CC BY
130
УДК 621.314.21
К.А. Андреев, асп., (910) 161-02-05, Konst1of1 @yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА И ДИАГНОСТИКИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ
Описано вновь разработанное устройство мониторинга и диагностики силового трансформатора без отключения его от сети. Приведены основные схемы и формулы, объясняющие принцип действия устройства.
Ключевые слова: трансформатор, изоляция, диагностика, мониторинг.
В настоящее время разработаны устройства, обеспечивающее мониторинг силовых трансформаторов без отключения их от нагрузки, но они содержат в себе ряд недостатков, не позволяющих их полноценно их использовать на практике. Например, в одном из них, производятся измерения частоты, вторичного тока, первичного и вторичного напряжений. Параметром, определяющим состояние обмоток, является величина сопротивления короткого замыкания (КЗ). Она вычисляется как произведение отношений разности векторов напряжения обмоток к величине токов и измеренной частоты к эталонной [1, 2]. Недостатки следующие:
1) сложная система измерения напряжений с помощью четырех промежуточных трансформаторов напряжения;
2) величина сопротивления КЗ не является точным параметром, который зависит от температуры.
Следовательно, необходимо создать устройство, позволяющее вести мониторинг силового трансформатора в процессе его эксплуатации без отключения его от нагрузки, позволяющее с достаточной степенью точности диагностировать состояние обмоток, а в критических случаях подавать сигнал о его отключении на защитный аппарат (автоматический выключатель).
Представим принципиальную схему вновь разработанного устройства, которое (устройство) позволит решить задачи, указанные выше.
Наиболее оптимально, в части исходного обеспечения вспомогательного оборудования, применять это устройство для комплектных трансформаторных подстанций, но оно так же может быть применено для трансформаторных подстанций с отдельно стоящем распределительным устройством высокого напряжения. Трансформаторная подстанция состоит из силового трансформатора, запитывающегося от трехфазного источника электропитания, распределительного устройства высокого напряжения (РУВН), распределительного устройства низкого напряжения (РУНН), питающего нагрузку.
Ячейка РУВН, питающая трансформатор, содержит высоковольтный автоматический выключатель и, как правило, устройство релейной защиты, которое так же измеряет напряжение на стороне высокого напряжения. В дополнение, в случае стационарного исполнения устройства диагностики и мониторинга, может быть установлен независимый расцепи-тель, позволяющей отключить трансформатор от питающей сети. В некоторых выключателях эта функция уже встроена. Если отсутствует возможность измерения напряжения, то к питающей сети подключается трансформатор напряжения. Он может быть установлен как в отдельной ячейке, так и в свободном месте в существующей ячейке.
РУНН состоит из вводного шкафа и распределительного шкафа, который питает нагрузку. Схема РУНН в данном случае не принципиальна. Вводной шкаф включает в себя автоматический выключатель, трансформаторы тока, амперметр и вольтметр. Как правило, они уже содержаться в большинстве вводных шкафов, т.к. служат для контроля. Так же необходим частотомер. На практике его необходимо будет дополнительно установить. Но перерыва в электроснабжении не будет, если РУНН состоит из нескольких, например двух, секций, т.к. во время монтажных работ электропитание будет осуществляться по другой секции.
Параметры сети (напряжение, частота) не имеют принципиального значения, т.к. устройство мониторинга и диагностики может быть настроено под любые параметры.
На рисунке изображена принципиальная схема данного устройства мониторинга, диагностики и защиты обмоток. Устройство содержит ряд блоков, которые собирают определенную информацию и производят необходимые вычисления. Сначала перечислим их, затем опишем принцип действия мобильного устройства мониторинга и диагностики (У МДМ).
