Разработка электротехнического комплекса диагностики аварийных режимов короткого замыкания генераторов гидроэлектростанций малой и средней мощности : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.09.03

Актуальность темы исследования
Мировое потребление энергии по прогнозам на 2030 год возрастёт на 55%
по сравнению с сегодняшним днём из-за экономического роста, урбанизации
и роста населения. В настоящее время наибольшая часть требуемой энергии
вырабатывается за счёт ископаемого топлива, но эта технология не имеет
перспективы развития. Это связано с одной стороны c истощением ресурсов
углеводородов, а с другой стороны – c жесткими требованиями к экологии
технологических процессов по производству электроэнергии. Необходимо
осваивать новые источники энергии, и в этой тенденции ведущая роль
принадлежит альтернативным источникам, преобразующим энергию света,
воды, биоресурсов в электричество. Этот процесс в наибольшей степени
затрагивает развивающиеся страны, для которых экономически сложно
вкладывать финансы в создание крупных энергосистем. При этом следует
учесть, что мощные источники энергии, включая гидроресурсы, уже освоены.
Во многих странах существует развитая сеть крупных гидроэлектростанций, и
возможность построить дополнительные ГЭС становится все меньше. Так,
например, Рогунский гидроэнергетический комплекс, построенный на реке
Вахш в Таджикистане, является седьмым и последним, который можно
внедрить в этом регионе. При этом следует отметить, что энергоресурс малых
и средних рек практически не использован, а по экспертным оценкам он в
десятки раз превосходит энергоресурсы крупных рек. Например, для
Таджикистана гидроэнергетические ресурсы республики, возможные к
использованию, составляют: по мощности -19,3 млн. кВт, а по выработке –
143,6 млрд. кВт⋅ч. Это указывает на существенные потенциальные
возможности использования возобновляемых гидроэнергетических ресурсов
малых и средних рек, но для его освоения необходимо строительство
большого количества мини-ГЭС.
Анализ функциональной схемы мини-ГЭС показывает, что она является
достаточно сложным техническим объектом, требующим периодического
обслуживания и постоянного наблюдения. Действительно, статистика
показывает, что каждую ГЭС мощностью от нескольких десятков кВт до
единиц МВт непрерывно обслуживает в среднем 2-3 человека. К этому
персоналу необходимо добавить людей, работающих в районных системах
электроснабжения и занятых конкретной станцией. Таким образом, стоимость
производства электроэнергии возрастает весьма значительно из-за высоких
эксплуатационных расходов. Разрешить данное противоречие можно, если
обслуживаемые многочисленным персоналом мини-ГЭС заменить на
полностью автоматизированные мини электростанции, которые работали бы
автономно или параллельно с централизованной сетью.
Одним из требований, которые предъявляются к этим станциям-роботам,
является высокая надежность. Интеллектуальная компьютерная система
управления такими станциями должна помимо обеспечения штатного режима
работы, в зависимости от нагрузки, обеспечивать диагностику и анализ
работоспособности всех систем и информировать центральные диспетчерские
службы о возможных и вероятных неисправностях. Современный уровень
компьютеризации энергетических систем способен решить эту задачу, но эти
системы надо создавать и вести научные исследования в этом направлении.
Таким образом, создание полностью автоматических мини-ГЭС и
разработка для них систем диагностики рабочего состояния и
предупреждения аварийных отказов является актуальной научной
проблемой и востребованной инженерной задачей.
Степень разработанности исследуемой темы
Актуальность и востребованность тематики привлекает к ней большое
количество научно исследовательских сил. Активно работы в этом
направлении велись с середины шестидесятых годов прошлого столетия.
Большая статистическая информация по возможностям и перспективам
развития мини-ГЭС накоплена Энергетическим институтом имени Г.М.
Кржижановского. Следует отметить аналитические работы Безруких П.П.
Научные исследования ученых Московского энергетического института
внесли существенный вклад в проектирование асинхронных и синхронных
генераторов для мини-ГЭС, в частности, электрических машин с мощными
высококоэрцитивными постоянными магнитами. Следует отметить
исследования по применению генераторов двойного питания в качестве
альтернативного источника электроэнергии и систем управления к нему.
