Исследование влияния несинусоидальности на электрооборудование в сельском хозяйстве

Система электроснабжения (СЭС) сельских районов в своем масштабе имеет значительный удельный вес в общей энергетической системе. Одной из основных задач нормального функционирования СЭС является надежное электроснабжение потребителей качественной электрической энергией в необходимом объеме.

С динамичным ростом потребителей сельских районах изменилась нагрузка и, как следствие характер потребителей. Среди них такие, как персональные компьютеры, СМАРТ телевизоры, микроволновые печи, источники света на базе LED технологий, широкое применение получили частотные регуляторы электрических приводов.

Потребители обладают небольшой номинальной (установленной) нагрузкой, но при массовом применении являются источниками высших гармоник тока и напряжения приводящими к провалам в синусоиде тока и напряжения в точке контроля в сетях 0,38 кВ.

В основном электроснабжение сельских районов осуществляется от энергосистемы по электрическим сетям классов напряжения 110, 35, 20, 15, 10, 6 кВ. Электроснабжение потребителей осуществляется по распределительным сетям 0,38 кВ.

Электрические сети сельских районов обеспечивает электрической энергией большое число потребителей производственного сектора и быта. Современные агропромышленные компании вынесли своё производство в сельские районы и представляет собой крупные предприятия на промышленной основе, на которых обеспечение технологического процесса осуществляется сотнями единиц электрооборудования, в том числе и асинхронных двигателей.

Учитывая факт, что нелинейные электроприемники являются дополнительными источниками высших гармоник тока и напряжения в распределительной сети, производители совершенствуют приборную базу и технологию производства электротехнического оборудования. При инструментальном контроле качества электрической энергии фиксируются многочисленные электромагнитные помехи, вызванные влиянием потребителей электрической энергии с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Их вклад в общую электромагнитную обстановку сети составляет 10 -15%, что существенно влияет на эксплуатационную надежность оборудования, подключенного к данной сети. Следовательно, данные показатели необходимо постоянно контролировать в целях снижения риска массового выхода из строя оборудования, подключенного к распределительной сети.

Гармоники тока и напряжения спектра 3, 5, 7, 11 - 21 считаются основным источником возмущения, приводящим к искажению синосуидальности в точке контроля. Относительно сетевого комплекса снижается пропускная способность электрической сети, увеличиваются потери мощности, напряжения, сокращается срок службы электротехнического оборудования потребителя [1].

Работа проведена по оценке влияния несинусоидальности на электрооборудование в сельском хозяйстве, а в частности на температурные процессы, протекающие в асинхронном двигателе.

Цель исследования - создание метода оценки влияния нелинейных электроприемников в сельских сетях 0,38 кВ на работу асинхронного электродвигателя.

Материалы и методы исследования

Асинхронный двигатель представляет собой систему, объединяющую электрические, электромагнитные, тепловые и механические явления. Теоретически различают три формы распределения теплоты, подчиняющиеся разным физическим законам: теплопроводность, конвективный теплообмен, теплообмен излучением. Асинхронный двигатель состоит из металлов, сплавов, диэлектриков. В металлах теплопроводность осуществляется путем диффузии свободных электронов, в диэлектриках посредством упругих волн. В процессе работы в асинхронном двигателе имеют место все виды теплообмена.

Исходной причиной тепловыделения в асинхронном двигателе является протекание физических процессов:

• -    выделения тепла в проводниках обмотки при прохождении тока;

• -    диэлектрические потери в изоляции;

• -    влияние высших гармоник на избыточный нагрев обмоток и частей синхронного двигателя;

• -    рассеяние энергии в магнитных материалах статора и ротора за счёт в вихревых токов;

• -    диссипативные процессы, при совершении механической работы.

Теплообмен в асинхронном двигателе - самопроизвольный необратимый процесс передачи тепловой энергии в теле машины, конструкции с внутренним источником тепла, естественным образом сопровождающийся процессом передачи тепловой энергии в пространство, направленный в сторону уменьшения температуры. Основным условием 72

возникновения теплообмена является наличие разности температур взаимодействующих частей асинхронного двигателя и окружающей среды.

