электрических параметров и контролем всех возможных аварийных ситуаций.

В то же время контроль и защита механической части гидроагрегата ограничивается набором технологических защит путём измерения следующих параметров: перегрев сегментов подпятника, направляющих подшипников генератора и гидротурбинного подшипника; аварийное снижение

давления и снижение уровня масла в маслонапор-ном устройстве.

К технологическим относятся также двухступенчатая защита от разгона агрегата и вибрационная защита основных узлов гидроагрегата. Наиболее ответственным и уязвимым узлом гидроагрегата является опорный подшипник (подпятник), на который передаются все усилия от веса вращающихся частей гидроагрегата.

В сравнении с набором возможных причин, приводящих к авариям механической части, защиту гидроагрегата стандартными методами следует признать недостаточной.

В этой связи, учитывая тяжесть возможных последствий аварийных ситуаций на электротехнических комплексах, имеющих в своём составе гидротурбину и синхронный генератор, работающий параллельно с сетью, разработка дополнительных средств автоматической защиты от недопустимых режимов является актуальной задачей.

Известно, что для контроля и защиты от аварийных режимов механической части электротехнического комплекса, имеющего в своем составе электрическую машину, можно использовать косвенные методы, основанные на измерении электрических параметров рассматриваемой электротехнической системы [2, 3].

Разработка подобных схем защитыможет быть основана на предварительной оценке изменения контролируемых электрических и технологических параметров в различных аварийных режимах.

По причине невозможности воспроизведения аварийных ситуаций на реальном объекте, для получения таких оценок наиболее приемлемым средством может служить математическая модель электротехнического комплекса, имеющего в своем составе гидравлическую турбину малого расхода и синхронный генератор, работающий параллельно с сетью.

Получение такой модели является весьма сложной задачей.

Поэтому эффективным может быть использование мощных чисто математических и объектно-ориентированных пакетов программ таких например как, математический пакет Mathematica, MatLab- интерактивная система для выполнения инженерных и научных расчетов, MathCad - среда для выполнения на компьютере разнообразных математических и технических расчетов, Model Vision Studium- компьютерная лаборатория для моделирования и исследования сложных динамических систем, Work Bench - пакет разработки

электрических схем и других, позволяющих автоматизировать процессы синтеза и анализа изучаемых объектов» [4].

Математическое описание синхронного генератора с целью разработки алгоритма построения структуры рассматриваемой системы и расчета её параметров, выполнено по известным уравнениям [5], [6].

Взаимные индуктивности Ма/, М между обмоткой возбуждения и фазными обмотками статора определяются системой уравнении:

МаГ = магаСозу;

2п

мьг — маМ^(у - у);

2п

мсг — МаГа^(у + т), (1) где у - угол между магнитной осью фазы статора и продольной осью ротора у —

1 - произвольный момент времени.

Амплитуды и действующие значения ЭДС фаз обмоток статора определяются выражениями:

Ета = ш1МаТЬ; Еа =

аМ;

ЕтЬ = Еь =

а Л'

ЕтЬ

V2 ;

Еп

Етс — ш-М^; Ес — (2)

где ш- — 2nf - угловая скорость вращения ротора;

- ток возбуждения. Взаимная индуктивность Ма^ обмотки возбуждения с фазой обмотки статора определяется по выражению:

МпГИ —

а?й пк8к^3 р

(3)

где - магнитная постоянная; т - полюсное деление; 15 - расчетная активная длина машины;

- число витков обмотки возбуждения; к^ - обмоточный коэффициент обмотки возбуждения;

■ш-- число последовательных витков обмотки статора;

коб - обмоточный коэффициент обмотки статора;

кд - коэффициент зазора; кцй - коэффициент насыщения магнитной цепи по продольной оси;

3 - величина воздушного зазора между полюсным наконечником и статором; р - число пар полюсов машины. Поскольку трехфазная обмотка машины принимается полностью симметричной, то взаимная индуктивность всех фаз с обмоткой возбуждения будет одинаковой МаГа=МЬГй=МсГа.

Индуктивные сопротивления реакции якоря соответственно по продольной и по поперечной осям, ха и Хц, определяется из уравнений:

_ 4т1/^от15ш02к06ка

Хн —-;

пк83рк^й

_ 4т.1/у.от1аш0к0;бкд

1 пк58рк^ч ,

(4)

(5)

где ка, кч - коэффициенты реакции якоря соответственно по продольной и поперечной осям.

