CC BY
28
ЭНЕРГЕТИКА POWER ENGINEERING
УДК 621.316.925 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-3-51-58
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОГО ПРИВОДА ПРИ СНИЖЕНИИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
SIMULATION OF THE GATED AND INDUCTOR DRIVE THE REDUCTION OF INSULATION RESISTANCE
© 2016 г. П.А. Конаков
Конаков Павел Андреевич - аспирант, кафедра «Электриче- Konakov Pavel Andreevich - post-graduate student, department
ские станции и электроэнергетические системы», Южно- «Power Plants and Power System», Platov South-Russian State
Российский государственный политехнический университет Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail:
(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. pavel_konakov@mail.ru E-mail: pavel_konakov@mail.ru
Рассматривается модель вентильно-индукторного привода (ВИП) с повреждениями изоляции на различных участках. Приводится описание объекта моделирования. Рассмотрены признаки, характеризующие повреждение изоляции на участках питания ВИП и фазах индукторного двигателя. Выполнен сравнительный анализ результатов моделирования и экспериментальных исследований.
Ключевые слова: сопротивление изоляции; токи утечки; вентильно-индукторный привод; индукторный двигатель; комбинированная сеть; защита от токов утечки; наложенное напряжение.
In article the model of the gated and inductor drive (GID) with insulation failures on different sections is considered. The description of object of simulation is provided. The signs characterizing insulation failure on supply sections the VIP and phases of the inductor engine are considered. The comparative analysis of results of simulation and the pilot studies is made.
Keywords: insulation resistance; leakage currents; gated and inductor drive; inductor engine; combined network; protection against leakage currents; superimposed voltage.
Безопасность эксплуатации электрообору- б) поражения вследствие непосредственно-
дования и надежность снабжения потребителей го прикосновения или недопустимого приближе-
электрической энергией являются одними из ния к частям, находящимся под напряжением.
основных требований, предъявляемых к электро- Вентильно-индукторный привод - это от-
техническим установкам всех отраслей промыш- носительно новый тип электромеханического
ленности. Особые требования по электробезо- преобразователя энергии, который сочетает в
пасности предъявляются к электроустановкам, себе свойства и электрической машины, и интег-
используемым в горных работах [1]. рированной системы регулируемого электропри-
Условия безопасной эксплуатации тесно вода [2, 3]. К достоинствам ВИП можно отнести
связаны с состоянием изоляции электрической следующее: простота и технологичность конст-
сети и установки. Как известно, поражения элек- рукции индукторного двигателя (ИД), высокая
трическим током в установках напряжением до надежность, высокий КПД, возможность работы
1000 В чаще всего бывает двух видов: на высоких частотах вращения, возможность
а) поражения, вызванные прикосновением оптимального управления процессом электроме-
к конструктивным металлическим частям элек- ханического преобразования энергии для кон-
трических установок или корпусам приемников, кретного нагрузочного устройства. Таким обра-
оказывающихся под напряжением в результате зом, ВИП, как правило, используется в тяжелых
повреждения электрической изоляции; условиях работы. Соответственно, высока веро-
ятность повреждения изоляции. Обеспечение контроля изоляции и защиты от пробоя изоляции на корпус регламентировано руководящими документами [4, 5].
В настоящее время вентильно-индуктор-ный привод (ВИП) получает все большее распространение в различных отраслях промышленности. Данный вид привода целесообразно использовать в системах для удовлетворения собственных нужд ТЭС, ГЭС, АЭС и подстанций, а также на других энергетических и промышленных предприятиях.
Целью статьи является получение информативных признаков повреждения изоляции ВИП с помощью компьютерной модели. Полученные признаки целесообразно положить в основу разрабатываемого защитно-диагностического устройства контроля сопротивления изоляции и защиты от токов утечки ВИП.
Вентильно-индукторный привод в совокупности с системой питания условно можно определить как комбинированную электрическую систему. Данную систему можно разделить на три участка:
- участок переменного тока;
- звено постоянного тока;
- фазы индукторного двигателя.
