Спосіб захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи та пристрій для його реалізації

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для захисту обмоток генераторів-двигунів, які працюють зі значними перервами між включеннями в місцях зі змінною вологістю і температурою повітряного навколишнього середовища, від конденсації вологи на обмотках під час зупинок. Захист здійснюється створенням перевищення температури обмоток над температурою точки роси навколишнього повітряного середовища шляхом автоматичного підключення електронагрівальних елементів для нагріву середовища. Вимірювання температури точки роси здійснюється в N точках, рівномірно розташованих знизу і зверху обмоток. Повітря підігрівається Μ електронагрівачами, що розміщуються під обмотками. Технічним результатом винаходу є підвищення надійності захисту обмоток від конденсації вологи. UA 115693 C2 (12) UA 115693 C2 UA 115693 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для захисту обмоток генераторів-двигунів, які працюють зі значними перервами між включеннями в місцях зі змінною вологістю і температурою повітряного навколишнього середовища, від конденсації вологи на обмотках під час зупинок. Обмотки електричних машин, які працюють у вологій атмосфері (наприклад, на греблях гідротехнічних споруд) і періодично зупиняються на тривалий час (особливо в холодну пору року) схильні до небезпеки конденсації вологи [1]. Так при тривалих зупинках генератора-двигуна ГАЕС, що знаходиться в спеціальній шахті, відбувається підвищення вологості повітря, що оточує обмотки. Однією з головних причин, що викликають це підвищення, є підвищена фільтрація вологи будівельних конструкцій шахти. Внаслідок цього відбувається зволоження обмоток ротора і статора, що може призвести до зменшення опору ізоляції і, зрештою - до електричного пробою [2, 3]. Відомий спосіб захисту від перезволоження обмоток електричних машин, зокрема електродвигунів, шляхом їх нагріву в періоди зупинок пропусканням струму через обмотки [4]. Сигналом на включення подання напруги на обмотки служить зменшення опору ізоляції при зволоженні. Спосіб не може бути застосовано для таких потужних машин, якими є генераторидвигуни. У [5] запропоновано спосіб захисту обмоток від перезволоження, в якому сигналом на включення струму через обмотки служить зменшення різниці температур між обмоткою і навколишнім середовищем нижче встановленого значення (5,8 °C). Спосіб також не може бути застосовано для генераторів-двигунів. Відомий спосіб [6] захисту від зволоження електричних ланцюгів генераторів, коли аварійний режим визначається вимірюванням відносної вологості газу в N точках об'єму машини. Перевагою способу є те, що враховується нерівномірність зволоження об'єму усередині генератора. Спосіб придатний тільки для потужних турбогенераторів, коли визначають аварійні витоки охолоджувальної води або проникнення перезволоженого водню усередину машини, наприклад, з балонів. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб захисту [7] від зволоження обмоток тягової електричної машини з використанням підігрівання повітряного навколишнього середовища, при якому електронагрівач автоматично включається, якщо вологість середовища перевищить заданий параметр, який розраховується спеціальною електронною системою з урахуванням температури навколишнього середовища, температури обмотки, електричних і конструкційних параметрів машини. Недоліком способу є те, що вимірювання відносної вологості середовища не відбиває достовірну картину зволоження обмотки, оскільки для цього необхідно вимірювати точку роси і порівнювати її з температурою обмотки. До того ж, в об'ємі генератора-двигуна, враховуючи його великий діаметр, можливі значні градієнти вологості навколишнього повітря, і в цьому випадку температуру точки роси необхідно вимірювати в декількох точках навколо обмоток, а підігрівання охолоджувального середовища здійснювати декількома електронагрівачами, розташованими рівномірно по колу під обмотками. Температуру точки роси середовища можна визначити, вимірюючи в кожній окремій точці відносну вологість і температуру. В основу винаходу поставлена задача створення нового способу