Методи та засоби аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів для аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, з особливим акцентом на системи метрополітену, зокрема ідентифікація, діагностика та аналіз несиметрій в роботі електротехнічних систем, які можуть впливати на їхню ефективність та надійність. Метою дисертаційної роботи є розробка та впровадження новітніх методів та інструментів для ідентифікації, аналізу та контролю несиметричних режимів в електротехнічних системах метрополітену. Об’єкт дослідження є несиметричні режими роботи та їх вплив на роботу електротехнічного обладнання в системах метрополітену. Предмет дослідження є способи виявлення, аналізу, інтерпретації та контролю несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання. У вступі обґрунтовується актуальність теми дослідження, яка безпосередньо випливає з високих вимог до ефективності та стабільності сучасних систем електричного транспорту, зокрема метрополітену, який відіграє важливу роль у життєдіяльності великих міст. Описується проблематика несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, їхні причини та вплив на надійність і ефективність роботи систем. Визначені мета і завдання дослідження, а також об’єкт і предмет дослідження. У першому розділі наведено фундаментальну основу для дослідження, визначаючи актуальність теми, мету, завдання, об'єкт та предмет дослідження. В цьому розділі сформульовано проблематика несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання в контексті експлуатації метрополітену. Основна увага приділяється впливу цих режимів на надійність та ефективність систем, визначенню ключових причин виникнення несиметрії та потенційних шляхів їх усунення. У другому розділі представлені теоретичні аспекти та критерії для розрахунку миттєвих лінійних струмів, що є критично важливими для аналізу несиметричних режимів роботи. Презентується набір математичних методів і алгоритмів для точного визначення струмів, включаючи аналіз за допомогою критеріїв найменшої суми квадратів струмів, найменшої суми квадратів потужностей та максимального миттєвого коефіцієнта потужності. Описані підходи дозволяють підвищити точність діагностики систем та ідентифікації несправностей. Третій розділ присвячений моделюванню та аналізу розроблених підходів діагностики несиметричних режимів роботи. Розділ також включає обґрунтоване використання методів детального аналізу електричних сигналів для ефективного виявлення та локалізації несиметрії. Представлений аналіз спрямований на покращення розуміння механізмів виникнення несправностей та розробку електротехнічного обладнання. Четвертий розділ зосереджений на експериментальному дослідженні несиметричних режимів тягової підстанції метрополітену. Детально наведено проведення вимірювань за допомогою приладу АНТЕС-2, аналіз зібраних даних та інтерпретацію результатів. Особлива увага приділяється дослідженню конкретних випадків, як-от несиметричний провали напруги, та їх впливу на роботу системи. Надано важливу інформацію для розробки рекомендацій щодо покращення надійності та ефективності електротехнічного обладнання в умовах реальної експлуатації. У висновках наведено основні результати наукової роботи щодо вирішення поставлених наукових задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Вперше запропоновані методи розрахунку миттєвих лінійних струмів за критеріями найменшої суми квадратів струмів, найменшої суми квадратів потужностей та максимального миттєвого коефіцієнта потужності. 2. Доведено, що при виконанні умови нульової суми лінійних напруг струми за критерієм максимального миттєвого коефіцієнта потужності збігаються зі струмами за найменшою сумою квадратів. 3. Визначено ефективність запропонованих методів розрахунків лінійних струмів при дослідженнях робочих режимів та несиметричних відмов у напівпровідниковому перетворювачі за схемою Ларіонова. 4. Вперше запропонований метод діагностування напівпровідникового перетворювача тягової підстанції у реальному часі в процесі його функціонування за розрахованими миттєвими лінійними струмами. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментами, проведеними на тягових підстанціях Т-3 КП «Харківський метрополітен» з використанням спеціалізованого діагностичного обладнання АНТЕС-2. Експериментальні результати показали високу ефективність розроблених методів та інструментів для аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання, підтвердивши їхню здатність ідентифікувати несиметричні режими, що впливають на надійність та стабільність систем метрополітену. Використання розроблених методів дозволило значно підвищити точність діагностики та своєчасність виявлення несправностей, що сприяє підвищенню ефективності та безпеки експлуатації електротехнічного обладнання. Практичне значення одержаних результатів у галузі електричної інженерії полягає в наступному: − покращити надійність функціонування обладнання на основі своєчасного індентифікування та діагностування несиметричних режимів роботи та відмов, що сприяє запобіганню пошкодженню обладнання та зниженню ризику аварійних ситуацій; − оптимізувати процеси технічного обслуговування, переходячи від планово-попереджувального до обслуговування залежно від фактичного стану обладнання (condition-based maintenance); − підвисити безпеку пасажирських перевезень, забезпечити стабільну та надійну роботу електротехнічного обладнання метрополітену, зменшуючи ймовірність аварій, пов'язаних з електропостачанням; − розширити наукові та технічні знання при розробці нових поколінь обладнання та систем електропостачання; − підвисити енергоефективность споживання електроенергії та систем метрополітену в цілому. Результати дисертаційної роботи використані на КП «Харківський метрополітен» при впровадженні методів та засобів аналізу несиметричних режимів роботи електротехнічного обладнання (акт про впровадження від 01.05.2024 р.) також в навчальному процесі на кафедрі «Автоматизація та кібербезпека енергосистем» Національного технічного університету «ХПІ» (акт про впровадження 02.05.2024 р.). The dissertation is devoted to the development of methods and tools for analyzing asymmetric modes of operation of electrical equipment, with a special emphasis on subway systems, in particular, identification, diagnosis and analysis of asymmetries in the operation of electrical systems that may affect their efficiency and reliability. The aim of the work is to develop and implement the latest methods and tools for identifying, analyzing and controlling asymmetric modes in subway electrical systems. The object of study is asymmetric operating modes and their impact on the operation of