Контроль сопротивления изоляции и защита от токов утечки участка переменного тока и звена постоянного тока в отдельности сложности не представляют. Однако технические решения того же назначения для индукторных двигателей (ИД) отсутствуют.
Из существующих устройств для защиты ИД возможно применение устройства защиты от токов утечки аппарата типа «АРГУС» [6]. Данный аппарат был внедрен в опытную эксплуатацию для защиты ВИП на объекте ОАО «АЛРОСА». Однако в этом аппарате отсутствует функция селективного определения места повреждения. Также отсутствует возможность интегрирования его в АСУ ТП предприятия для дистанционного управления устройством и мониторингом состояния изоляции.
В настоящее время в связи с использованием микропроцессорной техники целесообразно создать комплексное устройство контроля изоляции и защиты от токов утечки ВИП в целом. При этом целесообразно решить задачу селективного определения мест повреждения изоляции путём выявления признаков, характеризующих места повреждения.
С целью решения указанной задачи разработана компьютерная модель ВИП с повреждениями изоляции на вышеуказанных участках и в ИД.
Объектом моделирования (защиты) является ВИП мощностью 1250 кВт (ВИП-1250), разработанные компанией ООО «МИП «Мехатро-ника»».
Данный ВИП целесообразно использовать на шаровых мельницах пылеугольных тепловых электростанций (ТЭС).
ВИП представляет собой электромехатрон-ную систему, структурная схема которой показана на рис. 1.
ВИП подключен к сети напряжением 6 кВ через трехобмоточный разделительный трансформатор Т1. К выходным обмоткам трансформатора подключены выпрямители В1 и В2. Выпрямленное напряжение подается через звено постоянного тока (ЗПТ) на вход инверторов ИНВ1.1, ИНВ2.2. Выходы инверторов ИНВ1.1, ИНВ1.2 подключены к полуобмоткам фаз индукторной машины М, работающей в режиме двигателя. Выходы ИНВ2.1, ИНВ2.2 подключены к полуобмоткам индукторной машины G, работающей в режиме генератора. Инвертор собран для каждой фазы по несимметричной мостовой схеме. Коммутация фаз осуществляется по сигналам датчика положения ротора.
Напряжение с вторичных обмоток трансформатора Т1 подается на вход блока управления. В случае управления двигателями мощностью 1250 и 1600 кВт используются два блока управления.
Моделирование ВИП осуществлялось в программе Ма^аЬ 2014, раздел Simulink. На рис. 2 показана обобщенная структурная схема модели ВИП.
Разработанная модель ВИП-1250 включает в себя: источник высокого напряжения 6,3 кВ, трансформатор с двумя вторичными обмотками, блок управления индукторным двигателем, а также 6 фаз индукторного двигателя (ИД). Блок управления состоит из двух трехфазных неуправляемых выпрямителей, звена постоянного тока, 6-фазного инвертора.
Параметры ВИП - 1250, принятые при моделировании:
- номинальная мощность ВИД - Ри = 1250 кВт;
- номинальное напряжение инвертора -ии = = 930 В;
- номинальная частота вращения - 200 об/мин;
- максимальная частота вращения - 240 об/мин;
- число фаз ВИД - т = 6.
- фаза состоит из двух электрически не связанных полуфаз.
Таблица 1
Параметры обмоток ВИП-1250
Ток в фазе Индуктивность фазы Сопротивление фазы Конфигурация ИД
1ф, A L33 Гн L3-nj Гн R, Ом Ns / NR
800 27,8 5,18 0,044 24/16
Управление ВИП осуществляется с помощью однополярных импульсов напряжения изменяемой частоты (рис. 3).
Алгоритм коммутации фаз - парно симметричный (AEF-ABF-DBC-DEC-AEF-...). Данный алгоритм коммутации фаз применялся при моделировании исследуемого ВИП.
