Проблемы эксплуатации автономных асинхронных генераторов ветроэлектрических установок

ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОНОМНЫХ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Соболь А.Н.

Кандидат технических наук., доцент ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ

Андреева А.А. Студентка факультета энергетики ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ, Краснодар, РФ

PROBLEMS OF OPERATION OF AUTONOMOUS ASYNCHRONOUS GENERATORS WIND

POWER INSTALLATIONS

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 статье рассматривается проблема эксплуатации автономных асинхронных генераторов ветроэлектрических установок, связанная с возможным возникновением витковых коротких замыканий в обмотке статора. При этом генератор не теряет возбуждения и продолжает работать, имея скрытый отказ. Входе экспериментальных исследований установлены информационные признаки данного вида повреждений, необходимые для разработки соответствующих защит генератора.

Abstract

The article discusses the problem of operating autonomous asynchronous generators of wind power plants associated with the possible occurrence of coil short circuits in the stator winding. In this case, the generator does not lose excitation and continues to work, having a hidden failure. The input of experimental studies established informational signs of this type of damage, necessary for the development of appropriate generator protections.

Ключевые слова: эксплуатация, ветроэлектрическая установка, повреждения, защита.

Keywords: operation, wind power installation, damage, protection.

Энергия ветра является вторым по значимости возобновляемым источником электроэнергии после гидроэнергетики. Несмотря на широкое распространение, использование данного вида энергии носит периодический характер. Хотя попытки использования энергии ветра предпринимались много веков назад, современная ветроэнергетика началась во время нефтяного кризиса 1970-х годов. Ветроэнергетика может быть экономически эффективной во многих ситуациях, но она еще не достигла широкого паритета энергосистемы с источниками ископаемого топлива.

Ветроэлектрические установки могут быть построены на суше или в крупных водоемах, таких как озера и океаны. Правительства многих стран мира финансируют такие проекты. Например, министерство энергетики США в настоящее время финансирует проекты по оказанию помощи в развертывании морских ветроэнергетических проектов в водоемах страны.

Как указано в [2], по сей день все еще актуальным остается вопрос использования автономных асинхронных генераторов (ААГ) с емкостным возбуждением в ветроэлектрических установках. Это обусловлено появлением новых типов конденсаторов, небольших габаритных размеров с приемлемой ценой, а также современных инверторов. Доля ветроэлектрических электростанций, имеющих в своем составе асинхронные генераторы достигает

цифры порядка 85 %, а самая большая мощность, используемая для коммерческих целей, имеет увеличенную мощность до 5 МВт.

Как правило, автономные асинхронные генераторы отличаются тем, что имеют достаточно простое исполнение, отличаются высокой степенью надежности. Кроме, того отличием данных электрических машин является их сравнительно не высокая стоимость [1].

Асинхронные генераторы также подвержены различным техническим недостаткам как, например, нестабильностью напряжения. Кроме того, как отмечено в [3], существует еще одна возможная техническая проблема эксплуатации данного вида генераторов. Дело в том, что 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 [6]. 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 [5]. Поэтому возникает необходимость разработки релейной защиты асинхронного генератора.

Для асинхронных электродвигателей были проведены исследования токов при внутренних повреждениях экспериментально [4] и моделированием [5]. 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 [6].

Для эксперимента была подготовлена установка с АГ, выполненная на базе асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором типа 4А10084У3 (3 кВт, 1435 об/мин) [3]. Схема установки изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки

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 «1»). Мощность приводных двигателей была соизмерима с мощность ААГ. Напряжение генератора на момент замыкания поддерживалось равным 220 В [7].

Искусственные замыкания между различными витками в фазных обмотках автономного асинхрон-

ного 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.

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.

0 0,2 0,4 0,6 0,80 0,2 0,4 0,6 0,8 I,с Рисунок 2 - Осциллограммы при витковом замыкании

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. При уменьшении напряжения и тока нагрузки данного характерного всплеска не наблюдается. Изменение токов в неповрежденных фазах аналогичное.

В случае междуфазных (двухфазных и трехфазных) КЗ внутри обмотки статора также происходит уменьшение соответствующих величин и

/. А

наблюдается характерный всплеск, обусловленный перезарядом емкостей [3].

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

ТО

W =

W„

100% :

где ^^^ - число замкнутых витков; -

число витков в фазе.

60 50 40 30 20 10

' —s

1 ч

L N _2_

\ S s ч

Ч

10

20

30

40

W. %

Рисунок 3 - Кривые изменения токов КЗ витков ААГ: 1 - привод с «жесткой» характеристикой; 2 -

привод с «мягкой» характеристикой.

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.

