Оценка влияния режимов работы на комплекс оборудования ударного генератора повышенной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Железняк Владимир Николаевич

• Железняк Владимир Николаевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Железняк Владимир Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 УДАРНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ: ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ, ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.1 Создание ударных генераторов

1.1.1 Ударный генератор - генератор разрывной мощности

1.1.2 История создания и развитие ударных генераторов

1.2 Техническая эволюция ударных генераторов в разрезе развития электротехнического оборудования

1.3 Испытательные центры и лаборатории большой мощности

1.4 Особенности конструкции ударных генераторов и отличия от

энергетических машин

Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ УДАРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

2.1 Задачи, решаемые при проектировании ударных генераторов

2.1.1 Задача расчета магнитной системы ударного генератора

2.1.1.1 Выбор величины воздушного зазора ударного генератора

2.1.1.2 Выбор геометрии зубцовой зоны ударного генератора

2.1.1.3 Выбор обмоточных данных ротора

2.2 Режимы работы ударных генераторов для обеспечения испытаний электротехнического оборудования

2.2.1 Общие сведения о режимах работы

2.2.2 Основные схемы испытаний

2.2.3 Режимы работы ударных генераторов

2.3 Проблемы повышения мощности короткого замыкания УГ на примере ТИ-100-2

2.4 Двухполюсные и четырехполюсные ударные генераторы

2.4.1 Разнообразие систем охлаждения турбогенераторов

2.4.2 Номинальное напряжение обмотки статора турбогенератора

2.4.3 Номинальная частота вращения

2.4.4 Двух и четырехполюсные ударные генераторы

Выводы по главе

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА

3.1 Сопоставление расчетов и экспериментальных результатов, определяющих основные технические характеристики ударных генераторов типа ТИ-100-2

3.1.1 Особенности испытаний ударных генераторов типа ТИ-100-2

3.1.2 Исходные данные и допустимые режимы работы для испытаний ударных генераторов типа ТИ-100-2

3.1.3 Перечень испытаний и полученные результаты для ударных генераторов типа ТИ-100-2

3.1.4 Анализ полученных опытных данных и сопоставление с расчетными данными

3.2 Возможности оптимизации параметров ударных генераторов для обеспечения испытательных режимов электротехнического оборудования

3.2.1 Общий подход к оптимизации расчетных параметров электрических машин

3.2.2 Оптимизация параметров ударного генератора повышенной мощности

3.2.2.1 Оптимизация параметров ударных турбогенераторов по векторному критерию качества

3.2.2.2 Оптимизация параметров прототипов ударных генераторов по методу последовательного квадратичного программирования

3.3 Анализ теплового состояния ударного генератора в различных режимах

работы

3.3.1 Математическое моделирование пространственного нестационарного температурного поля ударного генератора

3.3.1.1 Модель теплового расчета статора в «холодной» зоне (блок №1)

3.3.1.2 Модель теплового расчета ротора (блок №2)

3.3.1.3 Модель теплового расчета статора в «горячей» зоне (блок №3)

3.3.2 Результаты теплового расчета ударного генератора

3.4 Влияние режимов работы ударного генератора на длительную

диэлектрическую прочность изоляции обмотки статора

Выводы по главе

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКС УДАРНОГО ГЕНЕРАТОРА: СТРУКТУРА, СОСТАВ, ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1 Примеры компоновки лабораторий больших мощностей испытательных центров

4.2 Особенности возбуждения ударных генераторов в испытательных режимах

4.2.1 Общие требования к системам возбуждения ударного генератора

4.2.2 Особенности работы системы возбуждения ударного генератора в режимах короткого замыкания

4.2.3 Пример моделирования режимов работы системы возбуждения при питании ударного генератора повышенной мощности в режимах коротких замыканий

4.3 Общее описание функций оборудования комплекса ударного генератора

4.4 Параллельная работа ударных генераторов

4.5 Рекомендации по обеспечению надежности ударного генератора

4.5.1 Опыт эксплуатации ударных генераторов ТИ-100-2

4.5.2 Особенности конструкции ударных генераторов для обеспечения надежности

4.5.3 Системы диагностики для повышения надежности эксплуатации

ударного генератора

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А Копия отчета (часть) по испытаниям ударного генератора ТИ-

100-2

Приложение Б Копия титульного листа к Техническим требованиям к

ударному генератору повышенной мощности

Приложение В Копия титульного листа разработанных руководящих

технических материалов

Приложение Г Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Приложение Д Свидетельство о государственно регистрации базы данных

Приложение Е Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка влияния режимов работы на комплекс оборудования ударного генератора повышенной мощности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время к электротехническому оборудованию (трансформаторам, выключателям, ячейкам распределительных устройств, реакторам и др.), устанавливаемому на электростанциях и подстанциях, предъявляются жесткие требования к стойкости конструкции в динамических режимах, а именно к механической прочности после прохождения короткого замыкания (КЗ) и термической стойкости при действии повышенных токовых нагрузок., а также к отключающей способности высоковольтных выключателей. Для выполнения необходимого объема испытаний электротехнического оборудования создаются специализированные испытательные центры, в состав которых входит оборудование большой мощности - ударные генераторы, способные обеспечить испытания в динамических режимах при протекании токов короткого замыкания.

