CC BY
16«ШУШМИМ-ЛШИПШУ» #289), 202 / TECHNICAL SCIENCE
43
УДК: 621.313
Соболь А.Н., Андреева А.А.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»
DOI: 10.24412/2520-2480-2021-289-43-45
О ПРОБЛЕМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОНОМНЫХ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ГИБРИДНЫХ ВЕТРО-СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Sobol A.N., Andreeva A.A.
Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Kuban State Agrarian University named after I. T. Trubilin "
ON THE PROBLEMS OF OPERATION OF AUTONOMOUS ASYNRCHRONOUS GENERATORS OF
HYBRID WIND-SOLAR POWER PLANTS
Аннотация.
В процессе эксплуатации гибридных электростанций возникают проблемы, связанные с возможными неисправностями асинхронных генераторов, а именно с возможными витковыми короткими замыканиями в обмотке статора. Опытным путем установлено, что несмотря на большие значения токов короткого замыкания, генератор, не теряя возбуждения продолжает функционировать, что в свою очередь может стать причиной его выхода из строя если не применять соответствующую защиту от данного вида повреждений.
Abstract.
During the operation of hybrid power plants, problems arise associated with possible malfunctions of asynchronous generators, namely, with possible turn short circuits in the stator winding. It has been experimentally established that, despite the large values of short-circuit currents, the generator continues to function without losing excitation, which in turn can cause its failure if appropriate protection against this type of damage is not applied.
Ключевые слова: эксплуатация, неисправность, асинхронный генератор, обмотка статора, защита.
Keywords: operation, malfunction, asynchronous generator, stator winding, protection.
Использование возобновляемых источников энергии должно обеспечить устойчивое развитие энергетики, причем безопасного с точки зрения экологии.
Поскольку отрасли промышленности стремятся к возобновляемым источникам энергии и операции становятся все более децентрализованными, технологии должны будут вмешаться, чтобы обеспечить надежную энергетическую систему.
С появлением возобновляемых источников энергии ситуация улучшилась. Как только солнечные или ветряные электростанции установлены, затраты на производство электроэнергии практически равны нулю - как и выбросы. Но в отличие от тепловой генерации, ветровая и фотоэлектрическая (ФВ) являются переменными источниками энергии. Поэтому рост возобновляемых источников энергии может привести к росту нестабильности электросетей и эксплуатационной неопределенности, особенно в изолированных сетях.
Гибридные электростанции - это отличная альтернатива традиционным энергосетям, а также высокоэффективный источник электрической энергии низкой себестоимости. Данные агрегаты отвечают высоким требованиям различных сфер и отраслей применения.
Принцип работы такой станции основан на производстве электроэнергии на протяжении всего
светового дня, которая может расходоваться на существующие потребности. Когда образуется излишек, он в первую очередь заряжает аккумуляторные батареи и уже после этого остатки передает в сеть. Когда же электричество уже не вырабатывается, используется энергия из аккумуляторов, а потом уже из сети. Во время использования сетевой энергии, одновременно происходит заряд аккумуляторов.
В ходе эксплуатации гибридной электростанции, как и любой энергетической системы возникают проблемы, связанные появлением различного рода неисправностей оборудования. Так для солнечной энергоустановки характерно появление горячих точек» и микротрещины на поверхности солнечных модулей, сбой коммутации стрингов и ин-верторного оборудования, ослабление контактов клемм, повреждение изоляции и т.д. Любые повреждения электрогенерирующего оборудования приводят к снижению эффективности станции, поэтому необходим регулярный контроль состояния приборов и электропроводки. Поломки же ветро-установок становятся настоящей проблемой.
В настоящее время день все еще актуальным остается вопрос использования асинхронных генераторов с самовозбуждением, имеющих ротор в виде беличьей клетки, в ветряных электроустановках. Ветрогенераторы используют либо для зарядки
44
ТЕСНМСАЬ 8С1Е1ЧСЕ / «ШУУШУУМ-ЛШШаИ» #2(89), 2021
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. Если рассматривать другие системы, то очень часто они не имеют аккумуляторов, что в свою очередь делает очень высокой вероятность возникновения перегрузок. Это обстоятельство затрудняет, а то и делает невозможным использования в таких энергосистемах асинхронные генераторы.
Асинхронные генераторы также подвержены различным техническим недостаткам как, например, нестабильностью напряжения. Кроме того, как отмечено в [5], 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], также возможно возникновение различных повреждений. Исходя из информации в [4], 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 остановки в работе 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.
