Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы сельское хозяйство
РФ интенсивно развивается. По оценкам экспертов, по объемам
производства основных видов растениеводческой продукции страна
превысила дореформенные уровни. Перевооружение сельского хо
зяйства требует и качественного энергоснабжения, что не наблюда
ется, и это связано с известными причинами: большая протяжен
ность линий, малое сечение проводов, изношенное оборудование
трансформаторных подстанций. В сельских сетях отмечается высо
кий уровень несимметрии трехфазных напряжений на зажимах
электроприемников. Уровень несимметрии, регламентируется
стандартом и определяется с помощью коэффициентов несимметрии по обратной и нулевой последовательности, реальные значения которых существенно выше.
Из-за особенности механической характеристики насосных установок невозможно точно определить уровень недопустимой несимметрии для каждого агрегата и трудно зафиксировать такой аварийный режим, как обрыв фазы питающей сети. Неправильная настройка фильтровых устройств защиты часто приводит к ложным отключениям. Учитывая невозможность полной перепланировки и оптимизации подключений потребителей к электрической сети, замены изношенного оборудования распределительных сетей, необходимо совершенствовать существующие системы фильтровых защит и их методику настройки, что даст возможность производить своевременное отключение электродвигателей насосов.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР Кубанского ГАУ № ГР АААА-А16-116021110071-1 (2016–2020 гг.).
Степень разработанности темы. Несмотря на большое количество эксплуатируемых устройств защиты, аварийность электродвигателей в сельском хозяйстве остается высокой, в том числе из-за трудности корректной их настройки вследствие случайного характера несимметрии в сети. Актуальными вопросами эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве, занимались многие научные работники: А.М. Басов, И.А. Будзко, О.Д. Гольдберг, С.В.
Оськин, В.Н. Данилов, А.О. Грундулис, А.А. Пястолов, В.Г. Петь-ко, Н.М. Попов и др. По результатам проведенных в различное время и отдельными авторами исследований (научные школы ВНИПТИЭМ, ВИЭСХ, АЧИИ ДонГАУ, Южно-Уральский ГУ и др.) установлено, что одной из ведущих причин отказов электродвигателей является обрыв фазы питающей сети и несимметрия напряжений (до 24 % отказов). Соответствующие аппараты фильтровой защиты, работая в сельских сетях, не могут адекватно отслеживать качество электроэнергии и надежно отключать электродвигатели насосов при появлении аварий.
Для решения проблемной ситуации была сформулирована научная гипотеза: напряжение нулевой последовательности определяется различными причинами, имеющими вероятностный характер — статический или динамический, и для адекватной настройки порогов срабатывания устройств фильтровой защиты необходимо учитывать каждую из составляющих причин.
В качестве предмета исследования рассматривалась степень детерминированности результирующего напряжения нулевой последовательности его составляющими компонентами — статическим и динамическим, а также параметры устройства контроля фаз.
Объектами исследований являлись: напряжение нулевой последовательности, устройства контроля фаз, аппараты защиты электродвигателей погружных насосов от обрыва фазы.
Цель исследований: повышение надежности защиты электродвигателя погружного насоса от обрыва фазы питающей сети путем усовершенствования параметров и разработкой устройства контроля фаз, на основе фильтров напряжений нулевой последовательности.
Задачи исследования.
-
Установить основные факторы, влияющие на напряжение нулевой последовательности и составляющие компоненты последнего в соответствии с установленными причинами.
-
Учитывая вероятностный характер компонентов, составляющих напряжения нулевой последовательности в системе питания
электродвигателя, установить степень влияния каждого на результирующее значение этого показателя качества электроэнергии.
3. Определить зависимость вероятности срабатывания устрой
ства фильтровой защиты от значения компонентов напряжения ну
левой последовательности и разработать способы оценки этой за
висимости.
-
Разработать схемное решение устройства контроля фаз электродвигателя погружного насоса и определить его параметры, повышающие надежность работы фильтровой защиты.
-
Произвести экспериментальную проверку теоретических положений, предлагаемого способа представления напряжения нулевой последовательности.
-
Создать макетный образец устройства контроля фаз с системой управления погружного электродвигателя и проверить его работоспособность при различных уровнях несимметрии питающей сети.
-
Оценить экономическую эффективность внедрения устройства контроля фаз с системой управления погружного электронасосного агрегата на примере водоснабжения сельскохозяйственного объекта.
Методы исследований: законы электротехники; математическое моделирование; имитационное моделирование в программах Octave, Matlab; теория надежности; теория вероятности статистическая обработка расчетных и экспериментальных данных.