Ударные генераторы являются специальным единичным оборудованием, разработка и изготовление которых является нетривиальной технической задачей. Решение данной задачи требует глубокого анализа существующих технических решений как в традиционной энергетике, где за десятилетия опыта разработки и эксплуатации энергогенерирующего, энергораспределяющего и энергопреобразующего оборудования накоплены огромные знания, так и в области проектирования и испытаний электрических аппаратов, конструкция, мощность и надежность которых постоянно изменяются и совершенствуются. С развитием современных вычислительных возможностей, новых принципов проектирования необходимо систематизировать полученный опыт и определить критерии, технические и конструктивные параметры, определяющие мощность ударных генераторов, а также выявить технические и технологические ограничения. Применение существующих в стране конструкций и мощностей испытательных центров и ударных генераторов не позволяют обеспечить растущие потребности

электроэнергетической отрасли [1], в связи с чем остро встала необходимость разработки ударных генераторов повышенной мощности.

Диссертационная работа направлена на структурирование факторов, влияющих на разработку ударных генераторов с целью повышения мощности короткого замыкания для обеспечения необходимых испытательных режимов, непосредственно влияющих на массогабаритные показатели и на технические параметры требуемы для успешного выполнения испытаний.

Важной задачей диссертационной работы является как определение параметров, так и возможность управлениями их величинами для гибкого подхода к процессу проектирования и производства ударных генераторов с применением оптимизационных алгоритмов по определенным в диссертационном исследовании оптимизационным критериям. В диссертации предложены методы расчетной экспресс оценки электрических параметров и механических воздействий.

Выполнение анализа параметров и режимов работы ударных генераторов напрямую влияют на требования и характеристики оборудования, обеспечивающего работоспособность ударного генератора и лаборатории большой мощности испытательного центра в целом. Моделирование режимов работы данного оборудования выполнена в диссертации, что позволяет определить требования к компоновке ударного генератора и обеспечивающего оборудования.

Диссертационная работа отвечает на вопрос возможности повышения мощности ударных генераторов и технически обоснованного уровня мощности короткого замыкания, а также подталкивает к рациональному развитию режимов испытаний и возможности их эффективного масштабирования для сохранения баланса между амбициозными техническими задачами и экономической эффективностью сложного и дорогостоящего сооружения как испытательный центр государственного масштаба.

Цель диссертации заключается в анализе режимов испытаний современного электротехнического оборудования в лабораториях большой мощности испытательных центров, определении влияния этих режимов на параметры и конструкцию ударного генератора для повышения мощности короткого замыкания и определении требований к оборудованию, обеспечивающему работоспособность ударного генератора.

Достижение цели выполняется решением следующих задач:

1) определением основных параметров, влияющих на мощность короткого замыкания ударных генераторов;

2) управлением и возможностью оптимизации параметров ударных генераторов для повышения мощности короткого замыкания;

3) разработкой требований к основному обеспечивающему оборудованию комплекса ударного генератора;

4) разработкой рекомендаций по конструкторскому и технологическому обеспечению производства ударного генератора.

Предметом исследования диссертационной работы является ударный генератор повышенной мощности, работающий в комплексе с обеспечивающим оборудованием.

Достоверность полученных расчетных результатов подтверждается удовлетворительным согласованием с экспериментальными данными на основе анализа проектирования и испытаний ударного генератора аналога ТИ-100-2 и традиционных турбогенераторов различных мощностей и различных систем охлаждения.

Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследования; проведении обзора, получении всех основных теоретических результатов; разработке методов расчета, постановке и проведении вычислительных экспериментов на основе комплекса программ и численных моделей, самостоятельно разработанных автором; обработке, обобщении и анализе результатов расчетов с данными натурных испытаний; подготовке

основных публикаций по представленной работе и апробацию результатов исследования на всероссийских и международных конференциях.

Научная новизна

1. Выполнен анализ опыта испытаний и эксплуатации ударного генератора-аналога для верификации аналитической методики электромагнитного расчета, позволяющей выполнять расчетную оценку основных параметров и характеристик ударного генератора повышенной мощности;

2. Впервые определены и внедрены в АО «Силовые машины» основные параметры, определяющие мощность короткого замыкания ударного генератора и возможность ее повышения, определены критерии оптимизации параметров ударного генератора;

3. Выполнен анализ режимов работы ударного генератора для испытания электротехнического и электроэнергетического оборудования для оценки возможности практической реализации ударного генератора повышенной мощности;

4. Впервые разработаны в АО "Силовые машины" технические требования к оборудованию, обеспечивающему работоспособность ударного генератора в лаборатории большой мощности испытательного центра.

Практическая значимость полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что результаты проведения диссертационного исследования направлены на разработку ударного генератора повышенной мощности короткого замыкания до уровня 5000 МВА с целью реализации энергетической стратегии Российской Федерации в части обеспечения максимальной технологической и энергетической независимости страны от импортных поставщиков электротехнического оборудования и услуг с прицелом на разрабатываемые инновационные отечественные образцы электротехнического и электроэнергетического оборудования для сохранения надежности энергосистемы и ее развития с учетом растущей потребности в электроэнергии и повышении единичной мощности генерирующих объектов.

Разработки и результаты диссертационных исследований:

1. внедрены и используются для расчетной оценки возможности повышения мощности короткого замыкания ударного генератора до уровня 5000 МВА с перспективой увеличения;

2. внедрены и используются при оценке возможности практической реализации ударного генератора повышенной мощности в испытательном центре;

3. используются при разработке требований к оборудованию, обеспечивающему работоспособность ударного генератора в лаборатории большой мощности испытательного центра;

4. используются при анализе требований к ударным генераторам различной мощности, необходимых для различных режимов испытаний;

5. послужили основой для разработки основных технических требований к разрабатываемому ударному генератору повышенной мощности для обеспечения требуемых режимов работы с целью испытаний электротехнического и электроэнергетического оборудования;

6. планируется использовать в АО «Силовые машины» в целях проектирования и производства ударного генератора повышенной мощности;

7. планируется использовать при разработке исходных данных для проектирования и создании технических требований к необходимому оборудованию лаборатории большой мощности испытательного центра.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) результаты анализа опыта проектирования, испытаний и эксплуатации для верификации методики электромагнитного расчета ударного генератора повышенной мощности;

2) результаты определения и оптимизации основных параметров ударного генератора, влияющих на мощность короткого замыкания;

3) расчетный анализ режимов работы ударного генератора повышенной мощности с целью испытаний электротехнического и электроэнергетического оборудования в лаборатории большой мощности испытательного центра;

4) перечень, функции и требования к оборудованию, обеспечивающему работоспособность ударного генератора в лаборатории большой мощности испытательного центра.

