Электромеханические преобразователи, диагностика и защита


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




В.И. ВЕТРОВ В.П. ЕРУШИН И.П. ТИМОФЕЕВ




                ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ДИАГНОСТИКА И ЗАЩИТА




Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия







НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.314(075.8)
     В 393



Рецензенты: канд. техн. наук, доц. А.В. Лыкин, канд. техн. наук, доц. А.И Щеглов

Работа подготовлена на кафедре электрических станций для студентов и магистрантов по направлению подготовки «Электроэнергетика и электротехника» факультета энергетики

      Ветров В.И.
В 393 Электромеханические преобразователи, диагностика и защита: учеб. пособие / В.И. Ветров, В.П. Ерушин, И.П. Тимофеев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 259 с.

         ISBN 978-5-7782-2359-2

           Рассматриваются физические закономерности, имеющие место в электромеханических преобразователях (синхронные генераторы, асинхронные и синхронные двигатели) в различных режимах. Приведены способы диагностики места повреждения в обмотках статора и ротора электрической машины и состояние ее изоляции. Проведен анализ входных сигналов устройств диагностики и защиты электродвигателей. Описаны принципы защиты электродвигателей, выполненных на микроэлектронной базе.
           Пособие предназначено для студентов и магистрантов при изучении дисциплин: «Режимы основного оборудования электростанций», «Основы эксплуатации электрических станций» и «Релейная защита электроэнергетических систем», а также может быть полезно инженерно-техническим работникам электротехнических служб энергосистем.








УДК 621.314(075.8)


ISBN 978-5-7782-2359-2

                   © Ветров В.И., Ерушин В.П., Тимофеев И.П., 2013

                                             © Новосибирский государственный технический университет, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение............................................................... 6

1. Физические основы электромеханического преобразования энергии...
  1.1. Общие положения.............................................
  1.2. Физические явления в электромеханическом преобразователе....
  1.3. Электромагнитная мощность обмоток...........................
  1.4. Уравнение движения ротора...................................
2.  Вращающиеся магнитные поля в электромагнитных преобразователях
  2.1. Общие положеания............................................
  2.2. Метод исследования вращающегося магнитного потока статора...
  2.3. Магнитный поток в зазоре в симметричном режиме..............
  2.4. Магнитный поток в зазоре при несимметрии токов статора......
  2.5. Моменты на валу синхронных машин............................
  2.6. Момент на валу асинхронного двигателя.......................

8
8
9
13
17
19
19
19
21
23
25
29

3.  Нормальные режимы синхронных генераторов........................... 32

  3.1. Особенности турбогенераторов и гидрогенераторов.................
  3.2. Факторы, определяющие активную мощность турбогенераторов........
  3.3. Характеристики холостого хода и трехфазного короткого замыкания.
  3.4. Упрощенная векторная диаграмма турбогенератора..................
  3.5. Регулировочные характеристики генератора........................
  3.6. Внешние характеристики генератора...............................
  3.7. Угловые характеристики активной и реактивной мощностей..........
  3.8. Режим синхронного компенсатора..................................
  3.9. Режим генератора и двигателя....................................
  3.10. Регулирование активной мощности................................
  3.11. Регулирование реактивной мощности..............................
  3.12. Зависимость режима генератора от напряжения на его выводах.....
  3.13. Диаграмма мощностей турбогенератора............................
  3.14. Ограничение нагрузки генератора по условиям обеспечения устойчивой параллельной работы.................................................
  3.15. Ограничение режима работы генератора по условию нагрева торцевых зон статора................................................

32
35
37
41
42
46
49
53
55
57
61
64
65

68

69


4.  Нормальные режимы электродвигателей................................ 73
  4.1. Общие положения................................................. 73
  4.2. Схема замещения и векторные диаграммы асинхронного двигателя.     76
  4.3. Электромеханическая характеристика асинхронного двигателя....... 80

