CC BY
18ПОВРЕЖДЕНИЯ СТАТОРНОЙ ОБМОТКИ АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Соболь А.Н.
Кандидат технических наук., доцент ФГБОУВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
Андреева А.А. Студентка факультета энергетики ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ
STATOR WINDING DAMAGE ASYNCHRONOUS GENERATOR
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
В автономном асинхронном генераторе в процессе эксплуатации могут возникнуть различного рода неисправности. Такими повреждениями могут быть витковые короткие замыкания в обмотке статора. Их экспериментальное исследование позволяет выявить информационные признаки, необходимые для построения релейной защиты.
Abstract
In an autonomous asynchronous generator, various kinds of malfunctions may occur during operation. Such damage can be coil short circuits in the stator winding. Their experimental study makes it possible to identify the informational features necessary for the construction of relay protection.
Ключевые слова: статор, обмотка, повреждения, асинхронный генератор, исследование.
Keywords: stator, winding, damage, asynchronous generator, research.
В настоящее время во многих областях техники используются асинхронные генераторы, различающиеся между собой по способу возбуждения, характеру частоты (постоянная, изменяющаяся), способу стабилизации напряжения, конструктивному исполнению, числу фаз [8].
Асинхронные генераторы с емкостным самовозбуждением имеет простую конструкцию, высокую надежность, относительно небольшую стоимость, является бесконтактной машиной [1].
В ряде стран в мощных энергосистемах параллельно синхронным генераторам включают асинхронные генераторы. По условию поддержания постоянства напряжения возбуждение синхронных генераторов при этом увеличивают, вследствие чего повышается их устойчивость. Целесообразность совместимой параллельной работы источников становится еще более очевидной, если учесть, что значительная часть активной мощности системы вырабатывается асинхронными генераторами [2].
Возможности применения асинхронных генераторов в крупных энергосистемах в связи с увеличением дальности передачи электрической энергии и мощности источников придается большое значение.
Теоретические исследования и практический опыт показывают перспективы их применения в сельском хозяйстве, в том числе в качестве резервного источника электроснабжения птицефабрик [1].
В этом случае от генераторов, как источников питания требуется высокая готовность к работе. На данный момент чувствительных защит ААГ не существует, так как существует мнение, что в случае коротких замыканий (КЗ) в обмотке статора ААГ теряет возбуждение, и защита для него не требуется.
Известно, что в большинстве случаев (85-95 %) отказы асинхронных машин происходят из-за повреждения статорной обмотки. При этом более 90 % повреждений приходится на межвитковые замыкания [2]. Замыкание небольшого количества витков статорной обмотки ААГ не может существенно изменять основной магнитный поток машины, и, поэтому велика вероятность длительной работы ААГ с таким видом повреждения. Скрытый отказ, существующий в виде виткового замыкания, значительно снижает надежность автономного ААГ, как источника питания [1]. Поэтому возникает необходимость разработки релейной защиты асинхронного генератора.
Для асинхронных электродвигателей были проведены исследования токов при внутренних повреждениях экспериментально [2]. В создании устройств релейной защиты ААГ трудность заключается в том, что пока мало исследованы процессы при внутренних КЗ в обмотке статора ААГ и не определены информативные параметры или признаки, характеризующие соответствующие повреждения.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Для эксперимента была подготовлена установка с АГ, выполненная на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа 4А10084У3 (3 кВт, 1435 об/мин) [1]. Схема установки изображена на рисунке 1.
При использовании ААГ 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 ААГ приводился во вращение двигателем постоянного тока (привод ААГ с «мягкой» механической характеристикой, индекс «2»,) или асинхронным двигателем (привод ААГ с «жесткой» механической характеристикой, индекс
8,9А
9,8А
витковые КЗ 6,8А ток фазы А
Hi
«1»). Мощность приводных двигателей была соизмерима с мощность ААГ. 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 АГ не теряет возбуждения, а ток в короткозамкнутой части обмотки увеличивается в 5-10 раз по сравнению с номинальным. Генератор теряет возбуждение только при 15-30 % замкнутых витков в зависимости от нагрузки и величины емкости возбуждения.
о од 9,8А витковые КЗ - 1 емкостный ток о,64А
0,2 0,4 0,6 0,8 t,c о 0,2 0,4 0,6 0,81>с
1,28А ток нагрузки ^ 1А фаза А у
WMmmmiwwwwm
¿-О Л ток виткового 68А кз 55А
Ii!
-ь
0 0,2 0,4 0,6 0,8 t,с о 0,2 0,4 0,6 0,8^
витковые КЗ
витковые КЗ 252В напряжение ^ 2В ) фаза А I '
до КЗ вибрация
после КЗ
-ь
-ь
0 0,2 0,4 0,6 0,80 0,2 0,4 0,6 0,8 I,с Рис. 2. Осциллограммы токов и напряжений при витковом замыкании
На рисунке 2 приведены осциллограммы тока и напряжения в поврежденной фазе А, соответственно емкостного тока, тока нагрузки, а также тока короткого замыкания при замыкании 15% витков обмотки статора и осциллограмма изменения сигнала с датчика вибрации, прикрепленного к ААГ [7].