Рис. 1. Структурная схема ВИП-1250
IN+ OUT+
Ш- оит-
IN+
Ш-
А + А-В+ В-с+ с-
D+ D-Е+ Е-F+ F-
7
-»-VW-W^
8
9
»-A/W-W^ 10
ii
12
Рис. 2. Структурная схема модели ВИП-1250: 1 - источник высокого напряжения 6,3 кВ; 2 - силовой трансформатор; 3, 4 - трехфазные выпрямители; 5 - звено постоянного тока; 6- инвертор напряжения; 7... 12 - фазы индукторного двигателя
DA DA DA DA DA DA
EBEBEBEBEBEB
С F
Рис. 3. Последовательность возбуждения 6-фазного ИД
Допущения, принятые при моделировании:
- индуктивность полуфазы ВИП постоянна и равна 3,46 мГн;
- активное сопротивление полуфазы 0,005 Ом;
- активное сопротивление шин и контактов
0,35 Ом;
Экспериментальные данные
1ф/2,. 600 400
-200 -400 -600
—*»
1
/
0,02 *, c
Рис. 4. Экспериментальная осциллограмма тока и напряжения фазы ИД: 1 - график тока фазы ИД; 2 - график напряжения фазы ИД
- активное сопротивление изоляции каждой фазы на стороне переменного тока, постоянного тока и фазы ИД принято равным 1 МОм;
- сопротивление резисторов ФП принято равным 100 кОм;
- в модели не учитывается вращение ротора.
Адекватность модели определена путем сопоставления результатов моделирования тока и напряжения в фазах индукторного двигателя (ИД) с данными, полученными экспериментально. На рис. 4 показаны экспериментальные осциллограммы тока и напряжения в фазе ИД, а на рис. 5 - полученные с помощью разработанной модели.
Данные компьютерной модели
Сф, В
1500
800
600 1000
400
500
200
0
0
-200
-400 ■500
-600
■1000
-800
-1000 ■1500
0.1 S СИ 61 0.162 0.163 1164 0.165 1166 0.167 1168 0.168 117
Рис. 5. Осциллограмма тока и напряжения фазы ИД, полученная при моделировании ВИП: 1 - график тока фазы ИД; 2 - график напряжения фазы ИД
С
F
С
F
С
F
С
F
С
F
С
0
0
0,005
0,01
0,015
Характер полученных при моделировании токов и напряжений фаз ИД совпадает с характером реальных токов и напряжений фаз ИД. Соответственно, можно сделать вывод, что разработанная компьютерная модель ВИП адекватна, и её можно использовать для выявления информативных признаков повреждения изоляции.
Для выявления информативных признаков повреждения изоляции ВИП предлагается использовать резистивный фильтр присоединения (ФП), который показан на рис. 6.
А В С
I ч =-
V3Uф
К + ^фП
где иф - фазное напряжение сети; Rч - расчетное сопротивление человека (1 кОм); - эквивалентное сопротивление ФП.
Соответственно, эквивалентное сопротивление ФП можно найти по следующей формуле:
л/зи,
- R
Коэффициент преобразования ФП приблизительно равен:
k = U вх
кфП =
= 1 + -
R
ф
U 3R
и вых -'Лиз
Также следует отметить, что ФП можно подключать на звене постоянного тока (ЗПТ), рис. 7.
R&,
1
Rt,
Rw
UB1
Рис. 6. Трехфазный ФП
ФП подключается на участке переменного тока (УПТ). В зависимости от величины RФ ФП измеряет напряжение или ток нулевой последовательности. Для измерения напряжения (тока) нулевой последовательности в общий проводник включается измерительный резистор Rиз.
ФП рассчитывается исходя из обеспечения безопасности эксплуатации комбинированной электрической сети с изолированной нейтралью в случае прикосновения человека к токоведущим частям [7 - 11]:
Iб *Iч;
Рис. 7. Двухфазный ФП
В данном случае прикладываемое напряжение к резисторам ФП при отсутствии утечек равно:
и
U ФП
_ w ЗПТ
2
где и ЗПТ - напряжение на ЗПТ.
При замыкании одного полюса на землю:
иФП U3nT .