3

  4.4. Круговая диаграмма асинхронного двигателя......................
  4.5. Двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками.............
  4.6. Пуск электродвигателей.........................................
  4.7. Графоаналитический метод решения уравнения движения............
  4.8. Нагрев обмоток электродвигателей при пуске.....................
  4.9. Выбег машинных агрегатов.......................................
  4.10  Групповой выбег электродвигателей.............................
  4.11. Расчет допустимой суммарной мощности неотключаемых электродвигателей при самозапуске...............................................
  4.12. Графоаналитический метод расчета самозапуска электродвигателей собственных нужд....................................................
5.  Анормальные режимы генераторов....................................
  5.1. Асинхронный режим синхронного генератора.......................
  5.2. Допустимость работы турбогенератора в асинхронном режиме.......
  5.3. Работа турбогенератора в асинхронном режиме при замкнутой и разомкнутой обмотке возбуждения...................................
  5.4. Условия работы генераторов в асинхронном режиме................
  5.5. Асинхронный ход с возбуждением.................................
  5.6. Способы включения генератора в сеть............................
  5.7. Включение генератора в сеть способом самосинхронизации.........
  5.8. Пусковые характеристики генераторов............................
  5.9. Особенности способа самосинхронизации генераторов..............
  5.10. Особенности несимметричных режимов............................
  5.11. Тепловой режим работы турбогенератора при несимметрии.........
  5.12. Интегральный критерий термической стойкости турбогенераторов..
  5.13. Кратковременные перегрузки генераторов........................
6.  Анормальные режимы электродвигателей..............................
  6.1. Особенности несимметричных режимов асинхронных электродвигателей
  6.2. Влияние обрыва параллельной ветви одной катушки обмотки статора электродвигателя на величину тока статора...........................
  6.3. Режим асинхронного электродвигателя с электрической несимметрией в роторе............................................................
  6.4. Определение зависимости тока статора от мощности или момента сопротивления на валу...............................................
7.  Диагностика электрических машин...................................
  7.1. Общие положения................................................
  7.2. Анализ импульсных (частотных) способов определения повреждений в обмотках генераторов..............................................
  7.3. Способы обнаружения места замыкания на корпус обмотки ротора...
     7.3.1. Способ замера ЭДС по зубцам ротора........................
      7.3.2. Способ зондирования тела ротора с измерением индуктированных ЭДС на кольцах ротора............................................
     7.3.3. Способ зондирования обмотки возбуждения...................
  7.4. Определение места виткового замыкания в обмотках электрических машин
     7.4.1. Способ зондирования тела ротора с замером ЭДС на кольцах ротора

84
86
89
91
92
94
98

100

103
108
108
109

111
114
116
117
119
122
124
125
127
128
130
133
133

149

151

170
174
174

179
185
185

187
189
198


198

4

      7.4.2. Способ зондирования тела ротора с замером на зубцах ротора.  202
      7.4.3. Способ зондирования обмотки возбуждения.................... 203
      7.4.4. Использование датчиков для определения мест повреждений в обмотках электрических машин.................................... 207
  7.5. Определение мест замыканий пакетов стали сердечников электрических машин................................................................. 209
  7.6. Диагностика изоляции электродвигателей........................... 209

8.  Микроконтроллерные устройства защиты и диагностики агрегатов «электродвигатель-механизм» ................................................. 221
  8.1. Общие положения............................................... 221
  8.2. Функциональная схема микроконтроллерной защиты и диагностики электродвигателей 0,4 кВ.......................................... 222
  8.3. Алгоритм функционирования системы контроля уровня изоляции..   224
  8.4. Алгоритм функционирования максимальной токовой защиты без выдержки времени.............................................. 225
  8.5. Алгоритм функционирования защиты от перегрузки................ 226
  8.6. Элементы диагностики электродвигателя и рабочего механизма.... 231
  8.7. Алгоритм функционирования защиты от несимметричных режимов..    232
  8.8. Алгоритм действия защиты от пульсирующей нагрузки............. 237
  8.9. Использование устройства в составе АСУ ТП..................... 239

9. Алгоритмы функционирования микроконтроллерного устройства защиты присоединений 6-35 кВ..............................................
9.1. Назначение, структурная схема устройства......................
9.2. Основные функции устройства...................................
9.3. Алгоритмы максимальных токовых защит..........................
9.4. Алгоритмы токовых защит от замыканий на землю.................
9.5. Алгоритмы защиты минимального напряжения и дуговой защиты.....
9.6. Алгоритмы автоматики управления выключателем..................
Библиографический список...........................................