Внедрение результатов. Теоретические и практические результаты диссертационной работы, выработанные рекомендации и расчетные методики использованы при выполнении научно - исследовательских и опытно-конструкторских работ АО «Силовые машины».

В отделе расчетов специального конструкторского бюро по проектированию турбогенераторов завода «Электросила» были внедрены следующие результаты работы:

- верифицирована по результатам опыта испытаний и эксплуатации ударного генератора мощностью короткого замыкания 2500 МВА аналитическая методика электромагнитного расчета с целью применения для ударного генератора повышенной мощности;

- расчетная зависимость определения мощности короткого замыкания ударного генератора параметры ударного генератора;

- параметры ударного генератора, определяющие мощность короткого замыкания и возможность ее повышения, представлены общие критерии оптимизации основных параметров ударного генератора;

- применение для разработки технических требований к ударному генератору повышенной мощности и оборудованию, обеспечивающему его работоспособность в лаборатории большой мощности испытательного центра;

- применение расчетных программ для определения эквивалентной теплопроводности изоляции обмотки статора для оценки охлаждения ударного генератора и определения напряженности электрического поля в изоляции для оценки длительной диэлектрической прочности при повышенных напряжениях с применением внедренной базы данных электроизоляционных материалов корпусной изоляции обмотки статора;

- рекомендации для конструктивных решений ударного генератора повышенной мощности и возможности применения унифицированного подхода к проектированию узлов ударных генераторов различных мощностей;

- исходные данные для проектирования лаборатории большой мощности испытательного центра и требования к оборудованию.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции POWER-GEN Russia 2016, конференции молодых исследователей в области электротехники и электроники (ElConRusNW 2022, 2023, 2024), 24ой конференции молодых профессионалов по электронным приборам и материалам (EDM-2023), I Всероссийской конференции по электрическим машинам (ВКЭМ 2022).

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, из которых 3 в рецензируемых изданиях, определяемых в соответствии с рекомендацией ВАК, 4 работы проиндексированы международными базами цитирования Scopus и Web of Science, получено 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ, получено 1 свидетельство о регистрации базы данных.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Железняк В.Н., Коровкин Н.В. Повышение мощности ударных генераторов для обеспечения эксплуатационных режимов, «Электричество», 2022, №11, с. 46-55. DOI: 10.24160.

2. Маннанов Э.Р., Костельов А.М., Филин А.Г., Железняк В.Н. Повышение эксплуатационной надёжности турбогенераторов с воздушным охлаждением для газотурбинной установки // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, №3. С. 74-89. DOI: 10.18721/JEST.29305.

Другие статьи и материалы международных и всероссийских конференций:

3. Short-circuit turbogenerators: ways of short-circuit power increase for modern testing facilities operation / Zheleznyak V.N., Korovkin N.V. // Young

Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2022 IEEE NW Russia. 2022, pp. 1307-1310. DOI: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755726 (индексируется в Scopus и Web of Science).

4. В.Н. Железняк, Бурмистров А.А., Коровкин Н.В. / Комплекс ударного турбогенератора: функциональные и эксплуатационные особенности / Электротехнические комплексы и системы: материалы I Всероссийской конференции по электрическим машинам в рамках Международной научно-практической конференции: в 2 томах. Т.2, С. 329-344 15-16 декабря 2022 г., г. Уфа, УУНиТ. ISBN 978-5-74775645-8.

5. Analysis of Operating Conditions of Short-Circuit Turbogenerators / V.N. Zheleznyak and N.V. Korovkin, // 2023 Seminar on Industrial Electronic Devices and Systems (IEDS), Saint Petersburg, Russian Federation, 2023, pp. 275-278. DOI: 10.1109/IEDS60447.2023.10426503 (индексируется в Scopus и Web of Science).

6. Short-Circuit Turbine Generator Package: Functional and Operational Features / V.N. Zheleznyak, A.A. Burmistrov, N.V Korovkin // 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), EDM-2023, 2023, pp. 990-994. DOI: 10.1109/EDM58354.2023.10225068 (индексируется в Scopus и Web of Science).

7. Simulation of Operating Condition of the Equipment of the Short-Circuit Generator Package / V.N. Zheleznyak, A.A. Burmistrov, N.V Korovkin, A.S. Adalev // 2024 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), 2024 IEEE, 2024, pp. 865-868. DOI: 10.1109/ElCon61730.2024.10468512 (индексируется в Scopus и Web of Science).

Зарегистрированные охраноспособные документы:

8. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020663525 PDinsulation / Костельов А.М., Железняк В.Н., Белько В.О.,

Ильин А.О., Маннанов Э.Р./ правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022665901 заявл. 29.08.2022; зарегистр.05.09.2022.

9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022666650 GeometryCreator/ Костельов А.М., Филин А.Г., Железняк В.Н., Маннанов Э.Р./ правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022665862 заявл. 29.08.2022; зарегистр.06.09.2022.

