118
ОБОРУДОВАНИЕ
Сидоров
А
.
В
.,
аспирант
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Сушков
В
.
В
.,
д
.
т
.
н
.,
профессор
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Нижневартовский
государственный
университет
»
Сухачев
И
.
С
.,
к
.
т
.
н
.,
доцент
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
Сидоров
С
.
В
.,
старший
преподаватель
кафедры
электроэнергетики
ФГБОУ
ВО
«
Тюменский
индустриальный
университет
»
В
электрических
сетях
для
за
-
щиты
электрооборудования
от
импульсных
воздействий
уста
-
навливают
нелинейные
огра
-
ничители
перенапряжений
(
ОПН
)
в
ме
-
стах
,
рекомендуемых
нормативными
документами
.
Для
снижения
уровней
перенапряжений
в
большинстве
слу
-
чаев
ОПН
устанавливают
на
подходах
трансформаторных
подстанций
(
ТП
)
35/6(10)
кВ
и
6(10)/0,4
кВ
и
в
их
рас
-
пределительных
устройствах
[1, 2, 3].
Импульсные
перенапряжения
приводят
к
перекрытию
и
повреждению
изоляции
электрооборудования
,
сокращению
его
технического
ресурса
и
,
как
следствие
,
к
отказу
,
поэтому
с
целью
предотвра
-
щения
нарушения
технологических
процессов
,
простоя
производственных
мощностей
актуально
проводить
мо
-
ниторинг
остаточного
ресурса
электро
-
оборудования
с
последующей
коррек
-
тировкой
планово
-
предупредительных
ремонтных
работ
[4, 5].
В
целом
перенапряжения
оказывают
существенное
влияние
на
работу
элек
-
троустановок
,
особенно
на
электродви
-
гатели
,
изоляция
которых
по
сравнению
с
другим
электрооборудованием
обла
-
дает
наименьшим
запасом
электриче
-
ской
прочности
[6].
В
качестве
объекта
исследова
-
ния
принят
участок
электрической
сети
напряжением
10
кВ
,
содержащий
ячейку
трансформаторной
подстанции
35/10
кВ
,
защитные
устройства
(
вы
-
ключатели
,
ОПН
),
питающий
кабель
ПвБП
3×50/16,
асинхронный
электро
-
двигатель
ВАО
4-710-2500/10-2.
Прин
-
ципиальная
схема
электроснабжения
конечных
потребителей
,
включающая
объект
исследования
,
приведена
на
рисунке
1.
Математическое
описание
асинхрон
-
ного
электродвигателя
,
подключенного
к
шине
10
кВ
трансформаторной
под
-
станции
питающим
кабелем
,
выполнено
с
учетом
ряда
допущений
:
Влияние импульсных перенапряжений
на технический ресурс асинхронных
электродвигателей
УДК
621.313.333:621.3.07
В
статье
рассмотрена
задача
оценки
влияния
импульсного
воздействия
на
питающие
шины
трансформаторной
подстанции
,
вызывающего
перенапряжения
на
вводе
асин
-
хронного
двигателя
.
Разработана
имитационная
модель
асинхронного
электродвигателя
и
питающего
кабеля
на
основе
их
схем
замещения
.
Получены
величины
перенапряже
-
ния
и
бросков
тока
на
вводе
электродвигателя
и
определено
их
влияние
на
технический
ресурс
.
Ключевые
слова
:
перенапряжение
,
бросок
тока
,
асинхронный
электродвигатель
,
технический
ресурс
Рис
. 1.
Принципиальная
схема
электроснабжения
конечных
потребителей
,
включающая
объект
исследования
119
–
электродвигатель
исправен
и
ока
-
зывает
на
шину
симметричную
нагрузку
;
–
питающий
кабель
исправен
и
имеет
одинаковые
электри
-
ческие
параметры
жил
;
–
импульсное
воздействие
вы
-
зывает
идентичные
пере
-
напряжения
в
каждой
фазе
системы
электроснабжения
конечных
потребителей
.
На
основании
изложенных
допущений
достаточно
исследовать
переходные
процессы
в
одной
произвольной
фазе
асинхронно
-
го
электродвигателя
и
питающего
кабеля
,
согласно
приведенной
на
рисунке
2
однофазной
схеме
заме
-
щения
системы
электроснабжения
.
На
схеме
замещения
объекта
исследования
пита
-
ющий
кабель
представлен
длинной
линией
с
распре
-
деленными
параметрами
и
описывается
системой
комплексных
уравнений
:
U
.
ш
=
U
.
ch
(
l
) +
İ
s
Z
v
sh
(
l
),
U
.