захисту обмоток генераторів-двигунів від конденсації вологи, що здійснюється створенням перевищення температури обмоток над температурою точки роси навколишнього середовища шляхом автоматичного підключення електронагрівальних елементів для нагріву середовища, який дозволяє за допомогою введення нових операцій отримати позитивний технічний результат, який полягає в підвищенні надійності захисту в широкому діапазоні зміни температури і вологості навколишнього середовища. Поставлена задача вирішується тим, що відомий спосіб захисту обмоток генераторадвигуна від конденсації вологи електричної машини (гідрогенератора-двигуна), при якому вимірюють температуру і відносну вологість повітряного середовища, що оточує обмотку, вимірюють температуру обмотки, додатково введені операція вимірювання відносної вологості повітряного середовища в рівномірно розташованих згори і знизу обмоток у ( N  1 ) точках (при цьому 2  N   ), операція вимірювання в тих самих N точках температури повітряного середовища, операція обчислення за отриманими значеннями температури точки роси в тих самих N точках, операція обчислення різниці між температурою точки роси в кожній точці і температурою обмотки, операція порівняння отриманих різниць із заданою величиною та, якщо будь-яка з різниць виявляється меншою за задану величину, операція включення M ( 4  M   ) нагрівачів. 1 UA 115693 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічний результат запропонованого способу досягається за рахунок того, що, по-перше, температура точки роси дає достовірнішу картину початку зволоження обмоток, по-друге, при вимірюванні відносної вологості, температури і температури точки роси повітряного навколишнього середовища в N точках усувається вплив градієнта цих величин в об'ємі усієї машини на оцінку небезпеки випадання вологи на обмотці. Окрім цього, враховуючи великий діаметр машини, включення не одного, а M електронагрівачів, також підвищує надійність захисту від зволоження, оскільки в цьому випадку об'ємне прогрівання повітря, яке оточує обмотку, а значить і самої обмотки, значно покращується. Порівняльний аналіз відомих технічних рішень показує, що введення нових операцій є необхідним і достатнім для досягнення нового технічного результату - підвищення надійності захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи. Відомий пристрій для захисту електродвигуна від зволоження [5]. Пристрій містить сенсор температури повітряного навколишнього середовища, сенсор температури обмотки, електронний пристрій вимірювання та обробки і блок управління. У разі, коли різниця температур обмоток і повітряного навколишнього середовища стає меншою від заданого певного значення, електронний пристрій вимірювання видає сигнал на включення блоку управління, який пропускає через обмотки електродвигуна струм, нагріваючи їх. Таким чином здійснюється захист від конденсації вологи. До недоліків пристрою належить те, що неможливо нагрівати обмотки такої великої машини як генератор-двигун короткочасним пропусканням струму через них. Найбільш близьким є пристрій, в якому захист обмоток електромашини здійснюється нагрівом зовнішнім електронагрівачем повітряного середовища, що оточує обмотку [7]. Пристрій містить сенсор температури і сенсор відносної вологості повітряного навколишнього середовища, сенсор температури обмотки, електронну систему вимірювання і управління, а також електронагрівач. Пристрій працює таким чином. З урахуванням виміряних значень температури і відносної вологості повітряного навколишнього середовища обмотки, температури обмотки, електричних і конструктивних параметрів машини, електронна система розраховує значення спеціального параметра. При певних значеннях параметра, які вказують на те, що може трапитися зволоження обмотки, електронна система включає електронагрівач повітряного середовища, яке оточує обмотку. Недоліком пристрою є те, що не забезпечується достатня надійність захисту обмоток від конденсації вологи, оскільки вимірювання тільки відносної вологості середовища, а не температури точки роси, не відбиває достовірну картину зволоження. До того ж, в об'ємі генератора-двигуна, враховуючи його великий діаметр, можливі