Научные заделы в этом направлении сделали ученые А. В. Иванов-
Смоленский, С. В. Иваницкий, Н.И.Пашков, В. Я. Беспалов, К. Я. Вильданов,
В.А. Морозов, В.И. Нагайцев.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
длительное время вел исследования по разработке мини-ГЭС для
энергоснабжения отдаленных потребителей. Заслуживают внимания работы
Вольдека А.И., Костенко М.П., Пиотровского Л.М., Баркова К.В., Елистатова
В.В., которые посвящены анализу и методам оценки параметров мини-ГЭС.
Ивановский государственный энергетический университет
специализуется на методах анализа работы вентильных электроприводов.
Ученые Ю.Б.Казаков, Е. Б. Герасимов, А. И. Тихонов, Н. Н. Новиков внесли
существенный вклад в расчеты магнитных и тепловых полей, разработки
САПР электрических машин, методы оптимального проектирования.
Следует отметить вклад ученых Новосибирского государственного
университета Ю. В. Петренко, А. Г. Приступа, М.В. Глазырина, Р.Х. Диёрова
в область малой гидроэнергетики, в частности, генераторных комплексов на
основе машины двойного питания для малых ГЭС
Ученые Омского института путей сообщения Авилов В.Д., Иванилов
Ю.Л., Сергеев Р.В., Серкова Л.Е., Третьяков Е.А., Харламов В.В., Шкодун
П.К. внесли вклад в исследование малой гидроэнергетики для энергетической
стратегии развития сибирского региона. Они специализировались на
применении асинхронных машин в качестве альтернативных источников.
Самарский государственный технический университет внес
существенный вклад в развитие альтернативной энергетики, в частности,
разработки генераторов и систем управления для ветроэнергетических
установок. Ученые Макаричев Ю.А., Стариков А.В., Зубков Ю.В., Чеботков
Э.Г.Ануфриев А.С. внесли вклад в разработку методики анализа и синтеза
вентильных электрических машин для этого применения.
Заслуживают внимание научные исследования Уральского
федерального университета по разработке специальных электрических
машин, в частности, машин, работающих в агрессивных средах и сложных
климатических условиях. Ученые А.Т. Пластун, Ф. Н. Сарапулов, С. Е.
Миронов, Е. Н. Андреев разрабатывают конструкции многодисковых
торцевых машин, занимаются развитием теории и методов расчета
синхронных двигателей с кольцевыми обмотками.
Ученые Северо-Восточного федерального университета им. М.К.
Амосова Местников Н.П.Константинов, А.Ф. Бурянина Н.С. вели научные
исследования в области эксплуатации мини-ГЭС в условиях крайнего севера.
Южно-Уральский государственный университет в течение рядя лет
занимается вопросами освоения альтернативной энергии и имеет научные
заделы в этой области. Ученые Усынин Ю.С., Григорьев М.А., Ганджа С.А.
внесли вклад в развитие вентильных электроприводов специального
назначения, в том числе и для альтернативных источников питания.
В наукометрической базе Scopus и Web of Science существует обширный
материал, посвященный этой проблеме. Рассмотрены различные типы
существующих мини-ГЭС, различные типы генераторов и систем управления
к ним. В частности, изучены вентильно-индукторные генераторы, генераторы
с электромагнитной редукцией, асинхронизированные синхронные
генераторы. Хорошо представлены методы анализа сложных
электромеханических систем на основе новейших инженерных технологий.
Большое количество научных работ говорит о том, что на сегодняшний
день вопрос о выборе типа мини-ГЭС и типа электрической машины для
гидрогенератора до конца не решен и идет активный поиск. Следует отметить,
что исследования носят разрозненный характер по решению локальных узких
технических задач. Не исследованы вопросы работы мини-ГЭС, работающей
в автоматическом режиме без обслуживающего персонала, в частности,
вопросы надежности и безопасности, диагностики и прогнозирования
неисправностей и отказов, включая внезапные отказы, вопросы качества
питания при несимметричной нагрузке, вопросы оптимального управления
автономной мини-ГЭС.
