Синхронные двигатели — это сердце современной энергетики. Их применяют в электрогенераторах, насосах для перекачки нефти и воды, компрессорах и даже робототехнике. Они преобразуют механическую энергию в электрическую, обеспечивая работу промышленных предприятий и городов. При возникновении короткого замыкания в таких генераторах могут возникать мощные ударные токи, которые способны повредить оборудование и привести к серьезным авариям. Ученые Пермского Политеха предложили новый метод оценки этих ударных токов, который повышает точность расчетов в 2 раза, что поможет улучшить безопасность энергосистем.

Статья опубликована в журнале «Russian Electrical Engineering», том 95, № 11, 2024. Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».

Синхронные машины используются в качестве генераторов на тепловых, гидро- и атомных электростанциях, применяются для регулирования напряжения в электрических сетях, а также в устройствах, требующих высокой точности и стабильности, например, в медицинских сканерах и роботизированных системах. В основе их работы лежит взаимодействие магнитного потока, который генерируют обмотки статора и ротора – статичной и подвижной частей машины. При включении в сеть обмотка статора создает магнитное поле, которое стремится «притянуть» к себе поле ротора, чтобы вращаться с одной и той же частотой. Так механическая энергия преобразуется в электрическую. Благодаря этому синхронные машины могут работать и как генераторы по преобразованию энергии, и как двигатели.

Иногда в электросетях может произойти короткое замыкание, в момент которого в механизмах возникает кратковременный, но очень мощный ударный ток. В синхронных генераторах он может достигать 5-15 кратного увеличения значения от нормального, создавая значительные тепловые нагрузки на обмотки статора и другие элементы конструкции. Если не учесть их при проектировании и эксплуатации генераторов, это может привести к разрушению оборудования и серьезным авариям, которые не только останавливают процесс работы предприятий, но также представляют непосредственную опасность для жизни и здоровья людей: взрыв генератора, пожар на электростанции, поражение человека электрическим током механизма под высоким напряжением.

Традиционно ударный ток оценивается с помощью графико-аналитического метода, который основан на усредненных данных и стандартных параметрах. Проблема в том, что такой метод занижает реальные значения ударного тока, что делает расчеты недостаточно точными для современных мощных генераторов. Обычный способ может недооценивать потенциальную опасность.

Ученые Пермского Политеха предложили новый метод оценки ударного тока. Он учитывает реальные пиковые (максимальные) значения токов в каждой фазе генератора, что позволит более точно рассчитать их максимальное воздействие на конструкцию синхронной машины.

Фазы переменного электрического тока – это его независимые пути протекания. Они представляют собой отдельный синусоидальный сигнал, имеющий свою амплитуду и частоту. График фазы тока можно представить в виде плавной волны, а пик – это ее наивысшая точка.

– Стандартные методики расчета предполагают, что пики тока возникают одновременно, как если включить все приборы в розетки сразу с максимальным энергопотреблением. На самом же деле в разных фазах это происходит с небольшим сдвигом – до 0,01 секунды. Даже такой показатель может внести существенную разницу в расчеты. Помимо этого, наш способ измеряет те пики, которые происходят сразу после короткого замыкания, а не позже, как это делается в классических расчетах. Все это позволяет более точно оценить опасность, – комментирует Анатолий Судаков, доцент кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ, кандидат технических наук.

– В ходе экспериментов мы сравнили результаты традиционного и нашего методов. Оказалось, что ударный ток, рассчитанный предлагаемым способом, может быть почти в два раза выше, чем при использовании стандартного подхода. Так, для синхронного турбогенератора (используется на электростанциях для генерации электричества с помощью турбины) ударный ток, определенный по стандартной методике, составил 714,8 А, а по новому методу – 1254,26 А, – рассказывает Илья Зиятдинов, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ.

Такое различие объясняется тем, что метод политехников учитывает реальные пиковые значения токов в каждой фазе, а также временные сдвиги между ними. Это позволяет более точно оценить максимальное воздействие ударного тока на конструкцию генератора, особенно на лобовые части обмоток статора, которые наиболее уязвимы к механическим нагрузкам.

Метод оценки ударного тока, предложенный учеными Пермского Политеха, позволяет более точно оценивать риски ударного тока, что важно для современных мощных энергосистем. Это исследование не только улучшает понимание переходных процессов в синхронных машинах, но и может помочь инженерам и проектировщикам, которые работают над созданием более надежных и безопасных энергосистем.