Функциональные и основные технические требования к устройству индикации пофазной нагрузки и перегрузки электрогенератора

Введение. В ходе изучения вопроса использования электрогенераторов в сельском хозяйстве было выявлено, что рост числа используемых бензиновых и дизельных генераторов малой мощности связан, прежде всего с невысокой надёжностью электроснабжения сельских потребителей, а также активным использованием данных установок в строительной и военной отраслях [1,2].

Применение электрогенератором малой мощности для резервного электроснабжения сельских потребителей обосновано тем, что показатели надёжности сельских электрических сетей остаются низкими [3]. Во многом это связано с недостатками конфигурации электрических сетей 0,4 кВ. которая не позволяет осуществлять сетевое резервирование [4] и их состоянием. Более 65% сетей имеют срок нахождения в эксплуатации более нормативного [5]-

В электросетевых компаниях имеются передвижные электростанции мощностью 6-30 кВт, применяемые для резервного электроснабжения сельских потребителей [6]. При необходимости, такие генераторы подключаются к отходящей от трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ линии 0,4 кВ и питают подключенных к ней потребителей.

Используются и частные генераторы для резервного электроснабжения жилых домов, приусадебных участков, в последние годы количество их неуклонно растёт [7].

На работу всех резервных генераторов негативно сказывается наличие несимметрии токов и напряжений, обусловленных неравномерным распределением нагрузки по фазам. Такое распределение является характерным для сельских потребителей, поскольку большинство применяемых ими электроприёмников является однофазными и распределяется по фазам при подключении к электрической сети в случайном порядке. Несимметрия, в свою очередь, приводит к механической вибрации и быстрому перегреву ротора генератора [8,9]. В конечном итоге это, наряду с другими причинами, может привести к выходу из строя генераторов [10,11,12].

Для борьбы с несимметрией используют различные средства, среди которых фильтры [13], симметрирующие устройства [14], равномерное распределение электроприёмников по фазам. Тем не менее, полностью избежать несимметрии токов и напряжений в сельских электрических сетях практически невозможно. Поэтому генераторы работают в режимах с несимметрией. Это приводит часто и к ситуациям, когда одна из фаз перегружается относительно допустимой для неё мощности. Такие ситуации возникают, в том числе, из-за некомпетентности обслуживающего установку персонала, который неверно определяет допустимую к подключению фазную мощность и иногда подключает на одну фазу мощность, сопоставимую с трёхфазной мощностью генератора. Проблема усугубляется тем, что генераторные установки малой мощности не оснащаются средствами мониторинга и индикации пофазной загрузки. Поэтому оператор не видит текущую загрузку фазы н не реагирует на перегрузку до момента отключения генератора защитой, или выхода его из строя.

Таким образом, разработка устройств мониторинга и индикации пофазной загрузки и перегрузки генераторов малой мощности (УМЗЭГ) является актуальной задачей не только для случаев резервного электроснабжения сельских потребителей, но и для основного электроснабжения в регионах, где централизованное электроснабжение отсутствует. А согласно [15] это 2/3 территории России, где порядка 30% электроэнергии производятся с помощью дизельгенераторных установок (ДГУ).

Материалы и методы. Выполненный обзор литературы показал необходимость создания устройств мониторинга и индикации пофазной загрузки и перегрузки генераторов малой мощности. Их применение позволит предотвратить значительную несимметрию токов и напряжений за счёт того, что при подключении нагрузки оператор генераторной установки будет видеть текущую загрузку фаз генератора и будет более рационально распределять подключаемую нагрузку. Также оператор сможет оперативно отреагировать на перегрузку одной, или нескольких фаз, предотвращая снижение ресурса и выход из строя генератора. Разрабатываемые требования к устройству включают в себя необходимый функционал, условия эксплуатации.

Результаты и обсуждение.

