Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

На рисунке 2 представлены картины распределения магнитной индукции и напряженности магнитного поля в МГД – насосе. Эти картины позволяют судить об электромагнитной нагрузке индукторов.

Магнитогидродинамическая задача в канале с жидким металлом может быть разделена на две последовательно решаемые задачи: электромагнитную и гидродинамическую. Сопряжение решений обеих задач происходит в области канала с жидким металлом, где существуют магнитогидродинамические течения.

При взаимодействии магнитного поля с вихревыми токами возникают электромагнитные силы. На рисунке 3 представлена картина векторного изображения объемных электромагнитных сил – результат численного решения электромагнитной задачи.

Под действием электромагнитных сил жидкий металл в канале приходит в движение [1]. На рисунке 4 представлена картина распределения скоростей в горизонтальном и вертикальном сечениях канала. При этом интенсивность движения оценивается цветовой гаммой.

Рис. 3. Век- Рис. 4. Картины распределения скоростей в готорное изображеризонтальном и вертикальном сечениях канала ние электромагнитных сил в канале

Так же анализ электромагнитных характеристик индукционной МГД-машины возможно провести аналитическим методом по упрощенной расчетной модели (рисунок 5).

61

ˆ

Fx

Рис. 5. Упрощенная расчетная	Рис. 6. Зависимости отно-
модель для аналитического решения за-	сительных составляющих элек-
дачи	тромагнитной силы от коэффи-
	циента добротности

При решении задач визуализации получение данных возможно с помощью математических средств а так же с помощью CAE – систем [3]. Варианты получения данных представлены на рисунках 3-6.

Представленные аналитические зависимости электромагнитных характеристик МГД-устройства получены при определенных допущениях, однако их можно использовать на ранней стадии выбора основных параметром и режимов работы индуктора.

Выводы:

Представленные инструменты визуализации и расчета параметров проектируемого устройства, а так же протекающих в нем физических явлений позволяют конструктору разработать и спроектировать МГД – устройство в соответствии с техническим заданием заказчика и найти оптимальное решение.

Литература

1.Тимофеев В.Н., Первухин М.В., Хацаюк М.Ю. Магнитогидродинамические технологии в плавильно-литейном производстве алюминиевых сплавов // «Индукционный нагрев», №4, 2012г., с. 15-20.

2.(CompMechLab) [электронный ресурс] URL: http://www.fea.ru/education/cae/ansys/ (дата обращения 14.11.2013).

3.PTS [электронный ресурс] URL: http://www.ptsrussia.com/products/mathcad.htm (дата обращения 14.11.2013).

62

АКТИВНЫЙ МОЛНИЕОТВОД

Кучумов С.Б., Айбатова В.И.

Г. Тобольск, филиал ТюмГНГУ «Тобольский Индустриальный Институт» e-mail: [e-mail]

Разряды атмосферного электричества весьма опасное явление в природе. Образующиеся молнии непосредственно угрожают жизни людей и животных, а при отсутствии систем молниезащиты могут привести к повреждению или уничтожению домов, сооружений, электрооборудования, промышленных коммуникаций и др.

Для защиты зданий от удара молнии используется система различных типов молниезащиты. На нынешний день существуют: стержневой и тросовый тип молниезащиты, молниеприемная сетка и молниезащита с внедрением активных молниеприемников. Последний вид приборов представляют собой наиболее современную версию молниеприемника, воплотившую в себе самые последние исследования в области молниезащиты.

Рассмотрим строение активного молниеотвода на примере М-200

(рис.1, а):

1.Антенны для зарядки генератора и формирования встречного лидера,

атак же являются молниеприемниками.

2.Внешние разрядки служат для стекания заряда молнии от молниеприемника до шины заземления.

3.Диэлектрический корпус с оребренной внешней поверхностью содержит устройство, генерирующее высокое напряжение на стержне – молниеприемнике перед ударами молнии.

4.Фланец для крепления к опоре по месту установки.

Еще не так давно считалось, что главную угрозу представляет высо-

котемпературный канал грозового электричества, контакт с которым приводит к взрывам и пожарам. Но на сегодняшний день электромагнитное поле считается более опасным. При ударе в землю либо в наземный объект скорость роста тока молнии способна превысить 1011 А/с [1], что вызывает в близ лежащей зоне быстро возрастающее магнитное поле, а причиной повреждения электрических сетей является ЭДС, которую наводит это магнитное поле. Но еще сильнее страдают низковольтные коммуникации микропроцессорной техники, цепи управления и автоматики.