значні градієнти температури і вологості повітряного навколишнього середовища обмотки, що теж знижує надійність захисту через несвоєчасне включення нагрівача. Задача винаходу є створення пристрою для захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи, який дозволяє завдяки введенню нових елементів досягти нового технічного результату, а саме: підвищення надійності захисту. Задача винаходу - створення пристрою, який реалізує спосіб захисту обмоток генераторадвигуна від конденсації вологи, вирішується таким чином, що у відомий пристрій захисту обмоток від зволоження, який містить сенсор температури повітряного середовища, що оточує обмотку, сенсор відносної вологості середовища, сенсор температури обмотки, електронну систему вимірювання та управління, електронагрівач, блок включення нагрівача, додатково введено ( N  1 ) сенсорів температури повітряного середовища, що оточує обмотку, які рівномірно розташовані згори і знизу обмотки, ( N  1 ) сенсорів відносної вологості повітряного середовища, які розташовані поряд з сенсорами температури повітряного середовища, при цьому 2  N   , та M електронагрівачів, рівномірно розташованих під обмоткою, при цьому 4M . Для досягнення технічного результату запропонований пристрій містить N сенсорів температури повітряного середовища, що оточує обмотку, N сенсорів відносної вологості повітряного середовища, сенсор температури обмотки, електронну систему вимірювання і управління, M електронагрівачів і блок включення нагрівачів. За допомогою сенсорів вимірюється температура і відносна вологість в N точках простору навколо обмотки. За допомогою електронної системи вимірювання та управління обчислюється значення температури точки роси у вказаних точках і отримані різниці порівнюються з температурою обмотки. При перевищенні різницями певного заданого значення, система вимірювання та управління дає команду блоку включення нагрівачів і відбувається нагрів повітря навколо обмотки, чим забезпечується захист від випадання вологи на обмотці. 2 UA 115693 C2 5 10 15 20 Порівняння з відомими пристроями аналогічного призначення показує, що введення нових елементів та зв'язків в запропонованому пристрої є необхідним і достатнім для отримання нового технічного результату: підвищення надійності захисту обмоток від конденсації вологи. Суть винаходу пояснюють креслення. На фіг. 1 показана функціональна схема пристрою захисту обмотки генератора-двигуна від конденсації вологи. На фіг. 2 можливе розміщення електронагрівачів 1, сенсорів відносної вологості повітря 2 і температури повітря 3 на гідрогенераторі-двигуні типу СВО 1225/255-40 УХЛ4 Дністровської ГАЕС. Пристрій складається: з N сенсорів температури повітряного навколишнього середовища обмоток 11...1N , N сенсорів відносної вологості повітряного навколишнього середовища 21...2N , сенсора температури обмотки 3, електронної системи вимірювання та управління 4, M електронагрівачів 51...5M , блока включення нагрівачів 6. Пристрій працює таким чином. За допомогою сенсорів температури 11...1N , сенсорів відносної вологості 21...2N і електронної системи вимірювання та управління 4 вимірюються названі параметри в заданих N точках. Потім системою 4 обчислюється температура точки роси в тих самих точках за формулою [3, 8]  17,27  T  237,7    lnRH   237,7  T  , TTP   17,27  T  17,27    lnRH  237,7  T   де T - температура повітряного навколишнього середовища обмоток в°С; RH - відносна вологість повітряного навколишнього середовища обмоток в об'ємних частках 0  RH  10 ; TTP , температура точки роси повітряного навколишнього середовища обмоток в°С. Далі системою 4 вимірюється температура обмотки TОБ та проводиться порівняння цієї температури з температурою точки роси в кожній і-й точці ( 11...1N ) (визначається різниця Ті ). Ті  ТОБ  Т ТРі , 25 30 де TTPі - температура точки роси в і-й точці повітряного навколишнього середовища; Ті різниця між температурою обмотки і температурою точки роси в і-й точці. Потім проводиться порівняння значення отриманої різниці Ті з певним заданим значенням Т ЗАД , і, якщо Ті  Т ЗАД , системою 4 надається команда блоку 6 на включення системи електронагрівачів 51...5М . Повітря, що оточує обмотки, прогрівається рівномірно в усьому об'ємі навколо машини і виключається виникнення локальних місць випадання роси. Таким чином, запропонований спосіб захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи, а також пристрій, що його реалізує, порівняно з прототипом забезпечують більш надійний захист обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи. 35 40 45 50 Джерела інформації: 1. Effects Of Moisture On Insulation Deterioration Caused By Moisture. Режим доступа http://electrical-engineering-portal.com/keeping-motor-windings-dry. 2. Вакуленко А.