İ
s
=
sh
(
l
) +
İ
s
ch
(
l
),
(1)
Z
v
где
Z
v
,
—
волновое
сопротивление
питающего
кабе
-
ля
и
постоянная
распространения
электромагнитно
-
го
колебания
:
Z
v
=
,
=
Z
0
, (2)
Z
0
,
Y
0
—
продольное
сопротивление
и
поперечная
проводимость
единицы
длины
питающего
кабе
-
ля
;
R
0
,
G
0
,
L
0
,
C
0
—
активные
сопротивление
и
про
-
водимость
,
индуктивность
,
ем
-
кость
единицы
длины
питающего
кабеля
;
l
—
длина
питающего
кабеля
.
Высокочастотная
схема
заме
-
щения
асинхронного
двигателя
описывается
системой
комплекс
-
ных
уравнений
:
İ
s
=
İ
+
İ
'
r
,
U
.
l
2
=
İ
s
Z
s
+
İ
j
L
, (3)
İ
'
r
(
Z'
r
+
R
n
) –
İ
j
L
=
0
,
где
Z
s
,
Z'
r
—
полное
сопротивление
статорной
обмотки
и
приведенное
полное
сопротивление
роторной
обмотки
двигателя
:
Z
s
=
,
Z'
r
=
,
(4)
R
s
,
L
s
,
C
s
—
активное
сопротивле
-
ние
,
индуктивность
и
межвитко
-
вая
емкость
статорной
обмотки
;
R'
r
,
L'
r
,
C'
r
—
приведенные
актив
-
ное
сопротивления
,
индуктив
-
ность
и
межвитковая
емкость
роторной
обмотки
;
L
—
взаимная
индуктивность
;
R
n
—
сопротивление
нагрузки
,
эквивалентное
мо
-
менту
статического
сопротивления
.
Согласно
приведенной
принципиальной
схеме
электроснабжения
и
принятых
допущений
с
целью
определения
величины
перенапряжений
и
бросков
тока
на
вводе
асинхронного
электродвигателя
вслед
-
ствие
импульсного
воздействия
разработана
в
про
-
граммной
среде
MATLAB Simulink
имитационная
модель
объекта
исследования
,
схема
которой
при
-
ведена
на
рисунке
3;
ОПН
моделируется
нелиней
-
ным
резистором
с
соответствующей
вольтамперной
характеристикой
[7].
В
общем
случае
,
в
качестве
им
-
пульсного
воздействия
на
исследуемый
участок
элек
-
трической
цепи
принимаются
результаты
регистра
-
ции
мгновенных
значений
фазных
напряжений
U
ш
(
t
)
и
тока
İ
(
t
)
приборами
контроля
качества
и
учета
элек
-
троэнергии
,
подключенные
к
питающей
шине
10
кВ
.
Результаты
моделирования
токов
İ
(
t
)
и
напряже
-
ний
U
(
t
)
в
относительных
единицах
на
вводе
асин
-
хронного
электродвигателя
приведены
на
рисунке
4.
Рис
. 2.
Схема
замещения
объекта
исследования
Асинхронный
электродвигатель
Питающий
кабель
İ
U
ш
U
L
0
C
0
G
0
R
0
İ
sc
İ
'
rs
İ
sl
İ
'
rl
İ
'
r
İ
'
L'
İ
s
C
s
R
s
R'
r
L
s
L'
r
C'
r
R'
r
S
– 1
Рис
. 3.
Схема
имитационной
модели
объекта
исследования
Импульсное
воздействие
Энергосистема
168,3
168,3
5995
6051
ОПН
Impulse
Ground
L-Section Line
(
Питающий
кабель
)
Асинхронный
двигатель
Регистраторы
L
mu
L
S
L
r
R
S
R
r
R
n
C
S
rms I
/
V
Current
Voltage
rms I
/
V
Current
Voltage
C
r
Continuous
Multimeter
Multimeter
Converter o.e.
AD
Cable Input
0
~
–
+
–
–
+
+
+
+
+
+
+
+
+
№
1 (76) 2023
120
ОБОРУДОВАНИЕ
Изначально
объект
исследования
работает
в
нор
-
мальном
установившемся
режиме
.
При
возникновении
импульсного
воздействия
спустя
25
мс
с
начала
моде
-
лирования
при
отсутствии
ОПН
бросок
тока
составляет
1,35
о
.
е
.,
перенапряжение
— 3,2
о
.
е
.,
что
превышает
до
-
пустимое
значение
[8].
В
результате
применения
ОПН
бросок
тока
снизился
до
1,1
о
.
е
.,
перенапряжение
—
до
1,35
о
.
е
.,
что
удовлетворяет
требованиям
(
А
2).
Для
оценки
влияния
импульсных
перенапряже
-
ний
,
выявленных
в
результате
моделирования
на
технический
ресурс
асинхронного
электродвигате
-
ля
,
обратимся
к
методике
,
изложенной
в
работах
[9, 10].