Коэффициент передачи ФП в данном случае будет равен:
k = ^ = 1 +. КФ
кФП - - 1 +
2R
Коэффициент преобразования ФП выбирается исходя из максимального тока, протекающего через человека при прикосновении к токове-дущим частям, допустимого диапазона входного напряжения АЦП и входных параметров защитно-диагностического устройства.
При использовании источника наложенного напряжения сопротивление ФП не должно превышать десятки килоом, так как это повлечет за собой увеличение мощности источника наложенного напряжения. Данный ФП условно на-
ч
зван низкоомным. С помощью данного ФП целесообразно осуществлять контроль уровня сопротивления изоляции. Однако выходной сигнал низкоомного ФП составляет единицы мВ, что делает затруднительным аппаратный анализ гармонического состава указанного сигнала. В результате функция селективного определения места замыкания при использовании низкоомно-го ФП практически не реализуема.
С целью реализации функции селективного контроля сопротивления изоляции предложено использовать второй ФП с сопротивлением плеча в единицы МОм. Этот ФП условно назван высокоомным. Выходной сигнал высокоомного ФП составляет единицы вольта. Комбинация двух указанных ФП позволяет осуществить функции контроля и селективного определения места повреждения изоляции.
Оба ФП должны подключаться к одному и тому же участку (звену) питающей сети. В противном случае имеет место взаимное влияние ФП, приводящее к неправильной работе устройства контроля.
Подключение ФП более целесообразно на стороне звена постоянного тока, что будет пояснено ниже. В случае подключения ФП на участке переменного тока, прикладываемое напряжение к резисторам ФП и рассеиваемая на них мощность будут меньше, нежели при подключении ФП к звену постоянного тока.
Исследование компьютерной модели и эксперименты с реальным ВИП осуществлялись с высокоомным ФП (плечо фильтра Rф =1 МОм)
как подключенным на стороне переменного тока, так и при подключенным к звену постоянного тока. Экспериментальные исследования были выполнены на ВИП-1250 в 2015 г. в г. Губкин на предприятии «Губкинэлектроремонт».
Гармонический состав выходных сигналов ФП, выявленный при моделировании и экспериментальных исследованиях, представлен в табл. 2. Для возможности сопоставления количественных результатов моделирования и экспериментального исследования значения гармоник выражены относительно третьей гармоники
V = 150 Гц).
Признаком замыкания на участке переменного тока является наличие первой гармоники (V = 50 Гц), а замыкания на звене постоянного тока - наличие постоянной составляющей
V = 0 Гц).
Признаком замыкания в фазах ИД является наличие гармоники инвертора.
Таблица 2
Информативные признаки повреждений изоляции
Место замыкания Место подключения ФП Информативный признак
Модель Эксперимент
УПТ УПТ Первая гармоника V = 50 Гц (1,17 о.е.) Первая гармоника V = 50 Гц (1,25 о.е)
ЗПТ УПТ Постоянная составляющая / = 0 Гц (1,27 о.е.) Постоянная составляющая V = 0 Гц (1,33 о.е.)
Фаза ИД УПТ Гармоника инвертора (1,018 о.е.) Гармоника инвертора (1,047 о.е.)
УПТ ЗПТ Первая гармоника V = 50 Гц (2,34 о.е.) Первая гармоника V = 50 Гц (2,17 о.е.)
ЗПТ ЗПТ Постоянная составляющая V = 0 Гц (2,65 о.е.) Постоянная составляющая V = 0 Гц (2,72 о.е.)
Фаза ИД ЗПТ Гармоника инвертора (2,11 о.е.) Гармоника инвертора (2,23 о.е.)
Ниже на рис. 8 показаны соответствующие табл. 2 графики тока утечки при подключенном ФП к участку переменного тока.
Результаты, полученные с помощью модели, несколько отличаются от экспериментальных, однако в основном имеют одинаковый характер (см. табл. 2). Отличие в результатах не превысило 10 %.