Н. Особенности конструкции и системы охлаждения гидрогенераторадвигателя Днестровской ГАЭС // Гідроенергетика України. - 2011, - № 2. - С. 4-6. 3. Левицкий А.С., Жук А.П., Сорокина Н.Л. Измерение относительной влажности и температуры точки росы охлаждающего воздуха в гидрогенераторе-двигателе Днестровской ГАЭС // Гідроенергетика України. - 2013. - № 2. - С. 37-39. 4. Пат. 2025857 Российская Федерация, МКИ Н02Н 7/08. Устройство для защиты обмоток электродвигателя от конденсации влаги / Зубко В.М., Черепинский В.А.; заявитель Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (UA). - № 4929817/07; заявл. 22.04.91; опубл. 30.12.94. Режим доступа - http://ru-patent.info/20/25-29/2025857.html. 5. Пат. 2033674 Российская Федерация, МКИ Н02Н 5/04, Н02Н 7/08, Н02К 3/44. Устройство для защиты электродвигателя от перегрева и увлажнения / Корчемный Η.Α., Юсупов Η.Α., Филоненко А.Ф.; заявитель Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (UA). - № 5029857/07; заявл. 27.02.92; опубл. 20.04.95. Режим доступа - http://rupatent.info/20/30-34/2033674.html. 3 UA 115693 C2 5 10 6. Пат. 2380809 Российская Федерация, МКИ Н02Н 7/06, Н02К 9/193, G01R 31/34, G01N 25/56, Способ защиты цепей генераторов с водяным охлаждением / Каплан Б.Ю. (RU); заявитель и патентообладатель ООО "Диагностика" (RU). - № 2008151554/09; заявл. 26.12.08; опубл. 27.01.10. Режим доступа - http://bd.patent.su/2380000-2380999/pat/servl/servlet3d55.html. 7. Пат. 2291544 Российская Федерация, МКИ Н02К 009/06, Устройство для автоматического регулирования температурно-влажностных режимов обмоток тяговой электрической машины постоянного тока / Орленко А.И. (RU), Гамаюнов И.С. (RU), Смирнов В.П. (RU), Худоногов A.M. (RU), Худоногов И.A. (RU), Фейлер К.Л. (RU), Михальчук Н.Л. (RU), Артемьев А.В. (RU), Макаров В.В. (RU), Иванов В.A (RU). - № 2005108737/09; заявитель и патентообладатель Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС) (RU); заявл. 28.03.05; опубл. 10.01.07. Режим доступа - http://www.findpatent.ru/patent/229/2291544.html. 8. Измерение относительной влажности и точки росы газа. Режим доступа http://www.kontech-system.com.ua/files/catalogs. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 1. Спосіб захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи, що включає вимірювання температури і відносну вологість повітряного середовища, що оточує обмотки, температуру обмотки, який відрізняється тим, що температуру і відносну вологість повітряного середовища вимірюють в рівномірно розташованих знизу і згори обмоток N точках, обчислюють температуру точки роси повітряного середовища в кожній з N точок, обчислюють різницю між температурою обмотки і температурою точки роси в кожній з N точок, порівнюються отримані різниці із заданим температурним параметром, і, якщо якась з різниць виявляється менше параметра, включають Μ електронагрівачів, рівномірно розташованих під обмотками. 2. Пристрій захисту обмоток генератора-двигуна від конденсації вологи, що містить сенсор температури і сенсор відносної вологості повітряного середовища, що оточує обмотки, сенсор температури обмотки, електронну систему вимірювання і управління, блок включення електронагрівачів, який відрізняється тим, що в нього додатково введено (Ν-1) сенсорів температури повітряного середовища, рівномірно розташованих згори і знизу обмоток, (Ν-1) сенсорів відносної вологості повітряного середовища, розташованих поряд з сенсорами температури повітря, при цьому 2N, (Μ-1) електронагрівачів, при цьому 4М, рівномірно розташованих під обмотками. 4 UA 115693 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5