Вполне понятно, что от воздействия электромагнитного поля молниеотвод на крыше защищаемого объекта или в непосредственной близости от него не спасет. Перехваченная молния недалеко стоящим молниеотводом фактически никак не изменит собственного электромагнитного поля.

63

Рис.1. Конструкция активного молниеотвода (а), генерация встречного лидера (б)

Изобретение относится к средствам охраны объектов разного назначения от повреждения при активном действии атмосферного электричества, а конкретно к средствам молниезащиты различных построек и зданий, электроэнергетического оборудования.

Рассчитывается, что молниеотвод подаст встречный разряд, перехватывающий молнию на наиболее дальней дистанции – в 5-6 раз превышающий это расстояние (рис. 1, б).

В работе активного молниеотвода различают три этапа:

• Устройство ионизации заряжается через нижние электроды от окружающего электрического поля (несколько миллионов вольт/метр в грозовой обстановке). Это означает, что активный молниеотвод – полностью автономная система, не требующая внешнего источника питания.

•Процесс ионизации контролируется устройством, которое обнаруживает появление нисходящего стримера молнии: напряженность локального электрического поля быстро увеличивается, когда разряд становится неизбежным.

•Молниеотвод обнаруживает изменения в поле, благодаря чему он является единственным молниеприѐмником с упреждающей стриммерной эмиссией, реагирующим точно в момент прохождения нисходящего лидера от тучи к земле.

64

Рис.2. Зона защиты активного молниеотвода

Гарантию того, что именно молниеотвод, а не любая другая вершина на территории, станет более вероятной точкой удара разряда молнии, обуславливает его способность инициировать восходящий стример в защищаемой зоне.

Рассчитать зону защиты (рис.2) объектов можно по следующей формулам:

R0 =	(1);
Rx =	(2);
h = hx +	(3),

где hx – высота защищаемого объекта, м;

Rx – радиус зоны защиты объекта на высоте hx, м; h – высота до вершины молниеотвода, м;

hm – высота молниеотвода, м;

R0 – радиус зоны защиты объекта на уровне земли, м;

K– коэффициент, полученный экспериментально. Уровень 1, вероятность защиты Р = 0,995, К = 0,01; Уровень 2, вероятность защиты Р = 0,98, К = 0,005; Уровень 3, вероятность защиты Р = 0,95, К = 0,003.

Активный молниеотвод отличатся высокой экономичностью. Стоимость реализации проекта активной молниезащиты часто оказывается дешевле реализации проекта пассивной молниезащиты.

Например, на установку внешней молниезащиты (тросовый молниеотвод) нужно затратить от 50000 до 95000 рублей (в зависимости от сложности конфигурации поверхности крыши, разных углах ее наклона). А стоимость установки сетки Фарадея от 80000 до 140000 рублей.

Стоимость же активного молниеотвода варьируется от 50000 до 120000 рублей в зависимости от производителя. [2]

Выгода достигается за счет экономии на материалах токоотводов, а

65

Zс. р

так же в простоте монтажа.

Надежность, экономичность активного молниеотвода, его компактность и простота эксплуатации позволяют применять его для защиты самых различных объектов.

Литература

1.V. Rakov, M. Uman. Lightning. Physics and effects. 2003. Cambridge University Press. 687 p.

2.Информация получена с сайта компании занимающейся изготовлением и установкой внешней молниезащиты.

3.Базелян, Э.М. Молниезащита высоких сооружений/ Э.М. Базелян// Известия академии наук. Энергетика. – 2005. – №3. – С. 55-74.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА УСТАВОК ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ

Лосев Ф.А.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: [e-mail]

Дистанционной называется защита, измерительным органом которой является орган сопротивления. Характеристической величиной, на которую он реагирует, является заданная функция выраженного в комплексной форме отношения входного напряжения U р к входному току I р . Это

отношение принято называть сопротивлением на входе измерительного органа Z р . При определенных условиях сопротивление Z р оказывается

пропорциональным расстоянию (дистанции) lК от места установки защиты до места КЗ, что и определило название защиты как дистанционной [1].