Современный уровень развития методов анализа с применением
новейших компьютерных средств позволяет решить поставленные задачи. В
данной научной работе исследования сконцентрированы на анализе
аварийных режимов короткого замыкания и разработке методов их
диагностики.
Цель диссертационного исследования
В основу рассматриваемой работы положена идея создания автономной
необслуживаемой ГЭС. При этом функцию контроля всех систем, которые
выполнял штатный персонал, на себя должна взять автоматизированная
компьютерная система. Для этого необходимо разработать устройства,
реализующие функции диагностики состояния узлов и агрегатов ГЭС и
функции связи с центральным диспетчерским пунктом системы
электроснабжения.
Одним из важнейших элементов ГЭС является генератор. Надёжность его
работы и ресурс связаны с грамотной эксплуатацией, своевременным
обслуживанием и выявлением не только возникших неисправностей, но и их
предупреждение. Основными аварийными режимами генератора являются
короткие замыкания разных видов: витковые короткие замыкания, замыкание
фазы на корпус, межфазовые витковые короткие замыкания. Поэтому
основное внимание в работе посвящено анализу этих видов неисправностей и
разработке методов их диагностики. Сложность анализа заключается в том,
что его надо выполнить на работающем генераторе без вывода его из
эксплуатации.
Задачи исследования
Для достижения этой цели необходимо последовательно решить
следующие научные задачи:
1. Разработать метод определения несимметрии генератора при
возникновении аварийных ситуаций, связанных с межвитковыми,
межфазовыми и короткими замыканиями якорной обмотки на корпус.
2. Разработать цифровую модель для исследования коротких замыканий
различных видов.
3. Провести исследования всех возможных вариантов коротких
замыканий на цифровой модели.
4.Разработать цифровую модель определения фазы с межвитковыми
короткими замыканиями по переходному процессу от импульсного
воздействия.
5. Разработать цифровую модель анализа теплового состояния
генератора при коротких замыканиях с определением локальных перегревов.
6. Провести испытания опытного образца генератора для подтверждения
эффективности применения информационной обмотки как индикатора
коротких замыканий разных видов.
Объект исследования
Объектом исследования является вентильный генератор с постоянными
магнитами, силовой электроникой и автоматизированной системой
управления, который предназначен для работы в составе мини-ГЭС.
Предмет исследования
Предметом исследования являются способы и методики анализа
аварийных режимов межвитковых замыканий, межфазовых межвитковых
замыканий, замыканий фазы на корпус, метод определения фазы с
межвитковыми замыканиями.
Методология и методы исследования
Поставленные научные задачи решены с применением теории
электротехники, общей теории электрических машин, метода симметричных
составляющих несимметричной нагрузки, метода конечных элементов для
решения задач электромагнитного и теплового анализа, методов физического
моделирования, методов натурных испытаний.
Научная новизна
В процессе выполнения исследования автором получены следующие
научные результаты:
1. Разработана цифровая модель вентильного генератора с постоянными
магнитами, имитирующая все электромагнитные процессы и режимы работы,
включая аварийные режимы коротких замыканий различных видов.
2. Для диагностики аварийных режимов коротких замыканий
предложена дополнительная информационная обмотка, способная
фиксировать несимметрию магнитной цепи, возникающую при коротких
замыканиях якорной обмотки.
3. Разработана методика диагностики коротких замыканий при
соединении фаз информационной обмотки в треугольник на основе метода
симметричных составляющих для несимметричной нагрузки, возникающей в
аварийных режимах.
4. Разработана методика диагностики коротких замыканий при
соединении фаз информационной обмотки в звезду на основе метода
симметричных составляющих для несимметричной нагрузки, возникающей в
аварийных режимах.
5. Разработана цифровая модель определения фазы с витковыми
замыканиями на основе переходного процесса от импульсного воздействия.
6. Разработана цифровая модель анализа теплового состояния
генератора при коротких замыканиях различных видов на основе МКЭ с
определением локальных перегревов.
7. Разработана измерительная система, экспериментально
подтвердившая эффективность применения информационной обмотки для
индикации коротких замыканий якорной цепи.