Согласно
методике
,
величины
перенапряже
-
ний
и
бросков
тока
определяют
относительное
коли
-
чество
энергии
W
*
k
,
передаваемой
изоляции
электро
-
оборудования
,
и
связанное
с
этим
изменение
его
остаточного
ресурса
R
:
R
=
100%, (5)
где
N
—
количество
импульсов
;
k
—
номер
воздей
-
ствия
на
изоляцию
асинхронного
электродвигателя
.
ВЫВОДЫ
Таким
образом
,
в
результате
применения
ОПН
пере
-
напряжение
на
вводе
электродвигателя
снизилось
в
2,37
раз
,
бросок
тока
снизился
в
1,23
раза
,
что
привело
к
сокращению
расхода
технического
ре
-
сурса
электродвигателя
на
21,1%.
Мониторинг
зна
-
чений
технического
ресурса
изоляции
асинхронного
электродвигателя
позволяет
скорректировать
план
ремонтных
работ
службами
эксплуатации
предпри
-
ятий
,
а
также
оценить
эффективность
применения
установленных
устройств
защиты
от
импульсных
перенапряжений
.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Халилов
Ф
.
Х
.,
Гольдштейн
В
.
Г
.,
Колычев
А
.
В
.,
Степанов
В
.
П
.,
Титков
В
.
В
.
Ограничители
пере
-
напряжений
для
защиты
изоля
-
ции
электрооборудования
и
ли
-
ний
сетей
среднего
,
высокого
и
сверхвысокого
напряжения
от
грозовых
и
внутренних
перенап
-
ряжений
.
М
.:
Энергоатомиздат
,
2010. 264
с
.
2.
Халилов
Ф
.
Х
.,
Евдокунин
Г
.
А
.,
По
-
ляков
В
.
С
.
Защита
сетей
6–35
кВ
от
перенапряжений
.
СПб
.:
Энер
-
гоатомиздат
, 2002. 272
с
.
3. Valsalal P., Usa S., Udayakumar K.,
Sankaramarayanan V. Study of im-
portance of line entrance arrester
for a composite transmission cir-
cuit. Proceedings of the IEEE Power
Engineering Society Transmission
and Distribution Conference, 2002,
vol. 2, Asia Paci
fi
c, pp. 694-698.
4.
Сушков
В
.
В
.,
Тимошкин
В
.
В
.,
Су
-
хачев
И
.
С
.,
Сидоров
С
.
В
.
Оценка
остаточного
ресурса
изоляции
погружного
электродвигателя
установок
электрических
центро
-
бежных
насосов
добычи
нефти
при
воздействиях
импульсных
перенапряжений
//
Известия
Том
-
ского
политехнического
универ
-
ситета
.
Инжиниринг
георесурсов
,
2017,
т
. 328,
№
10.
С
. 74–80.
5.
Карамов
Д
.
Н
.,
Наумов
И
.
В
.,
Пер
-
жабинский
С
.
М
.
Математическое
моделирование
отказов
элемен
-
Рис
. 4.
Осциллограммы
токов
и
напряжений
на
вводе
асинхронного
электродвигателя
Токи
на
вводе
асинхронного
электродвигателя
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
–0,2
–0,4
–0,6
–0,8
–1,0
–1,2
İ
,
о
.
е
.
без
ОПН
с
ОПН
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
–0,5
–1,0
–1,5
–2,0
Напряжения
на
вводе
асинхронного
электродвигателя
U
,
о
.
е
.
t
,
мс
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
без
ОПН
с
ОПН
121
REFERENCES
1. Khalilov F.Kh., Gol
э
dshtein V.G.,
Kolychev A.V., Stepanov V.P., Tit-
kov V.V. Surge arrestors for insula-
tion protection of electrical equip-
ment and MV, HV and EHV networks
against lightning and internal over-
voltages. Moscow, Energoatomizdat
Publ., 2010. 264 p. (In Russian)
2. Khalilov F.Kh., Evdokunin G.A.,
Polyakov V.S. Overvoltage protec-
tion of 6-35 kV networks. Saint Pe-
tersburg, Energoatomizdat Publ.,
2002. 272 p. (In Russian)
3. Valsalal P., Usa S., Udayakumar K.,
Sankaramarayanan V. Study of im-
portance of line entrance arrester
for a composite transmission cir-
cuit. Proceedings of the IEEE Power
Engineering Society Transmission
and Distribution Conference, 2002,
vol. 2, Asia Paci
fi
c, pp. 694-698.