240
240
244
245
249
250
251
257

    ВВЕДЕНИЕ

   В настоящее время электрическая энергия вырабатывается с помощью генераторов, которые являются преобразователями механической энергии в электрическую. Причем большая часть электрической энергии производится на тепловых электрических станциях. Источником энергии на таких станциях служит химическая энергия топлива, которая первоначально преобразуется в тепло. Затем тепловая энергия преобразуется в турбине в механическую, и только после этого наступает последняя стадия преобразования энергии в электрическом генераторе. КПД современной тепловой станции не превышает 40 %. Для его увеличения при получении электрической энергии необходимо уменьшить количество энергетических преобразований. Способы непосредственного преобразования химической (топливные элементы) и тепловой (магнитогидродинамические генераторы) энергии в электрическую пока не конкурентоспособны по экономическим соображениям. Поэтому в качестве генераторов электрической энергии еще в течение длительного времени будут использоваться обычные электрические машины, существующие в настоящее время. Ведутся работы в области использования явления сверхпроводимости для создания электрических машин с обмотками без потерь. В энергетике наибольшее значение и распространение получили машины переменного тока. Для электрических станций характерны такие режимы основного оборудования, которые гарантируют решение основных задач эксплуатации: покрытие установленного максимума нагрузки, обеспечение надежной работы энергосистемы и ее элементов, поддержание качества электрической энергии на заданном уровне и достижение наивысшего коэффициента полезного действия.
   Анализируя поведение электрических машин в эксплуатации, различают следующие режимы:
   1)    нормальные режимы работы генераторов и двигателей в условиях, отличающихся от номинальных. Это режимы с неполной нагрузкой

6

и режимы с изменяющейся нагрузкой, не приводящие к нагреву машин;
   2)    анормальные режимы - это режимы, при которых имеются значительные отклонения параметров машин от нормальных. В этих режимах допустимое время работы ограничено.
   Ведение режимов основного оборудования предполагает знание физических закономерностей, имеющих место в оборудовании электростанций, к которому относятся генераторы и электродвигатели собственных нужд. Вопросы режимов турбинного, котельного и прочего оборудования изучаются в других курсах. Поэтому в настоящем учебном пособии эти вопросы не рассматриваются, а частично используются по мере необходимости.

    1.  ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

    1.1. Общие положения

   Электрическая и механическая формы энергии, обладающие высокой степенью упорядоченности, относительно легко управляемы и широко используются на электрических станциях.
   Несмотря на то что общие принципы работы электромеханических преобразователей энергии хорошо известны, их теория продолжает непрерывно совершенствоваться как в более детальном описании соответствующих физических процессов, так и в направлении создания универсальных аналитических методов исследования характеристик, автоматизации проектирования и т. п.
   Кроме классических электромеханических преобразователей (синхронные генераторы, асинхронные и синхронные двигатели) в последнее время разрабатываются сверхпроводниковые электрические машины, магнитогидродинамические устройства и др. На электрических станциях, как правило, режим оборудования определяется инструкциями. Однако никакая инструкция не может предусмотреть все возможные случаи поведения электрической машины в процессе эксплуатации, и только на основе знания физической сущности электромеханических процессов возможно правильное поведение обслуживающего персонала.


8

    1.2.       Физические явления в электромеханическом преобразователе


Электромеханическое преобразование энергии основано на движе
нии проводников в электрическом и магнитном полях, которые описываются уравнениями Максвелла:                                    
                                                 •               
rot Hi - j + ---;                                  (1.1)         
д t                                                              
                  rot E = ----;                    (1.2)         
                       д t                                       
div В - 0;                                         (1.3)         
div D - р е .                                      (1.4)         

Здесь Н - напряженность магнитного поля; j - плотность тока; D -электрическое смещение; £ - напряженность электрического поля; В -магнитная индукция; ре - объемная плотность электрических зарядов.
   Уравнения (1.1)-(1.4) дают связь между электромагнитными параметрами в каждой точке пространства.
   Электромеханические преобразователи состоят из системы контуров с токами и магнитопроводов, поэтому приведенные уравнения удобно представить в интегральной форме.
   Так, в уравнении (1.1) можно пренебречь током смещения, и в интегральной форме

ф Hdl =^iₖ ,                      (1.5)
L      k=1

т. e. циркуляция магнитной напряженности по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, сцепленных с этим контуром. Уравнения (1.3) и (1.4) характеризуют структуру магнитного и электрического полей. Из (1.3) следует, что линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и располагаются вокруг проводников с токами. Поэтому, чтобы уменьшить затраты энергии для создания магнитного поля, применяются магнитопроводы, по которым замыкаются линии магнитной индукции. С учетом сказанного для катушки с чис

9

лом витков W, намотанных на ферромагнитный сердечник, уравнение (1.5) можно представить следующим образом:
НkP = iW,                         (1.6)
где /ср - средняя длина магнитопровода.
    Соотношение (1.6) известно как закон полного тока. Силовые линии электрического поля согласно (1.4) начинаются и оканчиваются на электрических зарядах. Поэтому для создания электрического поля в какой-либо зоне внешние элементы не нужны, так как поле может быть создано электрическими зарядами на границах этой зоны.
   Существуют также соотношения
В = pаН ;                         (1.7)

                             ? = еаЁ ;                        (1.8)


• ■
Ф = В S ,

(1.9)