Автор на защиту выносит следующие основные научные
результаты:
1. Цифровую модель вентильного генератора, отличающуюся от
известных моделей тем, что она способна анализировать все
электромагнитные процессы вентильного генератора с постоянными
магнитами при различных режимах работы, включая аварийные режимы
коротких замыканий различных видов.
2. Информационную обмотку, которая впервые в практике
диагностики вводится дополнительно в магнитную систему для определения
несимметрии магнитного состояния генератора при аварийных режимах
различных видов.
3. Ранее не применяемые методы определения коротких замыканий с
помощью информационной обмотки, как индикатора магнитной
несимметрии, возникающей в аварийных ситуациях. Предложен метод при
соединении фаз информационной обмотки в треугольник и метод при
соединении фаз информационной обмотки в звезду.
4. Цифровая модель определения фазы с витковыми замыканиями,
которая отличается от известных моделей тем, что определяет
поврежденную фазу по переходному процессу от импульсного воздействия.
5. Цифровая модель теплового состояния генератора во всех режимах,
включая аварийные режимы коротких замыканий, которая отличается
возможностью определения локальных перегревов в месте повреждения за
счет моделирования каждого витка.
Соответствие паспорту специальности
Содержание диссертации соответствует следующим пунктам
Паспорта научной специальности 05.09.03 – Электротехнические
комплексы и системы: п.1. «Развитие общей теории электротехнических
комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое,
математическое, имитационное и компьютерное моделирование
компонентов электротехнических комплексов и систем»; п.3. «Разработка,
структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и
систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного
управления.»; п.4. «Исследование работоспособности и качества
функционирования электротехнических комплексов и систем в различных
режимах, при разнообразных внешних воздействиях.»; п.5. « Разработка
безопасной и эффективной эксплуатации, утилизации и ликвидации
электротехнических комплексов и систем после выработки ими
положенного ресурса».
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании нового
метода диагностики определения коротких замыканий за счет введения
дополнительной обмотки, фиксирующей несимметрию фазных ЭДС в
аварийных режимах, в разработке цифрового двойника, имитирующего все
электромагнитные процессы и режимы работы, включая короткие замыкания
различных видов.
Практическая значимость проведенного исследования заключается в
следующем:
1. Обоснована структура автономной автоматизированной
необслуживаемой мини- ГЭС.
2. Разработана цифровая модель, способная анализировать
электромагнитное процессы всех режимов работы генератора, включая
аварийные. Модель параметризирована и способна перестраиваться под
любые размеры и обмоточные данные.
3. Разработана практическая инженерная методика диагностики витковых
замыканий с помощью информационной обмотки, как индикатора магнитной
несимметрии, возникающей в аварийных режимах коротких замыканий.
4. Разработана цифровая модель анализа теплового состояния генератора
при различных режимах работы, включая аварийные. Модель позволяет
проводить виртуальные испытания и сокращает число циклов реального
прототипирования изделий.
Внедрение результатов работы
Математические модели для исследования электромагнитных процессов
в электрических машинах, методики анализа коротких замыканий
используются в учебном процессе при подготовке специалистов
электротехнических специальностей ЮУрГУ.
Степень достоверности и апробация результатов работы
Основные положения результатов диссертационной работы и отдельные
ее части докладывались и обсуждались на следующих научно-технических
конференциях и семинарах:
1. Международная научно-практическая конференция «Достижения
науки-агропромышленному производству»;
2. Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и
электротехники.
Казань, 20-21 марта 2019 г;
3. X научная конференция аспирантов и докторантов ЮУрГУ, «Секция
технических наук» г. Челябинск, 06-09 февраля 2018 г;
4. Международная научно-техническая конференция «IEEE Russian
Workshop on Power Engineering and Automation of Metallurgy Industry:
Research & Practice (PEAMI), г. Магнитогорск, 4-5 октября 2019 г.
Публикации по теме диссертации
По результатам диссертационной работы опубликовано 6 работ, из них: 3
работы индексированы в базе данных Scopus, 1 статья в журнале, входящем в
перечень ведущих рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК
Минобрнауки РФ, 2 статьи в журналах РИНЦ.