Из полученных осциллограмм видно, что при КЗ происходит уменьшение тока и напряжения в поврежденной фазе, также соответственно емкостного тока, тока нагрузки. При этом в момент замыкания наблюдается характерный всплеск фазного, емкостного токов, а также тока в короткозамкнутом контуре. Далее в течение небольшого промежутка
времени токи принимают установившиеся значения [6]. При уменьшении напряжения и тока нагрузки данного характерного всплеска не наблюдается. Изменение токов в неповрежденных фазах аналогичное.
!,А 60
50
40
30
20
10
В случае междуфазных (двухфазных и трехфазных) КЗ внутри обмотки статора также происходит уменьшение соответствующих величин и наблюдается характерный всплеск, обусловленный перезарядом емкостей [2].
ч 1
2
10
20
30
40
W. %
Рис. 3. Кривые изменения токов КЗ витков ААГ: 1 - привод с «жесткой» характеристикой; 2 - привод с «мягкой» характеристикой.
Также было установлено изменение гармонического состава соответствующих величин при вит-ковом КЗ. На рисунке 4 показан спектр фазных токов ААГ при витковом замыкании 15 % витков в фазе «А» и чисто активной нагрузке (для системы с «1» характеристикой). По оси абсцисс указана частота тока в Гц, по оси ординат указана шкала в относительных единицах К:
На рисунке 3 показаны кривые изменения токов КЗ ААГ с приводами, имеющими «мягкую» и «жесткую» характеристики в зависимости процентного соотношения числа замкнутых витков к числу витков в фазе (W %)
Ш =— 100%, (1)
где - число замкнутых витков; Щ, - число витков в фазе.
Из данных эксперимента видно, что вне зависимости от вида привод ток в замкнутых витках уменьшается при их увеличении. Уменьшение тока при малом числе замкнувшихся витков обусловлено влиянием сопротивления проводника закорачивающего витки.
Для анализа несимметрии токов и напряжений ААГ в случае витковых КЗ определялся коэффициент обратной последовательности токов [5]
(2)
К =
'фУ=1
(3)
К=
V2 J(Ia-1c)2+0C-1B)2+0B-1A)2
Ia+Ib+Ic
где 1А ,/в, 1С - соответственно значение токов фаз «Л», «B», «С».
В случае 15 % КЗ витков фазные, емкостные токи, напряжения в поврежденной фазе уменьшаются в 1,2-1,3 раза. Коэффициент обратной последовательности для фазных, емкостных токов имеет величину менее 0,1.
где /ф^„ - величина тока п-й гармоники; 1фУ=1 - величина тока 1 -й гармоники, соответствующая нормальной работе ААГ при номинальных параметрах.
В ходе проведения экспериментальных исследований установлено, что при 15 % КЗ витков наблюдается уменьшение первой, пятой и седьмой гармоник фазных и емкостных токов в поврежденной фазе соответственно в 1,15, 2,15 и 2,9 раз, а также рост третьей гармоники в 1,9 раз.
Аналогичный характер имеет изменение гармонических составляющих в неповрежденных фазах. Изменение гармонических составляющих токов и напряжений в случае межфазных и трехфазных несимметричных КЗ аналогично изменению при витковых КЗ. При симметричном трехфазном КЗ наблюдается рост первой гармоники фазных и емкостных токов в 1,25 раз. Третья, пятая и седьмая гармоники уменьшаются в 2,8, 1,5 и 1,1 раз.
v=n
Рис. 4. Спектральный состав при 15 % КЗ витков в фазе «А»: фазный ток, обмотка исправна; б - спектр сигнала вибродатчика, обмотка исправна; в - фазный ток, КЗ; г - спектр сигнала вибродатчика, КЗ.
В результате экспериментальных исследований установлено, что при наличии в статорной обмотке ААГ 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 ААГ необходимо построение устройств диагностики и защиты, так как их отсутствие может стать причиной скрытых отказов.
Список литературы
1. 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.
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. Баракин Н.С. Асинхронный генератор с автотрансформаторной обмоткой статора [Текст]. / Н.С. Баракин, А.Н. Соболь, А.А. Кумейко // Сельский механизатор - М.: ООО «Нива», 2018. - № 78. - С. 48 - 49.
4. Богдан А.В. Измерение сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора Y/YH-12 [Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь, В.А.
Богдан // Сельский механизатор, - М.: ООО «Нива», 2018. - № 11. - С. 40 - 41.
5. Клецель М.А. Способ выявления витковых замыканий в трехфазных асинхронных электродвигателях [Текст]. / М.А. Клецель, А.Н. Новожилов // Известия вузов. Электромеханика. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, 1986. - № 11. - С. 46-48.
6. Копылов И. П. Электрические машины: учебник / И. П. Копылов. - М.: Юрайт, 2015. - 630с
7. Кулаковский В. Б. Работа изоляции в генераторах: Возникновение и методы выявления дефектов / В. Б. Кулаковский. - М.: Энергоиздат, 1981. -256 с.
8. Соболь А. Н. Диагностика повреждений в обмотке статора автономного асинхронного генератора / А. Н. Соболь // Инновации в сельском хозяйстве. - 2016. - № 2. - С. 225-228.
9. Пат. 66127 и1 Российская Федерация, МПК Н 02 К 11 00, Н 02 Н 7 08. Устройство для дифференциальной защиты асинхронного генератора / 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.
10. Торопцев Н. Д. Области применения асинхронных генераторов / Н. Д. Торопцев // Энергетик. - 2004. - № 3. - С. 31 - 34.
а