Взаимные индуктивности между обмотками фаз статора определяется системой уравнений:

2п„

МаЬ —™.0 + 12С052(у -—);

2п„

МаС = ™.0 + 12С052(у + у); МЪс — т0 + 12СОБ2У, где к = ™-2 — Ьц) -

(6)

- минимальная величина амплитуды индуктивности, определяемой

по уравнениям;

, ха „

ь^ — — - индуктивность по продольной оси;

1 _ хч

ьа — — - индуктивность по поперечной оси.

Действующие значения напряжения на зажимах фаз обмоток статора синхронного генератора принимаются равными напряжению сети.

Мощность, отдаваемая в сеть синхронным генератором, вычисляется по выражению [6]:

Р —

Бт2в, (7)

хй 2 \xq хй/

где ис — напряжения сети;

Е-ЭДС синхронного генератора; в - угол сдвига фаз между напряжением сети и ЭДС синхронного генератора.

Действующие значение фазных токов обмотки статора определяются по выражению [6]:

_ Р _ изтв 1ф — +

хд хй/

-\sin2e

(8)

Механические параметры гидроагрегата определяются из уравнений движения [7]: (1 + Тэр)М — р(ш0 — ш-);

АМ—]^, (9)

м — м

"т 1 'эм

где Мт - момент создаваемой гидротурбиной;

Мэм - электромагнитный момент, создаваемый током статора синхронного генератора [7].

Мэм — 3Се1Ф, (10)

АМ - изменение момента, вызванное неисправностью механической части синхронного гидрогенератора;

I - фазный ток статора синхронного генератора;

Се - конструктивный коэффициент;

Ф - магнитный поток, создаваемый током возбуждения синхронного генератора.

Алгоритмическая структура, соответствующая уравнениям (1-10) рассматриваемого электротехнического комплекса, приведена на рисунке 1.

Полученная алгоритмическая структура отличается от известных тем, что содержит две взаимосвязанные составляющие:

2

и

-математическая модель входящей в состав электротехнического комплекса электрической машины (явнополюсного синхронного генератора);

— математическая модель механической части комплекса, представленная в виде двухмассо-вой системы.

Связующими параметрами между двумя указанными составляющими модели являются фаз-

ныйток обмотки статора и момент создаваемый гидротурбиной.

Постоянными величинами при моделировании являются частота вращения ротора гидрогенератора (^1).

Входной переменной является изменение момента, вызванное неисправностью механической части синхронного гидрогенератора (ДМ).

Выходными исследуемыми параметрами модели являются электрические параметры генератора: фазный ток (ф и угол сдвига фаз между напряжением сети и ЭДС синхронного генератора (0). Исследуемым параметром также является величина отклонения момента гидротурбины в аварийных режимах (Мт).

На приведенной схеме прияты следующие обозначения: 1- блок задания с выдержкой времени; 2- блок задания постоянной величины; 3-блок перехода с одной системы координат в другую [выходной сигнал блока моделирует момент турбины]; 4- блок суммирования; 5- блок ввода за-

данных постоянных величин; 6- блок измерения исследуемых параметров; 7- блок задания математического выражения [блоки моделирование величин тока, момента и угла 9];

Разработанная математическая модель позволила получить в среде МЛТЬЛБ переходные процессы электрических и механических параметров агрегата, вызванные возникновением неисправности механической части (разрушение опорного

подшипника). В численных экспериментах использовались данные генератора малой мощности со следующими параметрами: тип СГ-15, номинальная полная мощность 17 кВА, номинальное напряжение 0,4 кВ, номинальный ток 25 А. В ходе эксперимента моделировалась аварийная ситуация с заклиниванием и разрушением опорного подшипника ротора гидравлической турбины. В качестве эталонного принято отклонение момента на валу турбины, вызванное аварийным событием, не выше 15% от номинального, что является вполне приемлемым для моделируемой турбины с диаметром колеса 0,42 м. Графики тока статора синхронного генератора, электромагнитного момента создаваемого током статора синхронного генератора, угол в синхронного генератора, при неизменном открытии задвижки напорного водовода, показаны на рис.2 и 3.