10. Свидетельство о государственной регистрации Базы Данных № 2022622302 Физико-механические свойства материалов системы изоляции/ Андреев А.А., Степанов А.А., Костельов А.М., Железняк В.Н., Маннанов Э.Р. / правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022622253 заявл. 19.09.2022; зарегистр.21.09.2022.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 91 наименование и 6 приложений. Работа изложена на 202 листах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 31 таблицу.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Железняк Владимир Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнена систематизация и анализ информации по ударным генераторам, установленным и эксплуатируемым в различных мировых испытательных центрах. Определен подход к выбору характеристик и основных параметров ударных генераторов для обеспечения различных режимов испытаний электротехнического и электроэнергетического оборудования различных мощностей и различных типов. Выполнен анализ опыта испытаний и эксплуатации ударного генератора ТИ-100-2, являющегося действующим прототипом, работающим в России.

2. Определены основные параметры ударного генератора, определяющие массогабаритные характеристики, мощность ударного генератора. Получена зависимость влияния сверхпереходного индуктивного сопротивления генератора, как наиболее сильного параметра, на мощность короткого замыкания, рассмотрено влияние обмоточных данных статора, уровня насыщения, геометрии активной зоны ударного генератора на мощность короткого замыкания. Выполнено сравнение параметров ударного генератора с параметрами традиционных энергетических турбогенераторов.

3. Описаны особенности испытаний ударных генераторов и применение типовых методов испытаний. Испытания ранее проводились только на месте установки, в связи с этим, на основе анализа результатов испытаний ударного генератора ТИ-100-2 в НИЦ Бескудниково, полученных опытных параметров и выполненном сравнении с заводскими расчетными данными сделано заключение о верификации типовой методики электромагнитного расчета турбогенератора применительно к расчетной оценке ударного генератора. На основе применения типовой методики электромагнитного расчета предложены функции цели, критерии оптимизации параметров ударного генератора и подтверждена возможность применения алгоритмов оптимизации.

4. Для многовариантного расчета ударного генератора с применением базового результата электромагнитного расчета по заводской методике предложены функции цели и критерии оптимизации параметров ударного генератора с применением известных оптимизационных алгоритмов. Применение оптимизационных алгоритмов для определения параметров и характеристик ударных генераторов также, как и традиционных турбогенераторов, показало свою применимость и эффективность. Рассмотрено и применено два различных алгоритма для оптимизации прототипов ударных генераторов повышенной мощности. Так, для четырехполюсного ударного генератора повышенной мощности, базово принятой 5000 МВА, удалось:

- по одному алгоритму уменьшить сверхпереходное сопротивление на 12,6 %, что способствовало увеличению кратности сверхпереходного тока короткого замыкания на 12,6 % и соответственно повысить мощность короткого замыкания ударного генератора, по другому алгоритму оптимизации - до 30%;

- уменьшить ток, плотность тока и напряжение обмотки возбуждения на 2,5, 8 и 8 % соответственно;

- при этом потери при холостом ходе остались практически на неизменном уровне;

- уменьшить потери на возбуждение на 10 %;

- уменьшить массу обмотки статора на 5,7 %, при увеличении плотности тока обмотки статора на 5,1 %.

5. Выбор применяемых алгоритмов оптимизации, в любом случае, остается за инженером, исходя из поставленной задачи оптимизации, числа критериев оптимизации и удобства использования. Тем не менее, окончательный анализ и выбор подходящего варианта выполняет инженер.

6. Проанализированы режимы работы ударного генератора. Выполнены электромагнитные, тепловые расчеты ударного генератора повышенной мощности короткого замыкания. На основании расчетной оценки

теплового состояния ударного генератора определены дополнительные требования к режимам работы генератора до короткого замыкания и между короткими замыканиями. Результаты теплового моделирования режимом работы ударного генератора повышенной мощности при заданных тепловых воздействиях, вызванных протекание токов и нагревом под действием магнитного поля показали возможность разработки ударного генератора с заданными размерами активной зоны ударного генератора. Температуры активных частей по результатам моделирования не превышают класса нагревостойкости изоляции обмоток статора Б (155) и ротора Н (180) и имеют термический запас. Таким образом, подтверждается тепловая надежность и длительная термическая надежность изоляции и ударного генератора в целом.

7. В процессе расчетов применены разработанные программные продукты и использована база данных изоляционных материалов, внедренные в отделе расчетов СКБ по проектированию турбогенераторов завода «Электросила». Выполнено моделирование изоляции обмотки статора для подтверждения ее длительной диэлектрической прочности, т.е. отсутствие возникновения частичных разрядов в системе изоляции под воздействием электрического поля, создаваемого номинальным напряжением 15 кВ и повышенным напряжением (кратковременным перенапряжениям), возникающим при коротких замыканиях 27 кВ. Для обеспечения длительной диэлектрической надежности изоляции, потребовалось увеличить толщину изоляции относительно номинального напряжения на 50 %.

8. С учетом утолщенной изоляции для выполнения тепловых расчетов по разработанной на заводе «Электросила» программе ЭВМ вычислена эквивалентная теплопроводность системы изоляции обмотки статора. Свойства материалов системы изоляции, включая корпусную изоляцию, коронозащитные покрытия, принятые в расчете эквивалентной теплопроводности взяты из разработанной базы данных материалов, принятой на заводе «Электросила». В результате, эквивалентная теплопроводность составляет от 0,309 до 0,336 Вт/(мК) в зависимости от выкладки паза.

