УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

Перьков Е.В.¹, Шаталов Н.А.²

¹Аспирант, Северо-Кавказский федеральный университет в г. Ставрополе, ²Преподаватель, Ставропольский колледж связи имени Героя Советского Союза В.А. Петрова

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

Аннотация

В настоящее время своевременная диагностика является необходимым условием надежной работы различных электроустановок. Так, для силовых трансформаторов большой мощности используемых, например, на трансформаторных подстанциях необходим контроль таких величин как сопротивление короткого замыкания (КЗ) и индуктивность рассеяния. Их контроль на протяжении всего срока службы позволяет выявлять возможные повреждения трансформатора после аварийных ситуаций, поскольку в момент КЗ защитное устройство отключает трансформатор не мгновенно и через его обмотки кратковременно протекают ударные токи, подвергающие большим механическим перегрузкам элементы трансформатора, что может повлечь за собой смещение или деформацию обмоток и сердечника.

Ключевые слова: силовой трансформатор, сопротивление короткого замыкания, диагностика и мониторинг, приборы учета

Perkov E.V.¹, Shatalov N.A.²

¹Post-graduate student, North-Caucasian Federal University in Stavropol, ²Teacher, Stavropol College of Communications of the Hero of the Soviet Union Vladimir Petrov

DEVICE FOR DIAGNOSTICS AND MONITORING OF POWER TRANSFORMERS IN THE WORKING MODE

Abstract

At present, timely diagnostics is a necessary condition for reliable operation of various electrical devices. Thus, it is necessary to control such quantities as short-circuit resistance (SCR) and leakage inductance for power transformers of high power, for example, in transformer substations. Their control over the whole lifetime allows detecting possible damage to the transformer after emergency situations, because at the time of short circuit protective devices do not instantaneously disconnect the transformer and its shock windings briefly flow shock currents subjecting the transformer elements to large mechanical overloads, which can lead to the displacement or deformation of windings and core.

Keywords: power transformer, short-circuit resistance, diagnostics and monitoring, metering device.

При возникновении КЗ на вторичной стороне силового трансформатора воздействующие на обмотку силы могут достигать 3,6 МПа и более. [2, С. 202] Их последствия отражается на токе ХХ, сопротивлении КЗ и индуктивности рассеяния, по которым можно судить о состоянии трансформатора без его разборки. Параметры сопротивления КЗ и индуктивности рассеивания не сложно измерить в отключенном от сети трансформаторе, что на практике и делают: измеряют на заводе изготовителе. Но для их замера требуется отключение трансформатора на длительное время от питающей сети и потребителей, что экономически не выгодно, а в ряде случаев недопустимо.

Предлагаемое устройство реализует аналитический алгоритм с использованием Г-образной схемы замещения трансформатора [3, С. 49], на основе которой производятся расчеты сопротивления КЗ и индуктивности рассеяния.

Для определения параметров Г-образной схемы замещения трансформатора (рис.1) в рабочем режиме необходимо производить измерения мгновенных  значений  первичного напряжения , вторичного напряжения , вторичного тока  в течении одного периода, а также температуру θ обмоток трансформатора (рис. 2) с помощью предлагаемого устройства.

Рис. 1 – Г-образная схема замещения трансформатора

 

Для измерений мы предлагаем устройство (рис. 2) и методику диагностики указанных выше параметров.

Рис. 2 – Схема подключения устройства измерения входных и выходных параметров, подводимых к трансформатору в рабочем режиме

  Мгновенные значения вторичных токов  и напряжений приводим к первичной стороне

где w₁, w₂  – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для мгновенных значений определяем разности приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток

Определяем мощности активных потерь в обмотках Действующее значение приведенного тока вторичной обмотки Вычисляем активное сопротивление обмоток

Приводим расчетное значение сопротивления КЗ к расчетной рабочей температуре обмотки в баке трансформатора (70-80⁰С)

где  a – температурный коэффициент материала обмотки (0,004041 и 0,004308 для меди и алюминия соответственно),  - текущая температура обмотки, К, T  – расчетная рабочая температура обмотки, К.

Используя дифференциальное уравнение RL-цепи с постоянными параметрами

где

Определяем индуктивную составляющую разности напряжений

Проводя численное дифференцирование массива мгновенных значений приведенного тока вторичной обмотки

определяем мгновенные значения индуктивности обмоток трансформатора

Исключая случайные погрешности рассчитываем среднее значение индуктивности за период

По изменению активного сопротивления обмоток можно судить о целостности электрических цепей и состоянии контактных соединений, а по изменению индуктивного сопротивления обмоток – о деформации обмоток силового трансформатора. Так, например, смещение или деформации обмоток вносит изменения в магнитную систему обмотка-сердечник, что непременно отражается на индуктивности, также как и смещение или частичная расшихтовка магнитопровода. Растяжение или обжим обмотки во время воздействия ударного тока скажется на ее активном сопротивлении, а следовательно и на сопротивлении КЗ. Ослабшие зажимы и болтовые соединения, находящиеся в контуре мониторинга прибора также увеличивают сопротивление.

