Цуканов Алексей Анатольевич

Факультет Электротехнический

Кафедра Электрические станции

Специальность: Электрические станции

Тема выпускной работы:

Научный руководитель: д.т.н., проф. Гребченко Николай Васильевич

Введение

На современном этапе развития, энергетика в Украине столкнулась с серьезными проблемами. Эксплуатационный срок работы оборудования на тепловых электрических станциях, которые были построены еще в СССР, постепенно подходит к концу, а в некоторых случаях уже давно закончился. Износ оборудования приводит к частым повреждениям и аварийным ситуациям. Для обеспечения бесперебойного питания потребителей качественной электроэнергией, нужно, в первую очередь, обеспечивать работоспособность собственных нужд электрических станций. Собственные нужды ТЭС в основном состоят из асинхронных двигателей, которые являются приводами различных механизмов. В свою очередь механизмы делятся на ответственные и неответственные. Не секрет, что при выходе из строя АД ответственного механизма, отключается весь энергоблок, что приводит к нарушению нормального режима работы сети.

         Электрические машины чаще всего повреждаются из-за недопустимо длительной работы без ремонта (износ), из-за плохого хранения и обслуживания, из-за нарушения режима работы, на который они рассчитаны.

По статистике, наиболее распространенные неисправности асинхронных электродвигателей:

    1. Перегрузка или перегрев статора электродвигателя - 31%.

    2. Межвитковые замыкания - 15%.

    3. Повреждения подшипников - 12%.

    4. Повреждение обмоток статора или изоляции - 11%.

    5. Неравномерный воздушный зазор между статором и ротором - 9%.

    6. Работа электродвигателя на двух фазах - 8%.

    7. Обрыв или ослабление крепления стержней в беличьей клетке - 5%.

    8. Ослабление крепления обмоток статора - 4%.

    9. Дисбаланс ротора электродвигателя - 3%.

    10. Несоосность валов - 2%.

Неисправности и повреждения электрических машин, вызывающие отказ, не всегда удается обнаружить путем внешнего осмотра, так как некоторые из них (в основном электрические) носят скрытый характер и могут быть обнаружены только после соответствующих испытаний и разборки машины.

Актуальность темы

Возникновение повреждений значительной части электродвигателей обусловлено ухудшением состояния изоляции их обмоток, поэтому разработка методов непрерывного диагностирования, т.е. без отключения присоединения от источника питания, в наше время требует особого внимания. Непрерывное диагностирование позволило бы выявлять повреждения электродвигателей на ранней стадии их развития. Это, в свою очередь, позволило бы своевременно отключать присоединение, вследствие чего ремонт неисправной машины затрачивал меньше средств и времени, так, например, своевременное выявление витковых замыканий не приводило бы к искрению, и пожару в стали статора электродвигателя, а, следовательно, и ремонт заключается только в замене одной обмотки, а не всего двигателя.

Связь работы

На данный момент существует ряд методов, позволяющих, при тех или иных допущениях, без отключения присоединения, определять состояние обмоток электродвигателей.

         Метод, предложенный в [4], основан на решении системы линейных алгебраических уравнений. Коэффициенты уравнения периодически определяются по результатам непрерывного измерения фазных токов и напряжений фаз присоединения относительно земли. Для реализации метода не требуется создание дополнительных условий для измерений и установки дополнительных измерительных трансформаторов.

         При моделировании активные и емкостные поперечные проводимости электродвигателей принято рассматривать сосредоточенными на выводах их обмоток (основные допущения), а дефекты изоляции присоединения моделируются изменением значений комплексных проводимостей изоляции фаз.

         Недостаток метода заключается в том, что метод разработан с учетом допущения о симметричности продольных проводимостей контролируемого присоединения нагрузки. При появлении несимметрии метод дает погрешность. Погрешность возникает вследствие того, что в параметрах режима кроме составляющих, обусловленных дефектами изоляции, появляются составляющие, обусловленные несимметрией присоединения. Поэтому для повышения точности метода определения параметров изоляции при наличии (появлении) несимметрии необходимо определить аварийные составляющие, вызванные несимметрией, и исключить их из параметров режима, используемых в качестве входных в параметрическом методе. Другой возможный путь повышения точности заключается во введении в схему замещения присоединения (математическая модель присоединения, в соответствии с которой составляются уравнения текущего состояния) параметров, которые отражают степень и вид несимметрии. Реальные значения вводимых параметров должны определяться для того момента времени, в который решается система уравнений текущего состояния. Следует отметить, что непосредственное определение продольных проводимостей фаз присоединения в рабочем режиме невозможно, т.к. в измеряемые токи фаз присоединения входят токи, обусловленные поперечными проводимостями фаз присоединения, значения которых неизвестны.