Измерительный орган сопротивления выполняется минимальным и срабатывает при снижении характеристической величины Zp до сопротивления срабатывания , а возвращается при возрастании Zp до сопротив-

ления возврата Zв. р . Коэффициент возврата:

	kв		Z	в. р	(1)
			Zс. р

Выполнение измерительного органа сопротивления минимальным определяется изменением характеристической величины при изменении режима от рабочего к режиму КЗ. Следует отметить, что из двух измерительных органов сопротивления (ИОС) более чувствительным является тот, который имеет большее Zc.р (так как необходимо меньшее снижение Zp до срабатывания).

66

Сопротивление Z p может быть определено по первичным напряжению U р.п и току I р.п на входе измерительных TV и ТА:

Z p

U

р.п / KU

K

I

Z р.п

K

I

Z з

(2)

I р.п

/ K I

KU

KU

где Z з Z р.п — первичное сопротивление или сопротивление защиты,

т.е. сопротивление на входе измерительного органа сопротивления, приведенное к первичным величинам (рис.1).

Дистанционные, как и токовые (ненаправленные и направленные) относятся к защитам с относительной селективностью. Они выполняются со ступенчатыми характеристиками выдержки времени и состоят из отдельных ступеней, часто трех. При этом ступени I и II предназначены для ликвидации повреждений на защищаемом элементе электроэнергетической системы, а ступень III резервирует свои ступени I и II (ближнее резервирование) и отказы защит и выключателей смежных элементов (дальнее резервирование). С учетом этого самым грубым являются измерительный орган сопротивления I ступени, а самым чувствительным — третьей, т.е. ZсI. р < ZсII. р < ZсIII. р . Как и в ранее рассмотренных относительно селективных

защитах, ступень I обычно выполняется без выдержки времени, ступень II

— с небольшой выдержкой времени, ступень III — со значительной выдержкой, выбираемой по встречно-ступенчатому принципу.

Рис.1. Характеристика измерительных зон полного сопротивления Дистанционные защиты на элементах с двухсторонним питанием вы-

полняются направленными: действуют при направлении тока от шин, где

67

установлена защита, к линии.

Все ведущие производители микропроцессорных устройств РЗА выпускают терминалы дистанционной защиты линий электропередачи. Поскольку разные концы линии электропередачи напряжением 35–220 кВ принадлежат разным энергетическим предприятиям то, как правило, для защиты линии применяются терминалы различных фирм производителей с разными характеристиками и параметрами настройки этих защит. Поэтому в России расчет параметров срабатывания таких защит зачастую выполняют по разным методикам для каждого из терминалов, установленных на концах защищаемой линии электропередач. В связи с этим, использование методик расчета дистанционных защит усложняется из-за отсутствия универсального алгоритма.

Методика расчета уставок цифровых дистанционных защит ООО

"НТЦ "Механотроника" г. Санкт-Петербург предлагает определить полные сопротивления срабатывания трех ступеней ДЗ и уставки по активному сопротивлению дуги и для защиты от двойных замыканий на землю [2].

Группа компаний «АВВ» рассматривает вопросы расчетов и выбора уставок функций РЗА с учетом токов нулевой последовательности и взаимоиндукции нулевой последовательности для параллельных линий, а также линий имеющих общий коридор с другими воздушными линиями [3].

В результате проведенного анализа литературных источников, методик расчета уставок дистанционных защит отечественных и зарубежных фирм были определены их достоинства и недостатки.

Существенным преимуществом дистанционных защит является стабильность зоны первой ступени. Поэтому и вторые ступени дистанционных защит обладают большими коэффициентами чувствительности. Чувствительность третьих ступеней дистанционных защит при использовании специальных характеристик срабатывания существенно выше.

К числу недостатков дистанционных защит можно отнести:

1. Невозможность обеспечения мгновенного отключения КЗ в пределах всей защищаемой линии, поэтому они не могут служить основными защитами на тех участках сети, где необходимо выполнение этого требования.

2.Реагируют на качания и нагрузку, т.е. необходимость отстройки от последней существенно ограничивает чувствительность защиты и понижает ее эффективность в качестве резервной защиты смежных участков,

авозможность действия при качаниях вынуждает усложнять защиту применением блокировки.

3.Возможность ложной работы при неисправностях в цепях напряжения, что уменьшает их надежность и вызывает необходимость применения соответствующей блокировки.