Личный вклад автора в диссертационное исследование
Все научные результаты, включенные в диссертацию и представленные к
защите, получены лично автором, включая разработку цифровой модели
электромагнитного состояния, цифровой модели магнитного состояния,
концепции информационной обмотки, методик определения коротких
замыканий, проведенных исследований опытного образца. Личный вклад
диссертанта в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в определении
направлений исследований, постановке задач, разработке математических и
имитационных моделей.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из определений, используемых научных терминов,
основных обозначений и сокращений, введения, 4 глав, заключения, списка
литературы из 153 наименований, 5 приложений. Работа изложена на 145
страницах, из них 118 страниц основного текста. Работа содержит 37
иллюстраций, 15 аналитических выражений, 7 таблиц, 5 приложений.
Диссертация имеет следующую структуру и логику построения.
Во введении показана актуальность освоения гидроэнергопотенциала
малых и средних рек, который в несколько раз превосходит этот показатель
для больших рек, показана степень научной разработанности исследуемой
темы, задачи исследования, объект и предмет исследования, примененные в
работе методы исследования, научная новизна и положения, выносимые на
защиту, соответствие паспорту специальности, теоретическая значимость,
практическая значимость и результаты внедрения, апробация и публикации по
теме диссертационного исследования.
Первая глава содержит анализ энергетических возможностей малых и
средних рек Таджикистана. Показано, что ресурс больших рек исчерпан, а
гидропотенциал малых рек практически не используется. Освоение его
потребует организации большой сети мини-ГЭС, но эксплуатация большого
количества этих мини-ГЭС с использованием персонала будет
нерентабельным. Единственный путь решения проблемы – это создание
полностью автономных мини-ГЭС без постоянного обслуживания. Такие
мини-ГЭС в системе мероприятий требуют разработки электротехнических
комплексов по диагностики аварийных состояний. В главе определена
структура современной мини-ГЭС, выбран базовый вариант генератора, дана
классификация аварийных режимов возможных коротких замыканий якорной
обмотки.
Во второй главе делается анализ различных методик, пригодных для
диагностики. В качестве основной методики выбрано цифровое
моделирование электромагнитных процессов на основе МКЭ. В качестве
программной среды выбран CAE комплекс Ansys Electronics Desktop. Для
подробного анализа обмотка была представлена в виде отдельных витков, для
каждого витка был создан свой терминал, и каждый виток был включен в
общую схему. Тестирование модели показало, что диагностировать витковые
замыкания по внешним токам и напряжениям практически невозможно. Был
предложен метод использования отдельной информационной обмотки для
определения несимметрии магнитной цепи, возникающей от аварийных
режимов. Исследовались два варианта диагностики: присоединении фаз
информационной обмотки в треугольник и в звезду. Приведена цифровая
модель определения поврежденной фазы по переходному процессу
импульсного воздействия на якорную обмотку.
В третьей главе представлена цифровая модель теплового состояния
генератора, которая анализирует все состояния, включая аварийные состояния
короткого замыкания. Особенность построения модели заключается в том, что
решается связанная задача электродинамики и термодинамики. Результаты
анализа в среде Ansys Electronics Desktop через оболочку передаются в среду
Ansys Icepak, где происходит окончательный тепловой анализ. Поскольку
обмотка в модели разложена на отдельные витки, появляется возможность
определения локальных перегревов в месте повреждения.
В четвертой главе разрабатывается измерительная система, с помощью
которой проводится экспериментальная проверка концепции применения
информационной обмотки, как индикатора несимметрии магнитной цепи,
возникающей в результате аварийных режимов коротких замыканий.
Исследуется вариант соединения фаз информационной обмотки в треугольник
и вариант соединения этих фаз в звезду.
Заключение содержит выводы, сделанные по результатам всей работы.
Определены направления дальнейших исследований в области диагностики
аварийных режимов коротких замыканий якорной обмотки.
В диссертации приведен список использованных источников из 153
наименований отечественных и зарубежных авторов.
1. АНАЛИЗ ГИДРОРЕСУРСОВ ТАДЖИКИСТАНА И