Те устройства защиты электрических машин, которые существуют и используются в настоящее время, не могут в полной мере обеспечить защиту от всех видов повреждений. Таким образом встает вопрос о необходимости контролировать состояние электрической машины непосредственно во время ее работы. Этот процесс составляет функциональную диагностику. Данная диагностика позволяет выявлять признаки повреждения на самой ранней стадии, на которой традиционные средства защиты бесполезны. Это в свою очередь позволяет повысить надежность как самой машины, так и энергокомплекса, в котором данная машина используется.
Для выявления данных информационных признаков нами был проведен ряд исследований, в частности исследовались токи в статорной обмотке автономного асинхронного генератора при возникновении витковых коротких замыканий (КЗ) различного вида. Это позволило, кроме того, в дальнейшем разработать соответствующие схемы устройств защиты генератора.
Для проведения таких экспериментов была сконструирована установка, в которой использовался асинхронный генератор. Данный генератор выполнен на основе асинхронного электрического двигателя с КЗ ротором марки 4А10084У3 (3 кВт, 1435 об/мин) [1]. Так как привод асинхронного генератора может иметь различные механические характеристики, генератор имел привод от двигателя постоянного тока, а также от асинхронного электродвигателя. В первом случае число оборотов привода зависело от нагрузки, во втором же случае данной зависимости практически не было. Мощность же данных приводов имела соизмеримые значения с мощностью генератора. Напряжение в момент коротких замыканий витков поддерживалось на уровне 220 В. Для имитации витковых повреждений из лобовой части статорной обмотки были предварительно выведены наружу специальные вывода. Схема данной установки показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема опытного стенда
«етуушшим-лшшаи» #rnmi 2021 / Technical science
45
В результате данных опытных исследований нами было установлено, что когда замкнуто небольшое число витков обмотки, а именно 3 - 4 %, генератор продолжал функционировать, не теряя возбуждения. Однако имел в короткозамкнутом контуре значения тока, который в 5 - 10 раз превышал номинальный. В зависимости от величины нагрузки и емкости конденсаторных батарей терялось возбуждение генератора только при 15 - 30 % замкнутых витков.
50 50 40 30 20 10
Данные зависимости тока короткого замыкания для привода от двигателя постоянного тока (индекс 1) и привода от асинхронного электродвигателя (индекс 2) от соотношения числа витков к числу витков в фазе генератора показаны на рисунке 2.
Данное соотношение (Ж, %) определяется формулой
ш = шк/ш0,
где - число замкнутых витков;
Ш0 - число витков в фазе.
¡2* V1 's
1 ч
, S
\ S s ч
Ч ._____ \
10 20 30 40
Рис. 2. Зависимости токов короткого замыкания генератора
Анализируя полученные зависимости можно сделать вывод о том, что в зависимости от вида привода с ростом числа замкнувшихся витков обмотки наблюдается уменьшение тока короткого замыкания. Уменьшение же данного тока при малом числе замкнутых витков происходит из-за влияния сопротивления выведенного наружу проводника, который производит замыкания.
Таким образом можно сделать вывод, что несмотря на большие значения токов короткого замыкания, генератор, не теряя возбуждения продолжает функционировать, что в свою очередь может стать причиной его выхода из строя если не применять соответствующую защиту от данного вида повреждений.
В качестве защитных устройств возможно использование устройств, которые реагируют на возникающую несимметрию магнитного поля либо устройств, основанных на регистрации вибрации корпуса генератора, которая возникает при его повреждении.
Список литературы
1. Баракин Н.С., Соболь А.Н., Кумейко А.А. Асинхронный генератор с автотрансформаторной
обмоткой статора // Сельский механизатор. 2018. № 7-8. С. 48 - 49.
2. Богдан А.В., Соболь А.Н., Баракин Н.С. Обнаружение виткового замыкания в обмотке статора асинхронного генератора // Сельский механизатор. 2018. № 7-8. С. 44 - 45.
3. Богдан А.В., Соболь А.Н. Информационные признаки повреждения обмотки статора для построения релейной защиты автономного асинхронного генератора // Известия вузов. Электромеханика. 2017. № 6. С. 72-76.
4. Богдан А.В., Соболь А.Н. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 2. С. 47-50.
5. Богдан А.В., Соболь А.Н. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 36. С. 322324.
6. Богдан А.В., Соболь А.Н., Богдан В.А. Измерение сопротивления нулевой последовательности силового трансформатора // Сельский механизатор. 2018. № 11. С. 40 - 41.