electrical equipment in subway systems. The subject of the study is the methods of detection, analysis, interpretation and control of asymmetric modes of operation of electrical equipment. The introduction discusses the relevance of the research topic, which directly stems from the high requirements for the efficiency and stability of modern electric transport systems, in particular the subway, which plays an important role in the life of large cities. The article describes the problems of asymmetric modes of operation of electrical equipment, their causes and impact on the reliability and efficiency of systems. The purpose and objectives of the study, as well as the object and subject of the research are defined. The first chapter describes the fundamental basis for the study, defining the relevance of the topic, the goal, objectives, object and subject of the study. This section formulates the problem of asymmetric modes of operation of electrical equipment in the context of subway operation. The main focus is on the impact of these modes on the reliability and efficiency of systems, identifying the key causes of asymmetry and potential ways to eliminate them. The second chapter describes the theoretical aspects and criteria for calculating instantaneous line currents, which are critical for the analysis of asymmetric operating modes. A set of mathematical methods and algorithms for the accurate determination of currents is presented, including analysis using the criteria of least sum of squared currents, least sum of squared powers, and maximum instantaneous power factor. These approaches help to improve the accuracy of system diagnostics and fault identification. The third chapter is devoted to modeling and analysis of the developed approaches to diagnosing asymmetric operating modes. It contains an overview of modern technologies and tools, including the use of specialized diagnostic equipment and software. The section also includes the development of our own method based on a detailed analysis of electrical signals for effective detection and localization of asymmetry. The presented analysis is aimed at improving the understanding of the mechanisms of malfunctioning and developing effective strategies for their elimination. The fourth chapter focuses on the experimental study of asymmetric modes of the subway traction substation. It describes in detail the measurements made with the ANTES-2 instrument, the analysis of the collected data, and the interpretation of the results. Particular attention is paid to the study of specific cases, such as an asymmetric voltage dip, and their impact on system operation. The chapter provides important information for developing recommendations for improving the reliability and efficiency of electrical equipment in real-world operation. The conclusions present the main results of the scientific work on solving the research tasks. The research has yielded the following scientific results: 1. For the first time, methods for calculating instantaneous linear currents based on the criteria of the least sum of squared currents, the least sum of squared powers, and the maximum instantaneous power factor are proposed. 2. It is proved that when the condition of zero sum of line voltages is fulfilled, the currents according to the criterion of maximum instantaneous power factor coincide with the currents according to the least sum of squares. 3. The effectiveness of the proposed methods for calculating linear currents in the study of operating modes and asymmetric failures in a semiconductor converter based on the Larionov scheme is determined. 4. For the first time, a method for diagnosing a semiconductor converter of a traction substation in real time during its operation based on the calculated instantaneous line currents is proposed. The reliability of the theoretical dissertation research has been confirmed by experimental studies conducted at traction substations T-3 of Municipal Enterprise «Kharkiv Metro» using specialized diagnostic equipment ANTES-2. The experimental results showed the high efficiency of the developed methods and tools for analyzing asymmetric modes of operation of electrical equipment, confirming their ability to identify asymmetric modes that affect the reliability and stability of subway systems. The developed methods have significantly improved the diagnostic accuracy and timeliness of fault detection, which contributes to the efficiency and safety of electrical equipment operation. The practical significance of the results obtained in the field of electrical engineering is as follows: − improving the reliability of equipment operation: The developed methods and analysis tools allow timely identification and diagnosis of asymmetric operating modes and failures, which helps prevent equipment damage and reduce the risk of emergencies. This, in turn, increases the reliability of operation of traction substations and other subway electrical equipment; − optimization of maintenance processes: The application of the developed analysis methods allows optimizing equipment maintenance and repair schedules, moving from scheduled preventive maintenance to maintenance depending on the actual condition of the equipment (condition-based maintenance); − reduced operating costs: Prevention of abnormal operating conditions and timely elimination of detected malfunctions can reduce the cost of repair and replacement of components, as well as reduce losses from equipment downtime; − improving the safety of passenger transportation: Ensuring the stable and reliable operation of subway electrical equipment contributes to the overall safety of passenger transportation by reducing the likelihood of power-related accidents; − expanding scientific and technical knowledge: The results of the study contributed to the development of scientific knowledge in the field of electrical engineering, in particular in the analysis of asymmetric operating modes, and can be used in the development of new generations of equipment and power supply systems; − improving the energy efficiency of systems: Effective management of asymmetric modes helps to optimize energy consumption and increase the energy efficiency of subway systems. The results of the dissertation were used at the Kharkiv Metro in the implementation of methods and tools for analysing asymmetric modes of operation of electrical equipment (act of implementation dated 01.05.2024) and in the educational process at the Department of Automation and Cybersecurity of Power Systems of the National Technical University ‘KhPI’ (act of 02.05.2024).