Целью работы является разработка метода, который позволил бы своевременно выявлять место возникновения дефекта изоляции присоединения кабель-двигатель без отключения от источника питания, в том числе при несимметрии, вызваной витковыми замыканиями. Суть метода заключается в следующем. Значения фазных токов и напряжений фаз считываются с измерительных трансформаторов тока и напряжения, затем, с помощью соответствующего устройства, преобразовуются в цифровой сигнал и направляются в компьютер. В компьютере производится расчет по алгоритму, рассмотреному в [1], результаты измерений подаются в систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), после расчета которой, определяются значения комплексных проводимостей изоляции обмоток. Далее проводится сравнение текущей величины с заранее заданной номинальной величиной. Если текущее значение находится в допустимых пределах, результат обнуляется и расчет повторяется для новых измерений. Если текущая величина проводимости больше номинальной, это свидетельствует о снижении сопротивления, то формируется сигнал о возникновении дефекта. Более наглядно алгоритм представлен на анимированном рисунке 1.

В качестве объекта исследования используется присоединение кабель-двигатель, системы собственных нужд ТЭС. Рассмотрим структурную схему узла электрической сети рис. 2.

Рисунок 2 – Структурная схема узла электрической сети, в состав которого входят присоединения кабель-ЭД.

Источником питания в схеме, является обмотка низшего напряжения трансформатора собственных нужд (ТСН), далее в расчетах будет использоваться только одно присоединение кабель-электродвигатель, другие присоединения учитываются в эквивалентной части узла сети. Так же на схеме показаны  измерительные трансформаторы тока TA, трансформатор тока нулевой последовательности TAN и измерительный трансформатор напряжения TV.

         Рассмотрим схему замещения (рис. 3) присоединения кабель-ЭД. Токи I_А, I_В, I_С, определяются измерительными трансформаторами тока TA, при известных напряжениях фаз в нормальном режиме U_А, U_В, U_С. По первому закону Кирхгофа Токи I_А, I_В, I_С соответственно равны:

Рисунок 2 – Схема замещения присоединения нагрузки в сети с изолированной нейтралью.

где I_АН, I_ВН, I_СН, – векторы фазных токов нагрузки присоединения; I_АИ, I_ВИ, I_СИ, – векторы  токов через изоляцию фаз присоединения;

Распишем эти уравнения более подробно, с учетом напряжений и проводимостей:

где Y_АН, Y_ВН, Y_СН, и Y_АИ, Y_ВИ, Y_СИ – соответственно продольные и поперечные проводимости присоединения; U_А, U_В, U_С, – векторы напряжений фаз по отношению к земле; U_N – напряжение нейтрали присоединения по отношению к земле.

        Для получения уравнений (1)-(3) в рабочих режимах могут непрерывно определяться векторы фазных токов I_А, I_В, I_С, напряжения фаз по отношению к земле U_А, U_В, U_С и вектор напряжения нейтрали присоединения по отношению к земле U_N. Неизвестными являются продольные и поперечные проводимости Y_АН, Y_ВН, Y_СН, и Y_АИ, Y_ВИ, Y_СИ.

         Для решения системы (1)-(3) относительно проводимостей изоляции необходимо знать значения продольных проводимостей присоединения или принять равными между собой, что позволяет исключить их из системы. Во втором случае реальное соотношение между собой значений продольных проводимостей фаз нагрузки контролируемого присоединения оказывает большое влияние на точность определения проводимостей изоляции фаз по отношению к земле при решении системы уравнений (1)-(3).

В методе определения комплексных проводимостей изоляции в рабочих режимах электрических присоединений используется непрерывное решение системы уравнений текущего состояния.

Система (1)-(3) может быть преобразована, если принять допущение о равенстве продольных проводимостей фаз нагрузки. Это позволяет вообще исключить продольные проводимости из уравнений.

Однако реальные значения продольных проводимостей фаз нагрузки несколько отличаются друг от друга, из-за чего возникает погрешность в определении комплексной проводимости изоляции фаз по отношению к земле.

Несимметрия в виде междуфазных к.з. или обрывов фаз в методе не учитывается, т.к. является кратковременной. В случае возникновения таких повреждений ЭД быстро отключаются релейной защитой.

         Витковые замыкания в статоре ЭД относятся к виду статической несимметрии, рассмотрим случай, когда несимметрия возникла только в фазе А, при этом комплексная проводимость фазы А будет отличаться от здоровых фаз В и С:

где К_НА – комплексный коэффициент несимметрии фазы А.

Y_Н – среднее значение проводимости нагрузки.