В результате моделирования ВИП и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:
1. В случае подключения ФП на участке переменного тока прикладываемое напряжение к резисторам ФП и рассеиваемая на них мощность будут меньше, нежели при подключении ФП к звену постоянного тока.
2. В том случае, когда ФП подключен к звену постоянного тока, в выходном сигнале ФП практически отсутствует третья гармоника V = 150 Гц). Такое подключение ФВ является более предпочтительным для селективного распознавания поврежденного участка.
3. Признаки повреждения изоляции, выявленные путем анализа данных, приведенных в табл. 2, целесообразно положить в основу построения защитно-диагностического устройства, контролирующего токи утечки изоляции с распознаванием мест повреждений.
4. С целью селективного определения поврежденных участков ВИП и контроля уровня сопротивления изоляции целесообразно использовать оба ФП (низкоомный и высокоомный).
Тек «Гк
M Pos: 6,240ms SAVE/F:ЕС Action
Save Image
File
Format
CHI 20V
M 10,0ms
About Saving Images
Select Folder
Save TEK0005.JPG
AC Line f 0.00V
Тек
I Step
M Pos: 6.210ms S A VE/Fi :Э)8
Act ior
АЛЛ ~
ДИВ
0.016
0.014
0.012
CHI 20V Tek JX*
CHI 20V
About 0.01 Savint Image: 0.008
Select 0.00S Folder
0.054
H 2.50 ms
в
Save TEK0010.
AC Line f 0,00V
0.0Q2 0
I Stop +
M Pos: 6.010ms
SAVE/RE С -3 Action
ШШЖ
File Format i
M 10.0ms
д
About t> Saving Images .1
Select Folder
Save TEK0011.JP
AC Line S 0,00V
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Рис. 8. Осциллограммы токов утечки в различных режимах: а - экспериментальная при замыкании на стороне переменного тока; б - полученная с помощью модели при замыкании на стороне переменного тока; в - экспериментальная при замыкании на ЗПТ; г - полученная с помощью модели при замыкании на ЗПТ; д - экспериментальная при замыкании в фазе ИД; е - полученная с помощью модели при замыкании в фазе ИД
Литература
1. ГОСТ 31612-2012 Устройства защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические требования. М.: Стандартинформ, 2013. 16 с.
2. Темирев А.П., Анисимов А.В., Нгуен Куанг Кхоа. Анализ и синтез электрогидравлической системы «Вентильно-индукторный электропривод - центробежный насос» дизель-электрической подводной лодки: монография. Новочеркасск: ЛИК, 2013. 427 с.
б
а
г
е
3. Кузнецов В.А., Кузьмичев В.А. Вентильно-индукторные двигатели. М.: Изд-во МЭИ. 2003. 70 с.
4. РД 06-572-03 Инструкция по безопасной эксплуатации электроустановок в горнорудной промышленности. НТЦ Промышленная безопасность, М., 2003. 152 с.
5. ФНИП «Правила безопасности при ведении горных работ и переработке твёрдых полезных ископаемых». Закрытое акционерное общество «Научно-технический центр исследований проблем промышленной безопасности», М., 2015. 276 с.
6. Фролкин В.А. «АРГУС» - надежная защита от поражения электрическим током // Новости Электротехники. 2002. № 1 (13) http://www.news.elteh.ru/arh/2002/13/21.php (дата обращения: 20.04.2016).
7. Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В: 2-е изд., перераб. М.: «Энергия», 1972. 152 с.
8. Синегубов А.П. Методы и средства контроля сопротивле-
ния изоляции автономных электроэнергетических систем: монография. Ростов н/Д: Изд. центр ДГТУ, 2013. 86 с.
9. Бабокин Г.И., Куницкий В.Г., Шеленев П.И. Защита от токов утечки в комбинированных электрических сетях с ШИМ-преобразователем частоты // Изв. ТулГУ. Техн. науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 280 с.
