Учебное пособие 800600

Влияние высших гармоник на устройства защиты энергосистем

Цифровые реле и микропроцессорные устройства, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения, особенно чувствительны к гармоникам. Большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до20 %. Увеличение доли мощных преобразователей в сетях может изменить ситуацию.

Влияние гармоник на измерение мощности и энергии Измерительные устройства обычно калибруются при чисто

синусоидальном напряжении и увеличивают погрешность при наличии высших гармоник. Погрешности измерения, вызываемые гармониками, сильно зависят от типа измерительной аппаратуры. Обычные индукционные счетчики, как правило, завышают показания на несколько процентов (до 6 %) при наличии у потребителя источника искажения

Гармоники оказывают воздействие и на точность измерения реактивной мощности, которая определена лишь для случая синусоидальных токов и напряжения, и на точность измерения коэффициента мощности.

Литература 1. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах

электроснабжения промпредприятий [Текст] / И.В. Жежеленко. – 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 c.

2. Сазонова Т.Л. Математическая модель потерь мощности в линиях 6-10кВ [Текст] / Т.Л. Сазонова // Системные проблемы надежности, качества, инфор.-телекоммуционных и электронных технологий в инновационных проектах: мат.междунар. конф. – М.: 2009. – С.135 136.

Воронежский государственный технический университет

151

УДК 621.398(084)

Д.Р. Метелев, А.А. Гуляев, Е.Л. Савельева

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Рассматриваются способы повышения универсального индукционного нагревателя

Ключевые слова: токопровод, индуктор

Зависимость КПД от физических свойств нагреваемого материала и материала индуктора в основном обусловлена электрическими потерями в обмотках индукторов. Так при нагреве стали выше точки Кюри потери в обмотках составляют 15 – 20 % общей мощности, а при нагреве слитков из цветных сплавов достигают 50 – 60% подводимой мощности.

Таким образом, очевидным фактом является то, что наиболее целесообразным способом повышения эффективности УИН является максимальное снижение потерь в обмотке индуктора. Потери в обмотках во многом зависят от конструкции токоведущих частей, геометрии системы, частоты тока и свойств нагреваемых тел.

На радиочастотах обмотки индукторов обычно состоят из небольшого числа (1-5) витков медной трубки, охлаждаемой водой. Поверхностный эффект в витках сильно выражен, и активное сопротивление зависит от распределения тока по периметру токопровода, которое, в свою очередь, зависит от распределения поля во всей системе.

На средних частотах используются индукторы как с малым числом витков (1-5), что характерно для нагрева под закалку, пайку и другие технологии, так и многовитковые конструкции, подключаемые без трансформатора к источнику питания. Однако почти всегда обмотки делаются однослойными из-за увеличения потерь во внутренних слоях, так как радиальный размер токопровода всегда значительно больше глубины проникновения тока в медь из-за водяного охлаждения.

Наибольшим разнообразием конструкций отличаются обмотки индукторов промышленной частоты. У слабонагруженных индукторов, применяемых, например, для обогрева оборудования, используют многослойные обмотки из сплошных проводников

152

прямоугольного сечения с теплостойкой изоляцией. Охлаждение используется воздушное, естественное или принудительное.

Потери в многослойной обмотке существенно зависят от ее конструкции и при правильном выборе индуктирующего провода могут быть заметно меньше, чем в однослойной. Так, например, наиболее приемлемой является обмотка из плотно намотанных сплошных проводников прямоугольного сечения с толщиной, определяемой по следующему выражению:

d1 1,32 1 ,

n

где 1 – глубина проникновения тока в медь, 1 ≈ 10 мм; n –

число слоев обмотки.

Если не учитывать роста диаметра витков от слоя к слою, то потери в многослойной обмотке длинного индуктора при количестве

слоев равном n будут примерно в n раз меньше, чем у оптимальной однослойной обмотки при том же токе, следовательно, и той же мощности в загрузке. Изготовление обмотки с переменной по слоям толщиной проводников, уменьшающейся к внутренним слоям, (рис. а) позволяет снизить потери еще на 12 – 15 %. Одним из недостатков многослойной обмотки является перегрев внутренних слоев как из-за худшей теплоотдачи, так и из-за больших потерь в них. Разгрузить внутренние слои можно способом, предложенным за счет переменной ширины проводников по слоям, увеличивающейся от наружного слоя к внутреннему (рис. б). При естественном или принудительном воздушном охлаждении индуктирующих обмоток используются сплошные проводники прямоугольного поперечного сечения, а при водяном охлаждении – неравностенная полая трубка специального профиля. Если при изменении ширины витка выбирается оптимальная толщина для каждого слоя (рис. в), то общие потери дополнительно снижаются на 3 – 5 % .

