Устройство мониторинга загрузки маломощных электрогенераторов

Введение.

В последние годы наметился тренд на рост использования генераторов малой мощности, находящихся до 40 кВт [1], которые особенно чувствительны к несбалансированности нагрузок, приводящей к механической вибрации и быстрому перегреву ротора генератора [1]. В исследовании, проведенном в НИУ ВШЭ Бутовым А.М. [2], установлено, что за три года (2018-2021 гг.) в Российской Федерации было продано 1190000 шт. генераторов, из которых большую часть составляют генераторные установки с бензиновыми двигателями. Так как в сельских электрических сетях имеются частые перебои в электроснабжении, то наблюдается явный тренд увеличения продаж генераторов для частного использования. Так в 2018 году доля генераторов с бензиновыми двигателями в частном использовании составляла только 50%, однако в 2019 г. эта доля увеличилась до 76%, в 2020 г. – до 83%, а в 2021 г. – до 85%. Несмотря на значительный рост числа генераторов в частном использовании, генераторы малой мощности, в отличие от мощных генераторов, работающих на больших электростанциях, не оснащаются дорогостоящими средствами защиты, особенно для защиты от несимметрии напряжений [3]. Это объясняется тем фактом, что проблему несимметрии напряжений принято решать за счет перераспределения нагрузок в линиях электропередачи и/или установки компенсирующих устройств [2, 3]. Международная электротехническая комиссия (МЭК) рекомендует производить отключение асинхронных генераторов при несимметрии напряжений в электрических системах в 2 % [4]. При этом ГОСТ РФ 32144-2013 также устанавливает значения для несимметрии напряжений (коэффициентов несимметрии напряжений по обратной последовательности и по нулевой последовательности) не более 2 % в течение 95 % времени интервала в одну неделю и 4 % - в течение 100 % времени [4]. Таким образом, разработка новых экономически эффективных решений проблемы несимметрии напряжений является актуальной задачей.

Материалы и методы.

В работе был произведён литературный обзор с целью обоснования разработки устройства мониторинга загрузки электрогенераторов малой мощности. Разработан способ применения данного устройства и представлена его структурная схема. Представлен экспериментальный образец устройства.

Результаты и обсуждение.

Автоматизация электрогенераторных установок малой мощности представляет собой важную задачу, так как эти установки обычно используются в небольших промышленных, торговых и жилых объектах, где требуется надёжное и эффективное электроснабжение. В более мощных электрогенераторных установках мощностью от 100 кВт используются различные системы автоматики для обеспечения их надежной работы, управления и защиты [5,6]. Автоматизированная установка предполагает наличие устройств и систем, обеспечивающих выполнение пусковых операций, контроль и управление работой в автоматическом режиме. Такие установки довольно точно работают в заданном режиме и без участия персонала, чья основная функция, в основном, сводится к настройке автоматизированной системы согласно заданному режиму, регулярным осмотрам, подготовкой к эксплуатации и ремонту [7].

Комплексная автоматизация дизельных электростанций по ГОСТ 33115-2014 включает автоматическую регулировку: скорости вращения коленвала; напряжения на генераторе; температурного режима для воды и масла в двигателе; автозапуск и перевод под нагрузку; сигналов состояния агрегатов двигателя; защитной остановки при аварийных значениях температуры, давления, частоты вращения и т.д.; дистанционного отключения дизельного двигателя.

Правильно спроектированная система автоматизации позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы и снизить риски, связанные с авариями. В условиях современных требований к качеству и надёжности электроснабжения, автоматизация генераторных установок становится не только целесообразной, но и необходимой. Эти системы и устройства обеспечивают надежность, безопасность и эффективное управление электрогенераторными установками. Выбор конкретных элементов автоматики может зависеть от типа генератора, его назначения и специфических условий эксплуатации [8].

Системы мониторинга для контроля мощности генераторов играют важную роль в обеспечении надёжности и эффективности работы электрогенераторных установок. Они позволяют оперативно следить за состоянием генераторов, выявлять неисправности и оптимизировать работу оборудования. Мониторинг мощности генераторов осуществляется с использованием различных методов и технологий, которые позволяют обеспечить надёжную работу оборудования и предотвратить его аварии. Системой удаленного мониторинга и управления электрогенератором производится координация работы всей системы резервного электроснабжения. Также осуществляется удаленный мониторинг всех параметров установки, вместе с противопожарной и охранной системами, включая и параллельную работу нескольких установок [7].

Системой удаленного мониторинга и управления производится координация работы 80

всей системы резервного электроснабжения. Все сведения о работе генераторов, двигателей, панелей переключения нагрузки и других устройств в непрерывном режиме подвергаются обработке микропроцессором и анализируются. Целиком автоматизированный сбор и документирование всех событий. Возможно включение в систему дополнительных объектов, таких как топливные баки (контроль текущего уровня и расхода топлива), зарядные аккумуляторные устройства (контроль уровня заряда) и другие. Любой объект мониторинга доступен через сеть Интернет. Система оповещения допускает передачу информации на email, пейджер, телефонный номер и пр. [7].