Научная новизна работы:
способ представления результирующего напряжения нулевой последовательности векторной суммой статической и динамической составляющих;
компьютерная модель, имитирующая производственные ситуации на основе существующих статистических данных уровня несимметрии в сельских электрических сетях и заводские данные по настройке устройств фильтровой защиты;
выражение, описывающее динамический компонент напряжения нулевой последовательности в виде двумерной случайной
величины, параметрами которой являются фазовый угол и амплитуда вектора напряжения нулевой последовательности;
- функциональная зависимость вероятности срабатывания
устройства фильтровой защиты по напряжению нулевой последо
вательности от уровня несимметрии, вносимого динамическим
компонентом;
- усовершенствованные параметры устройства контроля фаз с
обоснованием предложения по созданию в сельских электрических
сетях на зажимах электродвигателей погружных насосов новой
сравнительной базы для измерения величины напряжения нулевой
последовательности, путем введения искусственной нулевой точки
на основе активных элементов.
Теоретическую и практическую значимость составляют:
способ представления напряжения нулевой последовательности на основе предложенных компонентов, который позволяет отделить случайную и детерминированную составляющие данного показателя качества напряжения и произвести необходимые расчеты для установления порогов срабатывания устройств защиты электрических машин;
компьютерная модель, имитирующая различные уровни несимметрии в сельских электрических сетях и заводские данные настройки устройств фильтровой защиты, которая показывает, что практически невозможно отстроиться от ложных срабатываний не загрубляя защиту, а это приводит к несрабатыванию устройства защиты при возникающих аварийных режимах;
- формула для расчета вероятности срабатывания устройства
фильтровой защиты по напряжению нулевой последовательности,
расчеты по которой показывают, что при работе электроустановки в
несимметричной сети на уровне среднестатистических значений и
обрыве фазы электродвигателя, вероятности срабатывания устрой
ства по отдельным фазам находятся в интервале от 59%, до 86%;
- усовершенствованные параметры устройства контроля фаз
электродвигателя погружного насоса включающие искусственную
нулевую точку и установление порога срабатывания защиты на
уровне 5 - 12 В, что исключает ложные срабатывания и доводит вероятность отключения при обрыве фазы до 100%;
- принципиальная электрическая схема устройства контроля
фаз электродвигателя погружного насоса, имеющая в своем составе
искусственную нулевую точку, реализованную в виде трех резисто
ров, соединенных "звездой".
Реализация результатов исследований. Результаты исследований используются при модернизации и эксплуатации насосных станций в Воронежской области: СХА «колхоз Родина», ООО «Бо-гучарбытсервис».
На защиту выносятся следующие основные положения:
- способ представления напряжения нулевой последователь
ности векторной суммой статической и динамической составляю
щих;
компьютерная модель, имитирующая производственные ситуации на основе существующих статистических данных уровня несимметрии в сельских электрических сетях и заводские данные по настройке устройств фильтровой защиты;
выражение, описывающее динамический компонент напряжения нулевой последовательности в виде двумерной случайной величины, параметрами которой являются фазовый угол и амплитуда вектора напряжения нулевой последовательности;
- функциональная зависимость вероятности срабатывания
устройства фильтровой защиты по напряжению нулевой последова
тельности от уровня несимметрии, вносимого динамическим ком
понентом;
- усовершенствованные параметры устройства контроля фаз
электродвигателя погружного насоса;
- значения вероятностей срабатывания устройства фильтровой
защиты при различных значениях коэффициентах несимметрии по
нулевой последовательности, вносимой динамическим компонен
том;
- результаты экспериментальных исследований фильтров напряжений нулевой последовательности и их совпадение с теоретическими данными;
- результаты испытаний макета устройства контроля фаз электродвигателя насоса по разработанной принципиальной схеме.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и публиковались на научных конференциях Кубанского ГАУ (Краснодар, 2015-2017 гг.), на Международной научно-практической конференции “Проблемы пожарной, промышленной и экологической безопасности” (Краснодар, 2017), на XIV международной научно-практической конференции "Наука в современном информационном обществе"(North Charleston, USA, 2018) .
Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 научных работ, из них 4 в изданиях из перечня ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 7,3 печатных листа, из них личный вклад автора 3,4 печатных листа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 108 наименований и приложения. Диссертация изложена на 145 страницах компьютерного текста, включая 20 страниц приложения, содержит 39 рисунков, 22 таблицы.