Однако в теории устройств индукционного нагрева не существует адекватной методики, которая позволяла бы провести расчет электрических параметров многослойной обмоточной структуры с высокой степенью достоверности, полученных результатов.

153

При том, что индукционные установки для нагрева стали имеют довольно высокий КПД, который при нагреве стали до температуры 700 достигает 80%, а до температуры 1250 – 65%, использовании индукционного нагревателя с многослойной обмоткой из медной шины позволяет увеличить эффективность нагрева еще на 7

– 15 %. Более значительного увеличения технико-экономических показателей можно добиться при использовании подобных конструкции при индукционном нагреве загрузки с высокой удельной электропроводностью.

Таким образом, существует сложная зависимость энергетических параметров индуктора от геометрических параметров. Поэтому выбор конструкции нагревателя, определение способов и средств обеспечения оптимальных режимов его работы являются сложными взаимосвязанными задачами проектирования. И для их эффективного решения применяют расчетные методы анализа, методы математического моделирования и методы оптимизации.

Многослойная цилиндрическая обмотка с переменной шириной и толщиной проводников по слоям

При моделировании нагревателя периодического действия весь процесс нагрева разделяют на временные интервалы. В пределах каждого интервала распределение источников тепла и физические свойства металла считают постоянными. По окончании расчета в логическом модуле системы анализируется полученное температурное поле. Если конечные перепады температуры по радиусу или длине загрузки превышают заданные, изменяют число витков индуктора и

154

его длину, после чего расчет повторяется, пока заданные перепады не будут достигнуты.

Из решения электромагнитной задачи определяют источники тепла. Затем производят тепловой расчет одного из слитков по мере продвижения его в индукторе, учитывая условия стационарной теплоотдачи с боковых сторон и теплообмена между торцевыми плоскостями слитков. При передаче распределения источников тепла из модуля расчета магнитного поля учитывают положение слитка в заданном интервале времени. По окончании теплового расчета проверяют соответствие распределения температуры по радиусу выходного слитка требуемого по условиям технологии. В случае несоответствия предусмотрено изменение мощности индуктора или темпа проталкивания слитков. После достижения заданного распределения по радиусу проверяется перепад температуры по длине выходного слитка. Если необходимо, изменяют длину индуктора или положение слитков в нем и расчет повторяется.

Когда требуемая равномерность нагрева слитка на выходе достигнута, проверяют соответствие распределения температуры по длине столба слитков принятому в начале расчета. При значительных расхождениях распределение корректируется и расчет повторяется. Предусмотрен расчет температурного поля при транспортировке слитка из нагревателя в пресс.

Литература:

1. Тимофеева В.Н. Электротермические процессы и установки: учеб. пособие по теоретическому курсу [Текст] / Под редакцией В.Н. Тимофеева, Е.А. Головенко, Е.В. Кузнецова. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. 360 с.

Воронежский государственный технический университет

155

УДК 621.313

А.В. Наталич, К.Е. Кононенко

АВТОНОМНОМНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СО ВСТРОЕННОЙ ТУРБИНОЙ ДЛЯ РАБОТЫ ВНУТРИ ТРУБЫ ГАЗОВОЙ ФАКЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рассматриваются вопросы связанные с определением размеров генератора работающего внутри трубы газовой факельной установки и предназначенные для обеспечения электропитания автоматики и телесистем газовой скважины

Ключевые слова: синхронный генератор, встроенная турбина, главные размеры, преобразование энергии движущегося газа, электропитание скважинной аппаратуры, постоянный ток

Газовые факельные установки (ГФУ) предназначены для сжигания попутного газа. Установки могут быть горизонтального и вертикального исполнения. ГФУ также подразделяются на установки низкого давления и установки высокого давления. В конструкцию факельной установки низкого давления входит труба для подвода газа диаметром 500 мм, которая обеспечивает расход сжигаемого газа в размере 12801,8 м3/ч (3,56 м3/ с) при давлении 0,001…0,003 МПа.