0-а - 1с)2 +

Для анализа несимметрии токов и напряжений ААГ в случае витковых КЗ определялся коэффициент обратной последовательности токов по выражению [2]

где 1д' !ß'

К 2 =

Iq - соответственно значение то-

1д + IB + IC

ков фаз «А», «В», «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.

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:

т- 1фу=п

К = -ф-,

I

ф V=1

где 1ф у=п - величина тока п-й гармоники;

I ф V—1 - величина тока 1-й гармоники, соответствующая нормальной работе ААГ при номинальных параметрах.

Рисунок 4 - Спектральный состав при 15 % КЗ витков в фазе «А»: а - фазный ток, обмотка исправна; б - спектр сигнала вибродатчика, обмотка исправна; в - фазный

ток, КЗ; г - спектр сигнала вибродатчика, КЗ

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.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлено, что при наличии в статорной обмотке ААГ 3 - 15 % короткозамкну-тых 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.

Для асинхронных электродвигателей распространенным принципом обнаружения витковых замыканий в обмотке статора является измерение появляющейся несимметрии токов статора. Установлено, что в случае витковых КЗ в статорной обмотке ААГ несимметрия токов и напряжений не велика (коэффициент обратной последовательности не превышает величину 0,1) и сравнима с несимметрией в цепи нагрузки. Это затрудняет выполнить защиту, реагирующую на данную несимметрию токов. Тоже можно сказать и о защитах с

измерением изменения гармонического спектра токов и напряжений.

Не исключается возможность использования устройств защиты реагирующих на несимметрию магнитного поля внутри генератора в случае витко-вого КЗ в статорной обмотке (при размещении кольца, охваченного ферромагнитным сердечником, внутри электрической машины) [1].

Возможно построение других защит, например, реагирующих на вибрацию корпуса ААГ в случае повреждения обмотки статора. В качестве чувствительного устройства защиты, позволяющего определять и витковые замыкания обмоток статора ААГ, имеется возможность использовать устройство, основанное на использовании вибродатчика, который крепится на корпусе генератора.

Список литературы

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Богдан А.В. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора [Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Известия вузов. Электромеханика. - Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова, 2012. - № 2. - С. 47-50.

5. Богдан А.В. Математическая модель самовозбуждения автономного асинхронного генератора [Текст]. / А.В. Богдан, А.Н. Соболь // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 36. - С. 322324.

6. 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.

7. 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.

ВЫБОР АРХИТЕКТУРЫ ДЛЯ ВЕДОМСТВЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Шульга В.Н.

студент второго курса Амурского государственного университета, факультета математики и

информатики Бушманов А.В. Научный руководитель зав. кафедрой информационных и управляющих систем, кандидат технических наук, доцент

CHOOSING AN ARCHITECTURE FOR A DEPARTMENTAL SOFTWARE

Shulga V.

second-year student of the Amur state University, faculty of mathematics and computer science

Bushmanov A. Scientific supervisor

head of the Department of information and control systems, candidate of technical Sciences, associate Professor

Аннотация

В статье кратко описывается проблематика создания программного обеспечения со сложной бизнес-логикой и возможные варианты решения этой проблемы. Abstract

The article briefly describes the problem of creating software with complex business logic and possible solutions to this problem.

Ключевые слова: экономика, разработка программного обеспечения, архитектура программного обеспечения, мониторинг мероприятий.

Keywords: Economics, software development, software architecture, event monitoring.

Введение

Новации законодательства требуют изменения методов сбора и проведения анализа данных в контрольной деятельности, что, на наш взгляд, невозможно без своевременного внедрения соответствующих информационных систем. Для усовершенствования бизнес-процессов руководством администрации города Благовещенска было принято решение о разработке программного обеспечения: «Осуществление оперативного мониторинга исполнения программных мероприятий администрации города Благовещенска».

Важным вопросом перед разработчиками программного обеспечения (ПО), является определение, в какой среде и по какой технологии разрабатывать ПО, в том числе, программы для осуществления оперативного мониторинга исполнения мероприятий администрацией города Благовещенска. ПО должно иметь понятный графический интерфейс пользователя и возможность хранения ин-

формации в реляционной базе данных. Выбор архитектуры ПО необходим для определения финансовых затрат на разработку, а также на внедрение и обслуживание ПО. Поэтому, выбор архитектуры программного обеспечения, является актуальной задачей предлагаемого исследования.

Основные функции разрабатываемого программного обеспечения

Разрабатываемое ПО предназначено для сбора, обработки, хранения и представления информации о реализации муниципальных программ администрации города Благовещенска. Основная задача ПО - это наглядное представление информации для оперативного принятия управленческих решений. Внесение информации осуществляется ответственными исполнителями в соответствии подчиненности реализации программных мероприятий. Заполнение справочников и разграничение прав осуществляет сотрудник управления экономического развития администрации города Благовещенска.