Характеристики переходных процессов, приведенные на рисунках 2 и 3 показывают, что уменьшение момента гидротурбины приводит к уменьшению угла в синхронного генератора и

Рисунок 1. Алгоритмическая структурная схема агрегата, имеющего в своём составе гидротурбину и синхронный генератор: (механическая часть -I); (электрическая часть -II)

Рисунок 2. Переходной процесс изменения тока статора синхронного генератора (а) и момента гидротурбины (б) при механическом повреждении опорного подшипника

а)

б)

а)

б)

Рисунок 3. Переходной процесс изменения угла в синхронного генератора (а) и величина угла открытия задвижки напорного водовода (б)

снижению тока статора.

Поскольку синхронный гидрогенератор работает параллельно с сетью, в момент механической поломки синхронная скорость и напряжение синхронного генератора остается неизменными, и поддерживаются за счет электрических параметров сети бесконечной мощности.

Механическая поломка приводит к уменьшению момента на валу гидротурбины, что связанно с увеличением момента сопротивления, создаваемого механической неисправностью. Уменьшение момента на валу гидротурбины приводит к уменьшению угла 9 синхронного генератора, ис-ледовательно уменьшению тока статора синхронного генератора.

Из полученных графиков переходных процессов при работе синхронного генератора параллельно с сетью следует:

- моменты времени начала переходных процессов контролируемых значений тока, электромагнитного момента и изменения угла в совпадают с временем возникновения аварийной ситуации.

- изменение электрических параметров при неизменном угле открывания задвижки означает наличие аварийной ситуации в рассматриваемом электротехническом комплексе.

- переходные процессы носят апериодический характер.

- время протекания переходных процессов и

постоянная времени переходного процесса в цепи тока статора составляют соответственно 0,8 с. и 0,2 с.

- отклонение от номинального значения тока статора синхронного генератора при аварийном режиме, при неизменном угле открытия задвижки составляет около 45%, что является достаточным для его фиксации и выработки аварийного отключающего сигнала.

- быстродействие срабатывания защиты при значении постоянной времени (0,2с) не будет превышать 0,3...0,4 секунды, что вполне достаточно для предотвращения развития аварийной ситуации на ранней стадии.

Таким образом, полученные в ходе моделирования оценки параметров синхронного генератора, работающего параллельно с сетью и сопряженного с гидравлической турбиной, позволяют установить наличие устойчивой связи между происходящими аварийными событиями механической части и электрическими параметрами агрегата.

В свою очередь наличие такой связи даёт возможность использовать отклонения электрических параметров в аварийных режимах для косвенной оценки и защиты гидроагрегата от механических повреждений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. История электротехники / под ред. И.А. Глебова - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 524 с.: ил.

2. Пугачев Е.В. Кипервассер М.В. Гуламов Ш.Р. Динамические характеристики системы гидротурбина - синхронный генератор работающей на автономную нагрузку в аварийных режимах. / Вестник Таджикского национального университета, 2014, № 1/2 (130).с. 117-124.

3. Пугачев Э.В. Кипервассер М.В. Аниканов Д.С. Контроль работоспособности конвейерного транспорта посредством регистрации параметров электропривода. / Вестник Кузбасского государственного технического университета, 2013, №3. с. 101-105.

4.Ещин Е.К. Электромеханические системы многодвигательных электроприводов. Моделирование и управление. -Кемерово: Кузбасский гос.техн.ун-т, 2003. -247 с.

5. Осин И.Л. Шакарян Ю.Г. Электрические машины: Синхронные машины: Учебное пособие для вузов по спец. «Электромеханика» / И.П. Копылов. - М.: Высшая школа, 1990. - 304 с.: ил.

6. Вольдек А.И. Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2008 - 349 с.: ил.

7. ОнищенкоГ.Б. Электрический привод. Учебник для вузов - М.:РАСХН. 2003. - 320 с.: ил.

Авторы статьи:

Пугачев Емельян Васильевич,

доктор технических наук., профессор, зав. каф. электромеханики (Сибирский государственный индустриальный университет) , тел: (3843) 74-86-37

Кипервассер Михаил Вениаминович,

кандидат технических наук, доцент, зав. каф. электротехники и электрооборудования (Сибирский государственный индустриальный университет), тел: (3843) 46-23-88

Гуламов Шухрат Рахматуллоевич, аспирант кафедры электромеханики

(Сибирский государственный индустриальный университет),

Поступило в редакцию 16.03.2015