Подставив (4) (5) (6), в (1) (2) (3) получим:

         Постановка задачи заключается в определении коэффициента К_НА, если известны токи фаз, фазные напряжения и проводимости изоляции фаз Y_И, процесс определения подробно изложен в [1]. В результате выполненного анализа и математического моделирования установлена закономерность изменения продольных проводимостей фаз ЭД  при наличии статической несимметрии. В соответствии с этими закономерностями значения комплексных продольных проводимостей фаз ЭД равны:

где k_SA, k_SB, k_SC – комплексные коэффициенты статической несимметрии фаз А, В, С;

Y_A=Y_В=Y_С – номинальные значения комплексных продольных проводимостей фаз ЭД.

         В результате возникновения статической несимметрии появляется ток обратной последовательности, при возникновении статической несимметрии его амплитуда и фаза не изменяются во времени. При статической несимметрии определяется фаза, в которой возникла несимметрия, например если несимметрия в фазе А, то коэффициенты определяются по выражениям:

где I₁ и I₂ – векторы соответственно тока прямой и обратной последовательности.

         При моделировании локального дефекта в обмотке статора электродвигателя схема замещения разбивается на две части: до места дефекта и после места дефекта (рис 4). Каждая часть, кабель двигатель, представлена Г-образной схемой замещения. Изменение параметров этих частей пропорционально расстоянию (b) от начала элемента до места дефекта (пропорционально количеству витков обмотки от её начала до места дефекта) соответствует изменению места дефекта изоляции. На рисунке 3 представлена схема замещения фазы А, где Z_AK и Z_AД – комплексніе сопротивления соотвественно кабеля и двигателя, Z_AИK и Z_AИД – комплексные сопротивления изоляции фазы А по отношению к земле соответственно кабеля и двигателя, Z_Д – комплексное сопротивление дефекта изоляции фазы А.

Рисунок 4 – Схема замещения фазы А с наличием дефекта изоляции в обмотке статора электродвигателя.

Выполнив преобразование схемы получим выражения для определения проводимостей фазы А:

Для фаз В и С проводимости определяются по таким же выражениям.

В результате преобразований схема имеет вид (рис 5):

Рисунок 5 – Преобразованная схема замещения узла электрической цепи с двигателями.

         Такая схема замещения присоединения с дефектом изоляции позволяет моделировать дефект изоляции в любой фазе, также позволяет моделировать многофазный дефект и учитывать реальную несимметрию продольных и поперечных параметров фаз присоединения.  

При написании данного реферата магистерская работа не завершена, окончательный вариант работы можно получить у автора или у научного руководителя после декабря 2010 года.

Литература по теме магистерской работы

1. Гребченко Н.В., Сидоренко А.А., Бельчев И.В., Метод определения параметров изоляции присоединений электродвигателей, имеющих статическую и динамическую несимметрию // Наукові праці Донецького нац. тех. університету Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 9(128): Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ». - 2009. - С. 58-65.

2. Гребченко Н.В. Математическое моделирование локальных и распределительных дефектов электрической изоляции в узлах электрических систем с двигателями // Наукові праці Донецького нац. тех. університету Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 79: Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ». - 2004. - С. 55-62.

3. Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ / В.И. Корогодский, С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно - М.: Энергоатомиздат.- 1987.- 248 с.

4. Гребченко Н.В. Метод непрерывного определения комплексных проводимостей изоляции в рабочих режимах электрических присоединений 6-10 кВ / Н.В. Гребченко // Электричество .- 2003. - №12. – С.24-29.

5.  Куларовский В.Б. Профилактические испытания и дефекты изоляции крупных электрических машин – М.. Энергия, 1970 – 184 с.

6.  Пат. 51177 А (Україна). Спосіб безпреривного визначення комплексної провідності ізоляції фаз відносно землі електричного приєднання навантаження / Н.В. Гребченко, 2002, Бюл. № 11.

7.  Гребченко Н.В. Определение параметров изоляции с учетом статической и динамической несимметрии нагрузки / Н.В. Гребченко, Д.В. Полковниченко, А.А. Сидоренко // Наукові праці Донецького нац. тех. університету. Серія: Електротехніка і енергетика, випуск 7(128): Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ». - 2007. - С. 241-244.

8.  Сви П.М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. – М.: Энергоатомиздат, 1998.

9.  Пат. 213601 RU. Способ определения активной и емкостной составляющих сопротивления изоляции фазы сети относительно земли / К.В. Лапченков, А.И. Сидоров. – БИ, 1999, №24.

10.  Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. – М.: Энергоатомиздат, 1986.

11.  Непрерывная оценка состояния изоляции присоединений собственных нужд 6 кВ тепловых электрических станций Гребченко Н.В., Сидоренко О.А., Спиридонова М.В., Бельчев И.В.-

http://www.nbuv.gov.ua/portal/Natural/Vkdpu/2009_4/PDF_4_2009_ch1/142.pdf