Принципиальная схема УМДМ
390
Энергетика, электроснабжение, электропривод Назначение блоков УМДМ
Номер блока Назначение
1 приводит первичное напряжение к вторичному напряжению
2 вычисляет разность напряжений
3 вычисляет средние значения напряжений
4 вычисляет производные тока для обмоток НН
5 вычисляет падения напряжений на активных сопротивлениях
6 уставки активного сопротивления обмотки НН
7 вычисляет индуктивности
8 приводит значения индуктивности к номинальной частоте
9 вычисляет средние значения индуктивности за период времени
10 вычисляет отклонения индуктивности
11 уставки индуктивности обмотки НН
12 контроль отклонения индуктивности
13 защита контролируемого силового трансформатора
14 сбор информации от систем диагностики, принятие решений
15 дисплей
16 анализ гармонических составляющих в сети
17 вычисляет производные тока для обмоток ВН
18 вычисляет падения напряжений на активных сопротивлениях
19 установка времени
20 уставки активного сопротивления обмотки ВН
21 уставки индуктивности обмотки ВН
трансформатор напряжения на стороне ВН
ТІ трансформатор тока (1 - ВН, 2 - НН)
V вольтметр (1 - ВН, 2 - НН)
А амперметр (1 - ВН, 2 - НН)
частометр
Принцип работы мобильного устройства мониторинга и диагностики силового трансформатора следующий.
Постоянный или периодический мониторинг состояния обмоток силового трансформатора обеспечивается путем определения значения отклонения индуктивности в блоке 10 от базового значения, которое определяется на заводе-изготовителе оборудования, за определенный период времени, который можно установить в соответствующих блоках.
В процессе работы силового трансформатора, питающего нагрузку, производятся измерения значения первичного напряжения и1 и вторичного напряжения и2, например, с помощью V1 и V2. Сигнал с V1 поступает на вход блока 1. В блоке 1 вычисляется приведенное к вторичному значению первичного напряжения
и = и1/кт , (1)
где Кт - коэффициент трансформации силового трансформатора.
На вход блока 2 поступают сигналы с V2 и сигналы с выхода блока
1. В блоке 2 вычисления разности напряжений, приведенных к вторичной
*
стороне. ди определяется по формуле
ф *
ди = и -и2, (2)
где и2 - значение вторичного напряжения, измеренное ^.
В блоке 3 вычисление производится на заданном интервале времени, который может быть изменен в широких пределах в блоке 19
диа*=[ди* j(t2)+ ди* j(tl)]/2, (3)
* •
где ди j - значения разности приведенных напряжений на силовом трансформаторе; ^ и ^ - временные границы интервала разбиения.
В блоке 17 и 4 вычисляется приращение по току на заданном интервале времени для обмоток ВН и НН соответственно
^^=|]^2)-у(^)]/^241), (4)
где у - значение тока в первичной или вторичной обмотке силового транс-
форматора, измеренное А1 и А2.
В блоке 18 и 5 вычисляется падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора для обмоток ВН и НН соответственно как произведение
дипад=у^, (5)
где R - значение уставки активного сопротивления трансформатора, которое берется из блоков 20 и 6 для обмоток ВН и НН соответственно. Определяются по результатам эксперимента на заводе-изготовителе оборудования.
В блоке 7 определяется мгновенное значение индуктивности на заданном интервале времени для обмоток ВН и НН
Ц1т=[диа*-у^]/^у^), (6)
В блоке 8 вычисляется мгновенное значение индуктивности, приведенное к номинальной частоте для обмоток ВН и НН
Ь]=Ь]а(£/£), (7)
где £ - измеренное частотомером значение частоты; £ - номинальное значение частоты (£ном = 50 Гц).
В блоке 16 происходит анализ напряжения и тока на наличие гармоник. Данные о гармониках направляются в, например, фильтр для уточненной настройки его под реальные показатели сети.
В блоке 9 вычисляется среднее значение индуктивности за каждый период для обмоток ВН и НН
Ьа=Е (Ь^), (8)
где N - число интервалов разбиения начиная с единицы.