4. Sushkov V.V., Timoshkin V.V., Sukha-
chev I.S., Sidorov S.V. Evalu-
ation of residual life of electric
submersible motor insulation of
electric centrifugal pumps for oil
extraction in conditions of surge
overvoltages //
Izvestiya Tomskogo
politekhnicheskogo universiteta.
Inzhiniring georesursov
[News of
Tomsk Polytechnic University. En-
gineering of geo-resources], 2017,
vol. 328, no. 10, pp. 74-80. (In Rus-
sian)
5. Karamov D.N., Naumov I.V., Per-
zhabinsky S.M. Mathematical
modelling of failures of electri-
cal grid (10 kV) of autonomous
energy systems with renewable
distributed generation // Bulletin
of the Tomsk Polytechnic Univer-
sity. Geo Assets Engineering, 2018,
vol. 329, no. 7, pp. 116-130.
6. The device for overvoltage record-
ing, detection and evaluation of
residual life of submersible mo-
tor insulation. Patent 2655948 RF
no. 2017109534; pending 21.03.2017;
published 30.05.2018. Bull. no. 16,
8 p. (In Russian).
7. Bedoui S., Bayadi A. Probabilistic
evaluation of the substation per-
formance under incoming lightning
surges. Electric Power Systems Re-
search, 2018, vol. 162, pp. 125-133.
8. Instruction on lightning protection
design for buildings, facilities and
industrial utility lines (Company stan-
dard SO 153-34.21.122-2003). Saint
Petersburg, DEAN Publ., 2005.
64 p. (In Russian)
9. Sukhachev I.S., Sidorov S.V., Sush-
kov V.V. Procedure for evaluating
the energy effecting the electri-
cal equipment insulation of an oil
well in surge overvoltage condi-
tions //
Omskiy nauchny vestnik
[Omsk Scienti
fi
c Bulletin], 2017,
no. 6(156), pp. 87-91. (In Russian)
10. Sidorov S.V., Sushkov V.V., Sukha-
chev I.S. Estimation of the impact
of different methods and surge
overvoltage protection apparatus-
es of a 6-10 kV network in the oil
fi
eld //
Izvestiya Tomskogo politekh-
nicheskogo universiteta. Inzhiniring
georesursov
[News of Tomsk Poly-
technic University. Engineering of
geo-resources], 2019, vol. 330, no. 6,
pp. 50-58. (In Russian)
тов
электрической
сети
(10
кВ
)
ав
-
тономных
энергетических
систем
с
возобновляемой
распределен
-
ной
генерацией
//
Известия
Том
-
ского
политехнического
универ
-
ситета
.
Инжиниринг
георесурсов
,
2018,
т
. 329,
№
7.
С
. 116–130.
6.
Устройство
регистрации
,
иденти
-
фикации
перенапряжений
и
оцен
-
ки
остаточного
ресурса
изоляции
погружных
электродвигателей
.
Па
-
тент
2655948
РФ
№
2017109534;
за
-
явл
. 21.03.2017;
опубл
. 30.05.2018.
Бюл
.
№
16. 8
с
.
7. Bedoui S., Bayadi A. Probabilistic
evaluation of the substation per-
formance under incoming lightning
surges. Electric Power Systems Re-
search, 2018, vol. 162, pp. 125-133.
8.
Инструкция
по
устройству
мол
-
ниезащиты
зданий
,
сооружений
и
промышленных
коммуникаций
(
СО
153–34.21.122–2003).
СПб
.:
ДЕАН
, 2005. 64
с
.
9.
Сухачев
И
.
С
.,
Сидоров
С
.
В
.,
Сушков
В
.
В
.
Методика
оценки
энергии
,
воздействующей
на
изоляцию
электрооборудования
нефтяной
скважины
при
импульс
-
ных
перенапряжениях
//
Омский
научный
вестник
, 2017,
№
6(156).
С
. 87–91.
10.
Сидоров
С
.
В
.,
Сушков
В
.
В
.,
Су
-
хачев
И
.
С
.
Оценка
влияния
раз
-
личных
способов
и
аппаратов
защиты
от
импульсных
перена
-
пряжений
в
электрической
сети
напряжением
6–10
кВ
нефтяных
промыслов
//
Известия
Томского
политехнического
университета
.
Инжиниринг
георесурсов
, 2019,
т
. 330,
№
6.
С
. 50–58.
№
1 (76) 2023
Оригинал статьи: Влияние импульсных перенапряжений на технический ресурс асинхронных электродвигателей
В статье рассмотрена задача оценки влияния импульсного воздействия на питающие шины трансформаторной подстанции, вызывающего перенапряжения на вводе асинхронного двигателя. Разработана имитационная модель асинхронного электродвигателя и питающего кабеля на основе их схем замещения. Получены величины перенапряжения и бросков тока на вводе электродвигателя и определено их влияние на технический ресурс.