9. Проанализированы режимы работы ударного генератора. Выполнены электромагнитные, тепловые расчеты ударного генератора мощностью короткого замыкания 5000 МВА. На основании расчетной оценки теплового состояния ударного генератора определены дополнительные требования к режимам работы генератора до короткого замыкания и между короткими замыканиями. В процессе расчетов применены разработанные программные продукты и использована база данных изоляционных материалов, внедренные в отделе расчетов СКБ по проектированию турбогенераторов завода «Электросила».

10. Рассмотрены особенности конструкции ударного генератора по отношению к традиционным энергетическим турбогенераторам. Очевидно, что существенные различия в конструкции отмечены в подходе к выбору обмотки статора, крепления лобовых частей обмотки статора, которые должны обеспечить испытательные режимы.

11. Определен состав и функциональные особенности оборудования, необходимого для обеспечения работоспособности ударного генератора и обеспечения режимов испытаний, влияющих, в т.ч. на вспомогательное оборудование. Численное моделирование режимов работы, выполненное для режимов работы ударного генератора, позволило определить требования к проектированию и выбору вспомогательного оборудования.

12. Выполнено математическое моделирование ударного генератора и системы возбуждения для оценки влияния требуемых режимов работы на выбор типа системы возбуждения ударного генератора и ее основных характеристик. Результаты моделирования показали, что в кратковременных режимах коротких замыканий система возбуждения не переходит в режим форсировки, ток короткого замыкания нужной величины создается ударным генератором за счет выбранных параметров, но в длительных коротких замыканиях (длительностью от 0,5 с до 4 с), система возбуждения должна обеспечить подачу достаточной энергии в ротор для подпитки короткого замыкания. В этом случае кратности форсировки по напряжению могут

достигать 10-12 о.е., а по току до 8-10 о.е. Кратковременная мощность, потребляемая системой возбуждения может составлять 30 - 40 МВт.

13. Выполнен анализ надежности эксплуатации ударных генераторов типа ТИ-100-2 НИЦ Бескудниково. По опыту работы определено, что число коротких замыканий с различными уровнями токов КЗ ударных генераторов в сутки составляло до 8. И назначенный эксплуатационной документацией ресурс был исчерпан через четыре года работы. Поэтому при разработке ударных генераторов повышенной мощности необходимо учитывать опыт эксплуатации, а в конструкцию закладывать не только достаточные запасы по материалам, но и применять специальные, характерные для ударных генераторов конструктивные решения, а также рекомендовать к оснащению ударного генератора следующими системами мониторинга и диагностики:

- теплоконтроль и диагностика теплового состояния ударного генератора;

- виброконтроль и вибродиагностика подшипников и вала агрегата;

- мониторинг уровня частичных разрядов в обмотке статора;

- контроль наличия витковых замыканий в обмотке ротора;

- контроль сопротивления изоляции обмотки ротора;

- контроль сопротивления изоляции подшипников и масляной пленки;

- контроль влажности и утечек внутри корпуса генератора;

- контроль токораспределения по щеткам щеточно-контактного аппарата;

- контроль крутильных колебаний валопровода агрегата «ударный генератор - двигатель»;

- виброакустический контроль элементов статора.

14. Результаты анализа и систематизации, приведенные в настоящей работе, представляют несомненный интерес инженеров-электротехников в области применения инженерного подхода к выполнению расчетов ударного генератора большой мощности и могут быть применены для разработки проекта ударного генератора мощностью 5000 МВА и более с последующим

изготовлением на заводе «Электросила», который будет размещен в лаборатории большой мощности современного испытательного центра, проектируемого в России.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Железняк Владимир Николаевич, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2035 года», утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 09 июня 2020г. №1523-р, Москва, 92 с. https://minenergo.gov.ru.

2. Костенко М.П. Электрические машины (специальная часть). М.: Госэнергоиздат, 1949. 712 с.

3. Комар Е.Г. Ударные генераторы завода «Электросила» им. Кирова. ВЭП, №1, 1940.

4. Буткевич Ю.В. Лаборатория разрывных мощностей ВЭИ. -Электричество, 1946, № 11, с. 40-44.

5. Шилин Н.В. Научно-исследовательский центр по испытанию высоковольтной аппаратуры. - Электричество, 1967, № 9, с. 1-11.

6. Воронцов А.И., Хуторецкий Г.М. Генераторы разрывной мощности на 2500 МВА. Сборник «Электросила», 1961, № 20.

7. Jacob Fontijne. A Memorable Milestone. Energy Highlight. Kema Laboratories. Quarterly Magazine. February 2015, No.61, p.2.

8. High-Power Testing Laboratory. Siemens. https: //www. siemens. com/global/en/products/energy/medium-voltage/mv-system-services/test-and-research-laboratories/high-power-testing-laboratory.html.

9. High Voltage and High Power Testing Laboratory. Hitachi. http: //www.hitachi.com/products/power/hpl/facility/hi ghpower/index.html.

10. High Power Testing Laboratory. Mitsubishi Electric. https://business.atengineer.com/mitsubishielectric-e/product5.htm.

11. High Power Testing Laboratories. Kema Labs. https://www.cesi.it/testing-certification-inspection/testing-labs/high-power-laboratories/.

12. Maeng-Hyun Kim. High Power High Voltage Testing & Evaluation Division at KERI. EINA - Electrical Insulation News in Asia, November 2009, No.16, pp.38-39.

13. Magnum Olofsson. Power engineering research foe the 21st century. ABB Review, 1998, No.1, pp. 17-22.

14. Powerful, efficient, independent. The comprehensive portfolio of the testing laboratories at Schaltwerk Berlin. Published by Siemens AG 2016, 12 p.