В блоке 10 производится сравнение значения Ьа за период со значением уставки из блока 21 и 11 для обмоток ВН и НН соответственно и вычисляется их отличие
АЬ=[(Ьа-Ьсі)/Ь0і]-100 %, (9)
где Ьа - среднее значение индуктивности за период; - значение уставки
индуктивности силового трансформатора для обмоток ВН и НН, опреде-
ляемое экспериментально на заводе-изготовителе оборудования.
Отклонение в пределах 2,5 % является нормальным. Отклонения в пределах 5 % показывает зарождение разрушающих процессов, но не требуется отключение его от сети и ремонта. Отклонения 6...15 % сигнализируют об опасности, подается сигнал оператору. Необходимо выполнить мероприятия по выводу трансформатора в ремонт без отключения ответственных потребителей от сети. Отклонения 25 % - аварийное отключение трансформатора от сети.
В случае возникновения начальных деформаций, а также в случае внутреннего виткового замыкания в обмотках трансформатора происходит развивающееся увеличение либо уменьшение значения АЬ от периода к периоду, что сопровождает необратимое разрушение обмоток силового трансформатора. При этом с блока 12 поступает сигнал на блок 14, который анализирует полученные данные и принимает решения, такие как о необходимости экстренного отключения от питающей сети, продолжении измерений, сигнализации, что начались разрушения и др. При этом на дисплей 15 выводится световая или текстовая информация, которая указывает о режиме работы и состоянии обмоток трансформатора. Так же блок 14 позволяет принимать данные с других диагностических систем, анализировать (при соответствующей настройке) и принимать более точные решения по диагностированию. В случае аварийной ситуации, с блока 14 подается сигнал на блок 13 защиты, где формируется сигнал на отключение выключателя, и отправляется на реле или независимый расцепитель. Монитор (блок 15) позволяет контролировать весь процесс мониторинга и диагностирования. При подключении к нему дополнительных модулей возможна передача данных на расстояние в центральный диспетчерский пункт или местным операторам. Блок 16, который анализирует качество сети, а именно наличие гармоник, позволяет выявить их и передать эту информацию на фильтр гармоник, что позволит повысить качество электроэнергии и срок службы оборудования.
Учет величины активного сопротивления силового трансформатора в блоке 5 и 18, а затем при вычислении индуктивности в блоке 7 позволяет увеличить точность измерения величины индуктивности трансформатора и повысить надежность работы устройства в целом.
393
Во время работы синхросигналы с блока 12 контроля отклонения индуктивности осуществляют синхронизацию измерения значений di/dt и ua с соответствующим шагом дискретизации.
Блок 19 позволяет задавать любые временные интервалы, уменьшая и увеличивая которые можно производить контроль через каждую минуту, через сутки и т.д.
Приведенное выше устройство позволит контролировать состояние обмоток силовых трансформаторов без отключения их (трансформаторов) от сети, а также осуществлять их защиту в случае возникновения деформаций обмоток или их повреждения, позволит отправлять информацию диспетчерам, т.е. осуществлять дистанционный контроль. Это повышает бесперебойность электроснабжения потребителей электрической энергии.
Устройство может быть использовано для оперативного контроля за состоянием обмоток силовых трансформаторов всех классов напряжений в процессе их эксплуатации без отключения их от сети. Результат, который может быть достигнут при использовании данного устройства, является своевременное обнаружение повреждения изоляции и предотвращение аварийных выходов из строя трансформаторного оборудования, а так же предотвратить упущенную выгоду потребителей электроэнергии.
Список литературы
1. Диагностика электрооборудования // Главный энергетик. 2004.
№ 1.
2. Львов Ю. М. Оценка информативности показателей контроля технического состояния изоляции трансформаторного оборудования // Электрические станции. 2002. № 12. С. 44 - 51.
K.A. Andreev
THE MOBILE DEVICE OF MONITORING AND DIAGNOSTICS OF POWER TRANSFORMER ON-LOADING
The new device of monitoring and diagnostics of a power transformer without disconnecting of a transformer from a network is described . Basic charts and formulas are explaining principle of action of device are described.
Key words: transformer, isolation, diagnostics, monitoring.
Получено 11.01.12