Разрабатываемое устройство мониторинга и индикации пофазной загрузки и перегрузки генераторов малой мощности УМЗЭГ используется следующим способом, который проиллюстрирован на рисунке 1. С помощью соответствующих датчиков контролируют ток и напряжение на выводах генератора и мощность по фазам, определяют наличие несимметрии по току, напряжению и нагрузке, выделяют наиболее и наименее нагруженные фазы. Отображают на панели управления генератора допустимые ток, напряжение и мощность по фазам, фактические ток, напряжение и мощность по фазам, 51

степень загрузки фаз, возможную и рекомендуемую свободные мощности нагрузки по фазам, осуществляют световую индикацию о недопустимой несимметрии по фазам, световую и звуковую индикацию о перегрузке по фазам. На основе указанной информации принимают решение о перераспределении нагрузки, при подключении дополнительной однофазной нагрузки определяют на какую фазу её рационально подключить.

Рисунок 1 - Способ применения УМЗЭГ для рационального управления нагрузками электрогенератора

Исходя из вышеприведённого способа основные функциональные возможности данного устройства можно сформулировать следующим образом. Устройство должно обеспечивать:

• -    измерение напряжения, коэффициента мощности (cos ф), тока и мощности по всем трём фазам и нулевому проводнику;

• -    отображение текущих напряжения, коэффициента мощности (cos ф), тока и мощности по фазам;

• -    задачу и отображение допустимой мощности по фазам;

• -    отображение разрешённой и рекомендуемой дополнительной мощности нагрузки по фазам;

• -    индикацию и сигнализацию о превышении допустимой мощности по каждой из фаз;

• -    индикацию и сигнализацию о превышении допустимой несимметрии тока и напряжения;

• -    возможность подключения к генератору без вмешательства в его внутренние цепи для эксплуатируемых генераторов с помощью переходного устройства;

• -    архивирование данных,

• -    передачу информации удалённому оператору.

Описанные функциональные возможности позволят УМЗЭГ обеспечивать мониторинг и индикацию пофазной загрузки и перегрузки генератора. Эго позволит повысить эффективность обслуживания генераторной установки.

УМЗЭГ планируется устанавливать непосредственно на корпусе, или щите генераторной установки с помощью специальной крепёжной платформы или магнитов в положении, удобном для восприятия отображаемой информации оператором установки. Устройство должно надежно работать после длительного хранения при температуре воздуха от - 35 °C до + 40 ° С и относительной влажности воздуха от 20% до 85%. Устройство должно быть устойчиво к воздействию влаги и вибрации. Степень защиты контактов не менее IP-44. Устройство должно обеспечивать продолжительный режим работы в течение суток или на время работы электрогенератора [15,16]. Устройство будет предназначено для использования в трехфазной или (в модификации для однофазных генераторов) однофазной электрической сети переменного тока с напряжением 220/3 ЗОВ (220В) и частотой 50 Гц. Техническое обслуживание устройства должно осуществляться не реже одного раза в 6 месяцев.

Основные требования, предъявляемые к устройству следующие:

• -    устройство должно быть представлено в виде трёхфазной и однофазной модификаций исполнения с возможностью комплектования датчиками и трансформаторами тока различного номинала;

• -     напряжение 220/3ЗОВ.

• -    наличие защиты входных цепей от перенапряжений:

• -    наличие защиты входных цепей от сверхтоков;

• -    компоненты устройства должны соответствовать требованиям соответствующих технических условий,

• -    все комплектующие должны соответствовать ГОСТам и ТУ:

• -    средний срок службы устройства должен составлять не менее 5 лет.

Техническое обслуживание устройства должно осуществляться подготовленным электротехническим персоналом.

Выводы. При выполнении приведённых функциональных и технических требований, устройства мониторинга и индикации пофазной нагрузки и перегрузки генераторов УМЗЭГ позволят улучшить работу элекгрогенераторных установок. Это достигается за счёт возможности обеспечить минимизацию несимметрии токов и напряжений генератора на этапе подключения нагрузки, не допущения перегрузки генератора. Таким образом, применение УМЗЭГ позволит предотвращать выход из строя генераторов, повышать ресурс их работы и снижать в них потери электроэнергии.