15. Investing in Innovation S&C Electric Company's Advanced Technology Center. - Power Affiliates Program. 32nd annual review. May 20, 2011.

University of Illinois At Urbana-Champaign. 84 p. https://energy.ece.illinois.edu.

16. Zheleznyak V.N., Korovkin N.V. Short-circuit turbogenerators: ways of short-circuit power increase for modern testing facilities operation. В сборнике: Proceedings of the 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2022. 2022, pp. 1307-1310. DOI: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755726.

17. Маннанов Э.Р., Костельов А.М., Филин А.Г., Железняк В.Н. Повышение эксплуатационной надёжности турбогенераторов с воздушным охлаждением для газотурбинной установки // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, №3. С. 74-89. DOI: 10.18721/JEST.29305.

18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020663525 PDinsulation / Костельов А.М., Железняк В.Н., Белько В.О., Ильин А.О., Маннанов Э.Р./ правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022665901 заявл. 29.08.2022; зарегистр.05.09.2022.

19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022666650 GeometryCreator/ Костельов А.М., Филин А.Г., Железняк В.Н., Маннанов Э.Р./ правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022665862 заявл. 29.08.2022; зарегистр.06.09.2022.

20. Свидетельство о государственной регистрации Базы Данных №

2022622302 Физико-механические свойства материалов системы изоляции/ Андреев А.А., Степанов А.А., Костельов А.М., Железняк В.Н., Маннанов Э.Р. / правообладатель АО "Силовые машины", заявка № 2022622253 заявл. 19.09.2022; зарегистр.21.09.2022.

21. Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. Расчет и конструкция. Л.: Энергия, 1967, 895 с.

22. Хуторецкий Г.М., Токов М.И., Толвинская Е.В. Проектирование турбогенераторов. Л.: Энергоатомиздат, 1987, 256 с.

23. Хармс Д. Конструкция ударных генераторов. В кн.: Электрические машины специального назначения. Доклады конференции в 1960 г. в г. Дуркхейли. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960, с. 101 - 118.

24. Федченко И.К. Техника высоких напряжений. Киев: Вища школа, 1969, 544 с.

25. Важнов А.И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1968, 768 с.

26. Постников И.М. О проектировании ударного генератора. Труды ЛИИ. Т. 209, 1969.

27. Бобков Л., Чистяков А.А. Способы снижения сверхпереходной индуктивности ударного синхронного генератора. Исследование

электромагнитных полей, параметров и потерь в мощных электрических машинах. Изд. Наука. М-Л., 1966.

28. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. К выбору основных размеров ударного генератора. Изв. ТПИ, том 132, 1965.

29. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. К выбору обмотки статора ударного генератора. Изв. ТПИ, том 138, 1965.

30. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А., Хорькова В.З., Баклин В.С., Андреев В.И. К выбору геометрии зубцовой зоны статора ударного генератора. Изв. ТПИ, том 211, 1970.

31. Данилевич Я.Б., Кулик Ю.А. Теория и расчет демпферных обмоток синхронных машин. Издательство АН СССР, 1962.

32. Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. К выбору обмотки ротора ударного генератора. Изв. ТПИ. Том 138, 1965.

33. Каплан В.В., Нашатырь В.М. Синтетические испытания высоковольтных выключателей. Л.: Энергия, 1980, 200 с.

34. Simulation of Operating Condition of the Equipment of the Short-Circuit Generator Package / V.N. Zheleznyak, A.A. Burmistrov, N.V Korovkin, A.S. Adalev // 2024 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), 2024 IEEE, 2024, pp. 865-868. DOI: 10.1109/ElCon61730.2024.10468512.

35. Турбогенераторы Силовых машин: индивидуальный подход к заказчикам как основа развития эффективности / О.В. Антонюк, М.Б. Ройтгарц, В.Н. Железняк, Н.В. Гришин // доклад на конференции International Conference Russia Power 2014, 3-5March 2015, Moscow, Russia. - 2014.

36. Антонюк, О.В. Повышение единичной мощности турбогенераторов с использованием новых материалов и технологий / О.В. Антонюк, Т.Н. Карташова, М.Б. Ройтгарц // "Новое в Российской электроэнергетике". -2013. - №5. - С.5-17.

37. Маннанов Э.Р., Костельов А.М., Филин А.Г., Железняк В.Н. Повышение эксплуатационной надёжности турбогенераторов с воздушным охлаждением для газотурбинной установки // Глобальная энергия. 2023. Т. 29, №3. С. 74-89. DOI: 10.18721/JEST.29305.

38. Маннанов Э.Р. О диэлектрических материалах с высокой теплопроводностью для систем электрической изоляции высоковольтных электрических машин: обзор отечественной и зарубежной литературы // Глобальная энергия. 2021. Т. 27, № 4. С. 4267. DOI: 10.18721/JEST.27404.

39. Маннанов Э.Р., Филин А.Г. Тепловое состояние электрической изоляции статорных обмоток турбогенераторов с воздушным охлаждением // Материаловедение. Энергетика. 2021. Т. 27, № 2. С. 3849. DOI: 10.18721/JEST.27203.

40. Technique for calculating the thermal conductivity coefficient of the insulation system / E. R. Mannanov, A.G. Filin, V. O. Belko // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRus), 2021 IEEE Russia. - 2021. - pp. 1193-1196. DOI: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396705.

41. Гришин Н.В., Антонюк О.В., Варламов А.Ю., Карташова Т.Н., Железняк В.Н. Результаты разработки и испытаний турбогенератора мощностью 1255 МВт на частоту вращения 1500 об/мин для Курской АЭС-2, «Электрические станции», 2022, 11, с. 39-45. DOI: 10.34831/EP.2022.1096.11.005.