10. Товстик Ю.В., Стоян В.Н., Савицкий В.Н. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, с силовыми полупроводниковыми элементами // Горная электротехника и автоматика: Наук. техн. зб. НГУ. Днепропетровск, 2005. Вип. 74. С. 36 - 42. http://vde.nmu.org.Ua/ua/science/ntz/archive/74/7.pdf (дата обращения: 21.04.2016).
11. Савицкий В.Н., Стадник Н.И. Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт // http: // ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm (дата обращения: 22.04.2016).
References
1. GOST R 52273-2004 Ustroistva zashchity ot tokov utechki rudnichnye dlya setei napryazheniem do 1200 V [GOST P 522732004 Devices of protection against leakage currents miner for networks up to 1200 V]. Moscow, Standartinform, 2013, 16 p.
2. Temirev A.P., Anisimov A.V., Nguen Kuang Kkhoa. Analiz i sintez elektrogidravlicheskoi sistemy «Ventil'no-induktornyi elek-troprivod - tsentrobezhnyi nasos» dizel' - elektricheskoi podvodnoi lodki [Analysis and synthesis of the electrohydraulic system "The Gated and Inductor Electric Drive — the Centrifugal Pump" the diesel - the electrical submarine]. Novocherkassk, LIK Publ., 2013, 427 p.
3. Kuznetsov V.A., Kuz'michev V.A. Ventil'no-induktornye dvigateli [Gated and inductor engines]. Moscow, Izdatel'stvo MEI, 2003, 70 p.
4. RD 06-572-03 Instruktsiya po bezopasnoi ekspluatatsii elektroustanovok v gornorudnoi promyshlennosti [RD 06-572-03 the Instruction for safe operation of electric sets in ore mining industry]. Moscow, 2003, 152 p.
5. FNIP «Pravila bezopasnosti pri vedenii gornykh rabot i pererabotke tverdykh poleznykh iskopaemykh» [FNIP "Safety Rules when Guiding Mining Operations and Processing Solid Minerals"]. Moscow, 2015, 276 p.
6. Frolkin V.A. «ARGUS» — nadezhnaya zashchita ot porazheniya elektricheskim tokom ["ARGUS" — reliable protection against defeat by an electric current]. Novosti Elektrotekhniki, 2002, no. 1 (13). Available at: http://www.news.elteh.ru/arh/2002/13/21.php (accessed 20.04.2016)
7. Tsapenko E.F. Kontrol' izolyatsii v setyakh do 1000 V [Monitoring of insulation on networks until 1000 Century]. Moscow, «Energiya» Publ., 1972, 152 p.
8. Sinegubov A.P. Metody i sredstva kontrolya soprotivleniya izolyatsii avtonomnykh elektroenergeticheskikh system [Methods and monitoring aids of insulation resistance of autonomous electrical power systems]. Rostov-on-Don, Izdatel'skii tsentr DGTU, 2013, 86 p.
9. Babokin G.I., Kunitskii V.G., Shelenev P.I. Zashchita ot tokov utechki v kombinirovannykh elektricheskikh setyakh s ShlM-preobrazovatelem chastity [Protection from leakage currents on combined electrical networks with the PWM frequency converter]. Izvestiya TulGU. Tekhnicheskie nauki, 2010, 280 p.
10. Tovstik Yu.V., Stoyan V.N., Savitskii V.N. Problemy zashchity ot utechek toka na zemlyu raspredelitel'nykh setei ugol'nykh shakht, s silovymi poluprovodnikovymi elementami [Problems of protection against leakages of current on the earth of distributive networks of coalmines, with force semiconductor elements]. Gornaya elektrotekhnika i avtomatika, 2005, vip. 74, pp. 36-42. Available at: http://vde.nmu.org.ua/ua/science/ntz/archive/74/7.pdf (accessed 21.04.2016)
11. Savitskii V.N., Stadnik N.I. Zashchita ot tokov utechki v kombinirovannykh raspredelitel'nykh setyakh ugol'nykh shakht [Protection against leakage currents on combined distributive networks of coal mines]. Available at: http://ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm. (accessed 22.04.2016)
Поступила в редакцию 2 июня 2016 г.