Конструкция факельной установки высокого давления имеет следующие показатели: диаметр трубы для подвода газа составляет 1000 мм; расход сжигаемого газа 256035.7 м3/ч или 71 м3/с; давление изменяется в диапазоне от 0.01 до 0.03 МПа. Представленные данные показывают, что механическая мощность газа в ГФУ низкого давления составляет 10680 Вт, а в ГФУ высокого давления 700000 Вт. Поскольку для питания систем автоматики и телесистем требуется мощность 5000 Вт то достаточно мощности ГФУ низкого давления. Таким образом, получаем внешний диаметр сердечника статора генератора Dce = 500 мм. Все основные требования к вентильным генераторам, которые определяют их конструкцию, сводятся к следующим положениям [1].

1.Генератор должен иметь мощную демпферную систему и малое значение индуктивного сопротивления рассеяния.

2.Число витков в фазе должно быть не большим. В идеале секции должны быть одновитковыми, при этом число витков в фазе будет минимальным. С уменьшением числа витков уменьшаются значения индуктивных сопротивлений, угол коммутации и величина пульсаций напряжения.

156

3.Генераторы должны быть многополюсными (2р 8). Однако выбор большого числа полюсов ограничивается следующими факторами: 1) возможностью выполнения магнитной цепи с большим числом полюсов; 2) допустимой частотой тока по условию надежной работы полупроводниковых ключей. Предельная частота тока 1000 Гц,

аоптимальная частота тока 500…900 Гц [1,2].

4.Падение напряжения на полупроводниковом ключе не должно превышать 0.5 В. Большие значения падения напряжения приводят к значительным потерям в электронном блоке, что является ограничивающим фактором при разработке вентильных генераторов повышенной мощности.

Далее осуществляется следующий алгоритм расчета: определяем

расчетную мощность генератора Р, Вт [2]; определяем фазное значение тока IФ, А; сечение проводников qM определяем по допустимой плотности тока и в результате получаем величину немагнитного зазора; по величине немагнитного зазора однозначно определяется оптимальная толщина магнита и максимальное значение индукции в воздушном зазоре Вm; число полюсов определяем из условия оптимальной частоты тока fопт = 900 Гц. [1,2]. При частоте вращения 6000 об/мин получаем 2р = 18.

На основе теоретических и опытных данных установлено [1.2], что существуют оптимальные значения = L / D (L – активная длина и D – диаметр якоря), которое является функцией числа пар полюсов(р) = 0.8 / р. В данном случае получаем = 0,27. Таким образом при активном диаметре 500 мм, активная длина якоря составит величину L = 133 мм.

Литература 1.Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических

машин переменного тока [Текст]: учеб. пособие / В.А. Балагуров. – М.:

Высш. шк., 1982. – 272 с.

2. Балагуров В.А. Электрические генераторы с постоянными магнитами [Текст] / В.А. Балагуров, Ф.Ф. Галтеев. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 280 с.

Воронежский государственный технический университет

157

УДК 551.515.4

Д.И. Зубков, Ю.А. Перцев, С.Г. Зеленская

АКТИВНАЯ МОЛНИЕЗАЩИТА

Рассматриваются конструкции различных активных молниезащит

Ключевые слова: системы молниезащиты, активная молниезащита, конструкции молниеотводов, принцип действия

Бесперебойность работы сетей и качество поставок электроэнергии, напрямую зависят от качества применяемых изоляторов, их надежности, правильного выбора типа и количества.

По материалу изоляторы, применяемые в настоящее время на ЛЭП, делятся на три типа: стеклянные, фарфоровые и полимерные.

Стеклянные изоляторы позволяют полностью автоматизировать и механизировать процесс их изготовления. Их повреждения легко определяется визуально. Они не деформируются и устойчивы к воздействию ультрафиолета, солнечной радиации, химическим воздействиям, поэтому, не требуются периодические проверки под напряжением, их механическая прочность и электрические свойства мало изменяются в течение всего срока эксплуатации, имеют достаточно высокие диэлектрические свойства, обладают нулевой водопроницаемостью, что практически исключает возможность пробоя изолятора. Наибольшее распространение на ЛЭП получили стеклянные тарельчатые изоляторы. Их достоинствами является возможность составлять гирлянды различной длины на различное напряжение. Они удобны для транспортировки и монтажа, имеют большой выбор конфигураций изоляционной детали, что позволяет наиболее точно выбрать изолятор для конкретных условий эксплуатации. В условиях эксплуатации при разрушении изоляционной детали расцепления гирлянды не происходит, Недостатками стеклянных изоляторов являются значительный вес, высокая хрупкость, электропроводность поверхностного слоя стекла при увлажнении, разрушение стекла вследствие выщелачивания и электролиза.