где pₐ - абсолютная магнитная проницаемость; gₐ - абсолютная диэлектрическая проницаемость рассматриваемой среды; Ф - магнитный поток; S - сечение магнитопровода.
   Аналогично для замкнутого контура уравнение (1.2) можно преобразовать в следующее:
.  dФ
е ⁼ —Т, dt
где е - электродвижущая сила (ЭДС). Если контур содержит W витков, то, вводя потокосцепление ф = WФ цюлучим


е ₌ -W™ =-& . dt dt

(1.Ю)

   Соотношением (1.10) выражается закон электромагнитной индукции Фарадея. Знак минус в формуле связан с инерционным характером электромагнитной индукции. Наведенная ЭДС направлена так, что создаваемый ею ток препятствует изменению потока.
   Процесс электромагнитной индукции характеризуется двумя явлениями: индуктированием ЭДС в проводнике, пересекающем трубки магнитного поля, и возникновением силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему тока.

10

Направление индуктированной ЭДС в проводнике £п определяется направлением 2? и движением проводника v (правило правой руки), а направление силы Fп, действующей на проводник, - направлениями поля В и тока в проводнике (правило левой руки), рис. 1.1. Характер отмеченных проявлений процесса электромагнитной индукции определяет вид энергетического процесса в электрической машине - преобразования механической и электрической энергии друг в друга.


Рис. 1.1. Правило правой руки (а) и левой руки (б)

   Приложим к проводнику катушки извне механическую силу F, под действием которой он будет перемещаться в магнитное поле со скоростью V, как показано на рис. 1.2, а. Тогда при выбранных направлениях вектора поля В и механической силы F (рис. 1.2, а) направление ЭДС, индуктируемой в проводнике, будет от нас.
   При обтекании проводника током независимо от того, движется он или нет, возникает электромагнитная сила Fп, действующая на проводник. На рис. 1.2, б для выбранных направлений поля и тока показано направление силы Fп, найденное с помощью правила левой руки.
   При движении проводника с постоянной скоростью, что соответствует нормальному режиму работы машины, механическая и электро

11

магнитная силы, действующие на проводник, должны быть уравновешены. Если при этом проводник перемещается в направлении электромагнитной силы, и, следовательно, против внешней механической силы (рис. 1.3, а), то работа, совершаемая электромагнитной силой, производится за счет энергии электромагнитного поля и покрывается источником электрической энергии. В этом случае происходит преобразование электрической энергии в механическую, и преобразователь работает двигателем. Если движение проводника с током происходит в сторону, противоположную направлению электромагнитной силы, то оно может происходить только под действием внешней механической силы (рис. 1.3, б). В режиме генератора ток и ЭДС в проводнике совпадают, в режиме двигателя они направлены встречно. Из изложенного следует, что электрическая машина обратима, т. е. она может работать и двигателем, и генератором.
   Процесс преобразования энергии всегда сопровождается потерями энергии, выделяемой в виде тепла.


Рис. 1.2. Направление ЭДС (а) и электромагнитной силы (б) для проводника в поле В

Рис. 1.3. Направление ЭДС и тока в проводнике обмотки для режимов двигателя (п) и генератора (б)

12

    1.3. Электромагнитная мощность обмоток

   Физическая сущность основного электромагнитного процесса в электромеханическом преобразователе сводится к индуктированию в обмотках ЭДС и образованию электромагнитной силы (электромагнитного момента), действующей на статор и ротор. Для рассмотрения режима работы электрической машины указанных величин недостаточно. Необходимо установить количественную связь между отдельными величинами, характеризующими рабочее состояние машины. Эта связь определяется на основе уравнений электрических цепей, а для вращающихся машин - еще и уравнения моментов сил, действующих на ротор. Последнее называется уравнением движения.
   В установившемся режиме работы, если обмотка подключена к источнику с напряжением j, уравнение напряжения для нее будет иметь вид
j = d. + ir ,                (1.11)

где у, i - потокосцепление и ток обмотки соответственно; r - активное сопротивление обмотки.
   Умножая (1.11) на id у, получим уравнение баланса энергии
jidt = id у + i² rdt.           (1.12)

   Здесь jidt - электрическая энергия, потребляемая обмоткой за время dt; i² rdt - энергия, рассеиваемая в обмотке в виде тепла; id у -приращение энергии электромагнитного поля, связанного с обмоткой.
   Деля (1.12) на dt, получим уравнение соответствующих мощностей:
ji = id+i² r.                (1.13)
dt
   ^          ^ ... dУ
   В уравнении (1.13) член i- представляет энергию, переходящую
dt               ...
из обмотки в электромагнитное поле за единицу времени. Эта величина называется электромагнитной мощностью обмотки.

13