42. Жерве Г.К., Промышленные испытания электрических машин. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1950, 352 с.

43. Лютер Р.А. Параметры синхронной машины с учетом насыщения. -Сборник «Электросила», 1951, №10, с. 30-36.

44. Рабинович И.Н., Шубов И.Г. Проектирование электрических машин постоянного тока. Л.: Энергия, 1967, 504 с.

45. Коровкин Н.В., Марков М.А. Оптимизация параметров турбогенератора ТВВ-360 по векторному критерию качества. Известия РАН. Энергетика, 2020, № 4, сс. 49-54.

46. M. A. Markov and N. V. Korovkin, "Multi-objective Optimization of the Operational Characteristics for Turbogenerator TVV-360," 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus), Saint Petersburg, Russian Federation, 2022, pp. 1230-1233, DOI: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755548.

47. Железняк В.Н., Коровкин Н.В. Повышение мощности ударных генераторов для обеспечения эксплуатационных режимов, «Электричество», 2022, №11, с. 46-55. DOI: 10.24160.

48. Беляев Н.А. и др. Использование билинейной теоремы для решения задач оптимизации потоков мощностей в энергосистемах. -Электротехнические комплексы и системы управления, 2012, № 1, c. 7780.

49. Деб К. Многокритериальные генетические алгоритмы: проблемы и построение тестовых функций. - Эволюционные вычисления, 1999, 7(3), c. 205-230.

50. Adalev A.S., et al. Deembedding and unterminating microwave fixtures with the genetic algorithm. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, vol. 54, No. 7, pp. 3131-3139.

51. S. Cui, X. Li, S. Wu and L. Song, "Anti-shock analysis of the electromagnetic launched projectile powered by the pulsed alternator," 2013 19th IEEE Pulsed Power Conference (PPC), 2013, pp. 1-5, DOI: 10.1109/PPC.2013.6627464.

52. G. Aubert et al., "Quasi-stationary magnetic fields of 60 T using inductive energy storage," in IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 12, no. 1, pp. 703-706, March 2002, DOI: 10.1109/TASC.2002.1018498.

53. V. Moskalev, S. Pustynnikov and G. Sergeev, "Power pulse generator with the inductive energy storage unit," 7th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology, Proceedings KORUS 2003. (IEEE Cat. No.03EX737), 2003, pp. 57-59 vol.3.

54. Belyaev, N.A., Korovkin, N.V., Chudny, V.S., Frolov, O.V. Reduction of active power losses in electric power systems with optimal placement of FACTS devices / Proceedings of the 2015 IEEE North West Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRusNW 2015, St. Petersburg, Russian Federation, 2015, February 2-4, pp. 150-154.

55. Гуревич, Э.И. Тепловой расчет ударных и импульсных генераторов / Э.И. Гуревич, Л.А. Дроздова, Т.Н. Карташова // Сб. Электросила.- Л.: Энергия. 1991.

56. Сочава М.В. К вопросу о допустимой геометрической идеализации при анализе переходных тепловых процессов в активных элементах электрических машин. / М.В. Сочава // Научные исследования и инновационная деятельность: мат. научно-практической конф. СПб.: СПбГПУ. 2007. С 173-178.

57. Сочава М.В. Моделирование переходных тепловых процессов в активной зоне электрических машин с учетом подогрева охлаждающего газа. / М.В. Сочава // Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий: мат. научно-практической конф. и школы-семинара. СПб: СПбГПУ. 2004. С 124-131.

58. Сочава М.В. Совершенствование инженерных методов расчёта тепловой инерционности активных частей мощных электрических машин/ М.В. Сочава // автореф. канд. Диссертации: СПб. 2008.

59. Гуревич Э.И. Тепловая инерционность активных частей электрических машин с протяженными охлаждающими каналами / Э.И. Гуревич, М.В. Сочава // Электричество. 2005. № 9. С 30-37.

60. Гуревич Э.И. Экспериментальное исследование нестационарных тепловых процессов в турбогенераторах / Э.И. Гуревич, Ю.Л. Рыбин // Сб. Электросила

61. Важнов А.И. Моделирование нестационарного нагрева роторов мощных турбогенераторов // Электротехника. 1970. №1. С 33-37.

62. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/ ГЭИ. М., 1960.

63. Аврух В.Ю., Дугинов Л.А. Теплогидравлические процессы в турбо- и гидрогенераторах. М.: Энергоатомиздат, 1991.

64. Сипайлов Г.А., Санников Д.И., Жадан В. А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах. М.: Высш. шк., 1989.

65. Бухгольц Ю.Г. Основы аэродинамических и тепловых расчетов в электромеханике : учеб. пособие / Ю.Г. Бухгольц, В.А. Тюков, Т.В. Честюнина. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. - 196 с.

66. Филиппов И.Ф. Теплообмен в электрических машинах. Л.: Энергоатомиздат. 1986.

67. Филин А.Г. Динамический метод тестовой диагностики локальных термических дефектов в обмотке статора турбогенератора с водяным охлаждением / Э.И. Гуревич, А.Г.Филин // Электрические станции. 2009. №5. С 52-57.

68. Филин А.Г. Температурное поле обмотки статора мощного турбогенератора при локальных нарушениях внутренней системы водяного охлаждения / Э.И. Гуревич, А.Г.Филин // Электричество. 2010. №3. С 23-29.

69. Нестационарные тепловые расчеты в электрических машинах: сб. ст. [под ред. Б.К. Клокова] М.: Моск. энерг. ин-т. 1987. 72 с.