Электрогенераторы становятся незаменимыми помощниками в загородных домах, на дачах, предприятиях и даже в промышленности. Однако даже самая надежная техника требует контроля, особенно если объект, где установлен генератор, остается без присмотра на длительное время. Одним из самых эффективных решений для дистанционного мониторинга и управления становится GSM-модуль, который предоставляет владельцу возможность в реальном времени отслеживать состояние генератора и оперативно реагировать на любые сбои.

Однако большинство маломощных генераторов, эксплуатируемых на производстве и в быту не имеют системы автоматизации, контроля и индикации нагрузки. Практика показывает, что часто эксплуатация электрогенераторов осуществляется не в соответствии с инструкциями. Это, а также особенности сельскохозяйственной электрической нагрузки приводят к повышенной повреждаемости генераторов. Несимметрия токов и напряжений является одной из причин снижения качества электроэнергии и надёжности электроснабжения. Персонал, обслуживающий генератор не видит возникшей проблемы с несимметрией или перегрузкой, из-за чего генератор может выйти из строя. Необходима разработка новых способов и средств защиты генераторов распределённой генерации от различных ненормальных и аварийных режимов, в том числе, связанных с несимметрией токов и напряжений. Это позволит предотвратить резко несимметричные режимы работы генераторов и их перегрузку, повысить уровень состояния систем электроснабжения предприятий [14]. Поэтому актуальной задачей является создание средств мониторинга и индикации пофазной нагрузки электрогенераторов.

Требования к устройству включают в себя необходимый функционал и условия эксплуатации. Разрабатываемое устройство мониторинга и индикации пофазной загрузки и перегрузки генераторов малой мощности УМЗЭГ используется следующим способом (рисунок 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 допустимые ток, напряжение и мощность по фазам, фактические ток, напряжение и мощность по фазам, 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 [9].

Рисунок 1 - Способ применения УМЗЭГ для рационального управления нагрузками электрогенератора [9]

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 и передачу информации удалённому оператору. Алгоритм реализации способа представлен в [11]. В качестве прототипа устройства приняты таймеры-электросчётчики мобильные портативные (ТЭМП) разной модификации [12, 13].

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

Устройство 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°С 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. Устройство будет предназначено для использования в трехфазной или (в модификации для однофазных генераторов) однофазной электрической сети переменного тока с напряжением 220/380В и частотой 50 Гц. Техническое обслуживание устройства должно осуществляться не реже одного раза в 6 месяцев подготовленным электротехническим персоналом [9].

На рисунке 2 приведена структурная схема разрабатываемого устройства [10]. Принцип работы следующий. Трансформаторы тока и напряжения подключаются к фазам генератора и считывают данные, которые с помощью модуля измерения передаются на дисплей. Дисплей показывает персоналу полученные значения. Индикатор показывает допустимую нагрузку на генератор. Связь с внешним устройством осуществляется через канал связи «RS-485». Запитываются все комплектующие с помощью блока питания 220/12/5В (стабилизатор напряжения). Так же в устройстве устанавливаются реле для управления нагрузкой. Все комплектующие связываются и взаимодействуют между собой с помощью контроллера «STM 32» [10].

Рисунок 2 - Структурная схема УМЗЭГ

При выполнении всех приведённых функциональных и технических требований УМЗЭГ позволит улучшить работу электрогенераторных установок.

Рисунок 3 – Внешний вид экспериментального образца устройства «УМЗЭГ»

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. На рисунке 3 показан внешний вид УМЗЭГ.

Выводы.

Несимметричные режимы работы часто возникают при работе трёхфазных генераторов вследствие несбалансированной нагрузки по фазам. Это приводит к сокращению ресурса генераторного оборудования, выходу его из строя и требует создания средств симметрирования и управления режимами работы генераторов, средств мониторинга загрузки фаз генератора (УМЗЭГ). Существующие решения по автоматизации и мониторингу генераторов направлены прежде всего на обеспечение автономной работы данных установок и не предполагают мониторинга загрузки фаз генератора для выбора рационального режима работы, снижения небаланса нагрузок. Разработка устройства УМЗЭГ позволяет защитить электростанцию от асимметрии системы, несбалансированных нагрузок, неисправностей системы и обрыва фаз. Применение УМЗЭГ улучшает систему мониторинга для контроля мощности генераторов, что способствует повышению надежности, снижению затрат, обеспечению безопасности работы оборудования.

В данной работе был представлен экспериментальный образец устройства, позволяющий реализовать все требуемые функциональные возможности для мониторинга и индикации нагрузки электрогенераторов.