В асинхронном двигателе процесс теплообмена характеризуется во времени и пространстве. Для определения метода влияние высших гармоник заносимых потребителями электрической энергией в распределительную сеть 0,38 кВ и влияния спектра нечетных гармоник на температурный режим асинхронного двигателя был проведён эксперимент и собрана статистическая информация о состоянии сети в установках организации агропромышленного комплекса.

В основу исследования легли методы:

• -    инфракрасной термографии, как метода неразрушающего контроля состояния электрооборудования [5];

• -    контроля и регистрация показателей качества электрической энергии [6];

• -    определения эксплуатационной надежности привода асинхронного двигателя [7].

Объектом исследования стал асинхронный двигатель серии: АИР ХМ 132 51УЗ, который установлен в приводе системы вентиляции и имеет следующие характеристики:

• -    мощность 7.5 (кВт);

• -    категория «общепромышленные электродвигатели»;

• -    частота вращения 1440,0 (об/мин);

• -    КПД 87,5%;

• -    класс изоляции В;

• -    коэффициент мощности (cos φ) 0,86 %;

• -    год выпуска 2003.

Оборудование системы вентиляции, в том числе и сам двигатель, было смонтировано, установлено и запущено в работу с 2004 года. В соответствии с внутренней нормативной документацией агропромышленного комплекса техническое обслуживание объекта исследования проводилось два раза в год, а текущий ремонт 1 раз в два года. В общем объеме работ были выявлены замечания указанные в таблице № 1. Двигатель подключен к распределительной сети 0,38 кВ административного здания от которой питаются потребители разных видов, а именно осветительная нагрузка, система управления компьютерными сетями и сервер, оргтехника и т.д., получающие питание от трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ.

Таблица 1 - Выявленные замечания при выполнении ТО и ТР объекта исследования с 2004 по 2019 г.

№	Дата обследования	Вид работ	Выявленные замечания	Примечания
1	16.01.2006	ТО	Загрязнение корпуса от пыли	Устранено
2	09.06.2008	ТО	Свободный ход болтов крепления АД	Устранено
3	06.06.2011	ТО	Загрязнение корпуса от пыли	Устранено
4	20.01.2014	ТО	Свободный ход болтов крепления АД, Загрязнение корпуса от пыли	Устранено
5	08.06.2015	ТО	Загрязнение корпуса от пыли	Устранено
6	23.01.2017	ТО	Загрязнение корпуса от пыли	Устранено
7	22.01.2018	ТО	Загрязнение корпуса от пыли	Устранено

Схема соединения обмоток питающего трансформатора ТМ-1000 - D/Yn (обмотка высокого напряжения соединена в треугольник, обмотка низкого напряжения - в звезду с выведенной нейтралью). Выполнение работ по организации эксперимента начиналось с подбора приборов и выявления ожидаемых диапазонов физических параметров.

Целью эксперимента является определение спектра высших гармоник оказывающих влияние на температурный режим асинхронного двигателя, проведение диагностики теплового поля асинхронного двигателя посредством инфракрасной термографии и выявления взаимосвязи избыточного нагрева обмоток статора и ротора от высших гармонических составляющих питающей сети, разработка метода оценки влияния нелинейных электроприемников на температурный режим при работе асинхронного двигателя.

Для регистрации параметров исследования применили следующие приборы:

• -    термограф ИРТИС - 2000 С, прецизионный оптико-механический сканирующий инфракрасный прибор для измерения и визуализации тепловых полей (сертификат об утверждении типа средств измерения № 13378);

• -    контроллер присоединения BINOM 337, который совмещающий функции счетчика электрической энергии, измерителя увеличенного списка характеристик присоединения, осциллографического регистратора характеристик сети. Контроллер присоединения BINOM 337 имеет своё программное обеспечение 80508103.00044-01 [4].

Результаты и обсуждение

В соответствии с предложенной диагностической моделью проведен эксперимент.

Структура предложенной диагностической модели приведена схематично на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема предложенной диагностической модели

Данная модель предназначена для диагностики теплового поля асинхронного двигателя (объекта исследования, рисунок 3) и выявления мест избыточного нагрева внутренних частей машины от влияния высших гармонических составляющих тока и напряжения питающей сети. Применение в диагностической модели термографа ИРТИС 2000 С позволяет с высокой точность выявить места локального нагрева и обосновать влияние высших гармоник на дополнительный нагрев частей электродвигателя.