70. Коробов В.К. Моделирование подогрева охлаждаюшего агента в тепловых схемах замещения электрических машин / В.К. Коробов // 1974. №11. C 32-33.

71. Brush K., Hilmer T. Corona Protection in Rotating High Voltage Machines// Inductica, 2006, Berlin, p.1/6 - 6/6.

72. Stone G. C., Maughan C. Vibration Sparking and Slot Discharge in Stator Windings. Conference Record of the 2008 IEEE International Symposium on Electrical Insulation, Vancouver, BC, 2008, pp. 148-152.

73. Liese M., Brown M. Design-dependent slot discharge and vibration sparking on high voltage windings. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2008, vol. 15, no. 4, pp. 927-932.

74. Stone G.C., et al. Electrical Insulation for Rotating Machines. IEEE Press-Wiley, 2004.

75. Jackson R., Wilson A. Slot-Discharge Activity in Air-Cooled Motor and Generators. IEEE Proc. 1982, vol.129, no. 3 pp. 159-167.

76. Reznik A.S., Ivanov I. O., Shikova T.M., Andreev A. M., Mannanov E. R. The effect of discharge activity on the performance of corona-protective semiconducting coatings of the stator bar insulation. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW), 2021 IEEE NW Russia, pp. 1228-1231. DOI: 10.1109/ElConRus51938.2021.9396613.

77. Bondarenko, P.N., Emelyanov, O.A., Shemet, M.V. Investigation of a single dielectric barrier discharge in submillimeter air gaps. Uniform field. Tech. Phys, 2014, vol. 59, pp. 838 - 846.

78. Исследование одиночного барьерного разряда в субмиллиметровых воздушных промежутках. Однородное поле / П. Н. Бондаренко, О. А. Емельянов, М. В. Шемет // Журнал технической физики. - 2014. - Т. 84. - № 6. - С. 51-59.

79. Mannanov Emil R., Kostelov Andrey M., Belko Victor O., Ilyin Alexander O., Investigation of the Partial Discharge Occurrence Criterion in the Stator Slot with Air-Cooled Turbogenerator. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon), Saint Petersburg, Russian Federation, 2024, pp. 613-619, DOI: 10.1109/ElCon61730.2024.10468235.

80. Маннанов Э.Р., Управление характеристиками теплопроводности при разработке систем изоляции мощных турбогенераторов: диссертация ... кандидата технических наук: 2.4.1. СПб., 2023. - 160 с.

81. В.Н. Железняк, Бурмистров А.А., Коровкин Н.В. / Комплекс ударного турбогенератора: функциональные и эксплуатационные особенности / Электротехнические комплексы и системы: материалы I Всероссийской конференции по электрическим машинам в рамках Международной научно-практической конференции: в 2 томах. Т.2, С. 329-344 15-16 декабря 2022 г., г. Уфа, УУНиТ. ISBN 978-5-74775645-8.

82. Short-Circuit Turbine Generator Package: Functional and Operational Features / V.N. Zheleznyak, A.A. Burmistrov, N.V Korovkin // 24th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), EDM-2023, 2023, pp. 990-994. DOI: 10.1109/EDM58354.2023.10225068.

83. Analysis of Operating Conditions of Short-Circuit Turbogenerators / V.N. Zheleznyak and N.V Korovkin // 2023 Seminar on Industrial Electronic

Devices and Systems (IEDS), Saint Petersburg, Russian Federation, 2023, pp. 275-278. DOI: 10.1109/IEDS60447.2023.10426503.

84. Назолин А.Л. Предупреждение аварий и катастроф вращающегося оборудования критически и стратегически важных объектов техносферы (на примере мощных турбоагрегатов атомных и тепловых электростанций). Научный доклад. -М.: Издатель-РАН, 2017. - 40 с.

85. Назолин А.Л. Поляков В.И., Гнездилов С.Г. Диагностика целостности валопроводов по крутильным колебаниям // Теплоэнергетика, №2 1 -2020. С.32-43.

86. A.L. Nazolin, V. I. Polyakov, S. G. Gnezdilov. Diagnostics of Shaft Trains of Large Turbine Sets for Integrity using Torsional Vibration Measurements //Thermal Engineering, 2020, Vol. 67, No. 1, pp. 25-35.

87. Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброакустический мониторинг и ресурсосберегающая технология эксплуатации генераторов // Проблемы вибрации, виброналадки, вибромониторинга и диагностики оборудования электрических станций: Сб. докл. междун. науч.-техн. совещания. - М.: ОАО «ВТИ», 2007. - С. 159-166.

88. Назолин А.Л. Оценка возможности обнаружения дефектов статора турбогенератора по спектру виброакустического сигнала // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2017. -Т. 83. -№4. - С.49-54.

89. Nazolin A.L Evaluation of the Possibility of Flaw Detection in Turbine Generator Stator According to Spectrum of Vibroacoustic Signal // Inorganic Materials, 2018, Vol. 54, No. 15, pp. 1537-1542. DOI: 10.1134/S0020168518150165.

90. A.L. Nazolin, V. I. Polyakov, A. K. Puzakina. Vibroacoustic monitoring and troubleshooting of the stators of turbogenerators // Journal of Physics: Conference Series 1348(2019) 012104 1-7р. D0I:10.1088/1742-6596/1348/1/012104.

91. Назолин А.Л. Экспериментальное определение механической подвижности конструкций статоров турбогенераторов типа ТВВ-320-2 методом ударного возбуждения // Необратимые процессы в природе и технике: C6. трудов 8-й Всероссийской конф. -М.: МГТУ им. Н.Э Баумана, 2015, -Ч. 2 -С.231-235.