158

Производство фарфоровых изоляторов сегодня практически прекращено, хотя на российских ЛЭП по прежнему эксплуатируются изоляторы, которые следовало давно заменить.

Они слишком хрупкие, часто разбиваются при проведении реконструкций и ремонтов. Фарфор часто лопается в режимах «включение-выключение», особенно при переходе от холодного к теплому времени года. Кроме того, поверхность тарельчатых фарфоровых изоляторов подвержена образованию грязевой пленки. В последнее время разработан новый класс изоляторов полимерные изоляторы. Главное их достоинство по сравнению с фарфоровыми и стеклянными изоляторами малый вес. Перевозить и монтировать изоляторы стало намного легче.

Полимерные аппаратные изоляторы представляют собой, как правило, стеклопластиковый полый цилиндр с защитной ребристой оболочкой. Такие конструкции в основном применяются в качестве изоляционных покрышек для высоковольтных вводов, ограничителей перенапряжения, выключателей и измерительных трансформаторов.

Для опорных полимерных изоляторов в качестве несущего элемента могут быть использованы стеклопластиковая труба или стержень. Такие изоляторы имеют достаточно хорошую электрической и механической прочности. В случае применения изоляторов только в качестве опорной изоляции внутренняя полость покрышки может быть выполнена с защитным ребристым покрытием.

Подвесные и опорные линейные изоляторы содержат изоляционное тело из стеклопластика или высокопрочного, армированного стеклоровингом, эпоксидного компаунда, и защитную оболочку.

В качестве защитной оболочки используется кремнеорганическая резина, которая обладает высокой стойкостью к действию кислот и щелочей, стойкостью к ультрафиолетовому излучению, высокими гидрофобными свойствами.

В чистом виде кремнийорганическая резина не отличается высокими электротехническими свойствами, она оказывается непрочной, уязвимой для озона и света, поэтому, для получения для приемлемого качества, добавляют активный усиливающий наполнитель, которым служат нанопорошки двуокиси титана и двуокиси кремния. В итоге электрофизические свойства ее становятся

159

удовлетворительны, теплопроводность возрастает значительно, но , механическая прочность оставляет желать лучшего. Примечательна стойкость к свету, озону, маслу. Рабочие температуры в диапазоне от - 90°С до +250°С. Материал влагонепроницаем, но масло-бензонестоек и газопроницаем.

Опыт эксплуатации показывает, что в районах с умеренными загрязнениями не зарегистрировано случаев пробоя изоляторов или их ребер, образования трека или эрозии оболочки.

Изоляторы сохраняют высокие значения удельного поверхностного сопротивления: в одинаковых условиях этот показатель в 3-4 раза выше, чем у стеклянных изоляторов.

Влагоразрядные напряжения полимерных изоляторов, бывших в эксплуатации от 5 до 12 лет, почти вдвое выше, чем у гирлянд стеклянных изоляторов, с той же длиной пути утечки.

Полимерные изоляторы сохраняют исходно высокую электрическую прочность при воздействии грозовых и коммутационных перенапряжений, не изменяя их даже после неоднократных перекрытий, сопровождавшихся силовой дугой.

Недостатками полимерных изоляторах является применение специального оборудования для диагностики микротрещин, возникающих в них в них, и возможность возникновения частичных разрядов. Износ в зависимости от погодных условий может существенно отличаться. Кроме того точных, данных о сроке службы полимерных изоляторов пока нет.

При всех своих положительных качествах полимерные опорные изоляторы еще не нашли широкого применения.

В целом, отечественный опыт эксплуатации полимерных изоляторов можно квалифицировать как успешный. Аналогичные результаты применительно к изоляторам с кремнийорганической оболочкой получены и за рубежом, где такие изоляторы используются в гораздо больших объемах и более продолжительное время.

Воронежский государственный технический университет

160