Целью данной работы является усовершенствование теоретическиобоснованной методики расчета уставок дистанционной защиты линий

68

электропередачи для повышения надежности и бесперебойной работы электроэнергетических систем.

Литература

1.Басс, Э.И. Релейная защита электроэнергетических систем [Текст]/ Под ред. А.Ф. Дьякова/.-М.: Из-во МЭИ, 2002. - 296с.

2.Гондуров, С.А. Ступенчатые дистанционные защиты линий электропередачи 35 ‒ 220 кВ [Текст]: методика расчѐта/С. А. Гондуров и др.-

СПб.: ПЭИПК, 2013.- 52 с.

3.Рекомендации по выбору уставок дистанционных защит от всех видов к.з. и токовых защит терминала rel 670.v1 [Текст]–Киев, 2006.– 114 с.

ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК ПО ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Найденов А.В.

Россия, г. Тюмень, «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: [e-mail]

Метод диагностирования технического состояния газотурбинной установки по виброакустическим параметрам является одним из основных методов неразрушающего контроля и диагностики [1]. По мнению ряда авторов, виброакустический подход к диагностированию узлов ГТУ можно отнести к категории параметрических методов [2], но в настоящей статье он будет рассмотрен обособленно от других.

Причинами возникновения вибрации являются циклические процессы, возникающие при работе ГТУ: вращение ротора турбины, периодические нагрузки и т.п. Изменение циклических процессов влечет и изменение виброакустических процессов и их характеристик [1].

Причинами изменения виброакустических характеристик могут быть нарушение балансировки ротора, износ лопаток, разрушение подшипниковых узлов и т.п. [1].

Повышенная вибрация вызывает нарушения в работе всей установки. При повышенной вибрации возможны задевания ротора о статорные детали. Даже при небольших и кратковременных задеваниях происходит износ уплотнений, увеличиваются радиальные зазоры в проточной части и, как результат этого, снижается экономичность. При значительных задеваниях может произойти прогиб ротора или разрушение лопаточного аппарата. При сильной вибрации возможны нарушения надежности соединения

69

отдельных деталей и узлов: роторов в валопроводе, крышки и корпуса подшипника, нижней и верхней половин вкладыша и т. д. Сильно вибрирующая турбина или насос приводят к вибрации площадок обслуживания и значительно ухудшают условия труда персонала. Вибрация установки, особенно низкочастотная, может привести к разрушению элементов фундамента [3].

Одной из наиболее распространенных и основных причин вибрации ГТУ является вращающийся ротор газовой турбины, или, иначе говоря, роторная вибрация [4].

Основная вибрация возникает обычно с частотой вращения ротора n (измеряется в сек-1) и носит название первой (основной) роторной гармоники [4].

Ряд особенностей и, в частности, присущая любой реальной системе нелинейность, приводит к появлению дополнительных вибрационных составляющих, частоты которых кратны частоте основной гармоники:

f i n

(1)

где i – порядок гармоники.

Допустимые уровни вибрации и общие требования к контролю вибрации газовых турбин и вспомогательного оборудования ГТУ определяются нормативными документами. При определении вибрационных характеристик турбины в опытном производстве проводят подробное вибрографирование, при котором датчики вибрации (вибропреобразователи) устанавливают на корпусах турбины в плоскостях расположения опор роторов

[4].

В эксплуатационных условиях контроль вибрации используется не только для оценки допустимости ее уровня, но и для вибродиагностики технического состояния установки. Диагностирование изменения технического состояния ГТУ связано с анализом тенденций изменения параметров вибрации. Для этого выполняется регистрация вибрации и построение графиков зависимости параметров вибрации от времени эксплуатации. Можно выделить несколько основных типов поведения вибрации, которые могут быть связаны с появлением и развитием неисправностей в роторной части двигателя: тренд, скачок, выброс и разброс [4].

Появление тренда вибрации может указывать на относительно медленное развитие неисправности, связанной с износом элементов проточной части или опор ротора. В практике отмечались случаи появления тренда в связи с поломками подшипников [4].

Скачок параметра вибрации представяет резкое изменение ее среднего значения. Эта может бьггь связано с мгновенным изменением неуравновешенности ротора вследствие повреждения лопаток посторонними

70