\< eihSMj

ПАРАМЕТРЫ ПРИСОЕДИНЕНИЯ

Рисунок 2 - Параметры сети и регистрация наличия высших нечетных гармонических составляющих питающей сети электропривода

В питающей распределительной сети 0,38 кВ показатели качества электрической энергии контролируются в точке подключения электропривода к внутренней сети здания.

На всем протяжении работы электрического привода проводилась фиксация показателей качеств питающей распределительной сети, а именно высших гармонических составляющих тока и напряжения питающей сети, результаты которых приведены на рисунок 2.

Из приведенных данных определена фиксация показателей высших гармонических составляющих, которые наглядно присутствуют в питающей сети, и ярко выражены с 1 по 21 порядок.

При этом температурное поле статора асинхронного двигателя было разогрето до 84,4 °C, результаты приведены на рисунок 3.

Рисунок 3 - Визуализация внутреннего теплового поля асинхронного двигателя по средствам термографа ИРТИС – 2000 с включенными нелинейными потребителями

Для исключения влияния потребителей здания, где проводился эксперимент, с

нелинейной характеристикой дождались того момента, когда их можно будет отключить полностью от питающей сети и провести измерения по определению высших гармонических составляющих тока и напряжения в питающей сети привода и снятия теплового поля асинхронного двигателя, при одинаковых величинах продолжительности работы асинхронного двигателя и температуры окружающей среды.

Результаты повторного измерения высших гармоник питающей сети привода приведены на рисунке 4, где определены незначительные фиксации высших гармонических составляющих, а температурное поле статора асинхронного двигателя приведено на рисунке 5, где наивысшее значение температурного показателя определяется 54,2 °C.

Рисунок 4 - Регистрация гармонических составляющих питающей сети электропривода с отключенными нелинейными потребителями

Рисунок 5 - Визуализация внутреннего теплового поля асинхронного двигателя по средствам термографа ИРТИС - 2000 с отключенными нелинейными потребителями

Проведенное исследование подтверждает гипотезу влиянии высших гармонических составляющих тока и напряжения на избыточный нагрев электрооборудования, подключенного к питающей сети с нелинейными потребителями.

Электрофизические процессы протекающие в сети и вызывающие дополнительные потери и избыточный нагрев частей двигателя должны вовремя регистрироваться устройствами автоматики и управления снижаться до нормируемых параметров гармонически составляющих [2, 9, 10], а именно для гармоник: 3 порядка - 0,9%, 5 порядка 0 - 0,4%, 7 порядка - 0,3%, 9 порядка - 0,2%, нечетных от 2 до 10 порядка - 0,2%, от 11 до 40 порядка - 0,1%.

Учитывая этот факт можно утверждать, что происходит и искажение формы кривой синусоидального напряжения в пределах от 10% до 15%, что приводит к незначительному изменению коэффициента мощности и вращающего момента машины. Но зато потери в обмотках статора составляют 14%, потери в цепи ротора составляют 41%; потери в торцевой части составляют 19%; вибрационные пульсации возрастают до 26% [3, 11].

Выводы

• 1.    Была создана диагностическая модель, как метод, для диагностики теплового поля асинхронного двигателя с применением термографа ИРТИС 2000 С и фиксацией характеристик в питающей электрической сети 0,38 кВ высших гармонических составляющих контроллером присоединения BINOM 337, которая четко обосновывает влияние высших гармоник на дополнительный нагрев частей электродвигателя.

• 2.    Исследуемые показатели предложенной диагностической модели наиболее точно характеризуют локальный избыточный нагрев электрооборудования, которые целесообразно в дальнейшем применять, как критерий цифровизации [8] к технической диагностике питающей электрической сети 0,38 кВ;

• 3.    Для определения возможности более надежной работы асинхронного двигателя в зависимости от состава гармонических составляющих необходимо запланировать и в будущем провести экспериментальное исследование в более узком направлении спектра номеров гармоник, для возможности определения конкретного номера гармоники, которая оказывает паразитирующее влияние на тепловое поле асинхронного двигателя в сторону его увеличения.