Возможен и более точный метод диагностики на основе двух совмещенных устройствах на основе проборов учета электроэнергии подключаемых к первичной и вторичной обмоткам (рис. 3). Так P₁₂  выраждается в разницу активных энергий с обоих приборов.

где E₁ и E₂ – накопленная активная энергия, Вт·с за период времени Δt, с.

Индуктивность рассеивания рассчитывают по времени задержки перехода напряжения через «ноль» первичной обмотки относительно вторичной

где φ  - электрический угол сдвига напряжений

Затем вычисляем действующее напряжение на индуктивной составляющей

где U_н  и l₂  - действующие значения напряжения и тока нагрузки

Далее вычисляется индуктивность на основе ее реактивного сопротивления и частоты сети.

Где f – частота тока питающей сети

Основа предлагаемого устройства – микросхема Atmel ATM90E36 которая представляет собой шесть независимых 24 разрядных АЦП совмещенных с цифровым сигнальным процессором. Последний обрабатывает 8000 отчетов/сек от каждого из АЦП [4, С. 73].

На рисунке 3 представлена блок схема устройства:

Рис. 3 – Блок схема устройства

На схеме имеются следующие узлы:

• ДН – резистивные или емкостные делители напряжения. Используются взамен измерительных трансформаторов напряжения, что позволяет резко сократить расходы на их приобретение, обслуживание и поверку.
• МУ – масштабирующие усилители. Предназначены для приведение уровня сигнала к входным уровням измерительной микросхемы (ATM90E36) и выделением интересующей полосы с помощью ФНЧ.
• М_АЦП и DSP – мультиканальный АЦП и цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor), являющиеся частями специализированной трехфазной микросхемы-измерителя.
• МК – микроконтроллер, обрабатывающий сигналы с микросхемы-измерителя, а также обеспечивающий обработку многочисленных интерфейсов связи.
• ОИ – оптический интерфейс. Обеспечивает коммуникацию обоих блоков устройства и гальваническую развязку.
• ВВИПММ – высоковольтный источник питания маломощный. Преобразует высокое напряжение (10-35 кВ) первичной цепи силового трансформатора для питания компонентов схемы без необходимости применения дорогого трансформатора собственных нужд.
• ИП – источник питания. То-же, для второго блока устройства.
• ИС – интерфейсы связи. Включают в себя различные опции в виде беспроводных интерфейсов (433 МГц, 866 МГц, 2400 МГц), GSM/GPRS, Ethernet, RS232/485 и другие.

В качестве датчиков тока наиболее удобно использование разъемных конструкций, например, разъемный трансформатор тока. Это обеспечит быстрый монтаж устройства, также в случае если силовой трансформатор уже находится в эксплуатации, исключит необходимость в разрыве проводников, как по высокой, так и по низкой сторонам. Но наиболее выгодным решением является использование пояса Роговского, который аналогично трансформатору тока может быть выполнен разъемным. Помимо вышеперечисленного он имеет существенные преимущества перед трансформаторами тока – отсутствие резонансных явлений, малые габариты и вес, устойчивость к токам КЗ и простая масштабируемость.

Для устройства предполагается беспроводное подключение и онлайн мониторинг параметров включающих в себя помимо состояния обмоток еще и мощность, КПД, потребленную энергию (реактивную, активную, полную), напряжения первичной и вторичной линий, ток, частоту сети, а так же упрощенные данные по качеству электроэнергии. Дополнительно возможна запись переходных процессов.

Предложенные устройство и методика позволят значительно сократить издержки на обслуживание силового трансформатора, и возможно, на часть сопутствующего оборудования мониторинга, так как устройство совмещает в себе их функционал, пускай частично и упрощенно.

Список литературы / References

1. Ryder S. Frequency Response Analysis for Diagnostic Testing of Power Transformers // Electricity Today Mag. Article, Issue 0601, 2006
2. Силовые трансформаторы. Справочная книга / Под ред. С.Д. Лизунова, А.К. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004 – 616 с.
3. Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов. – Ставрополь : АГРУС СтГАУ, 2014. – 248 с.
4. Atmel M90E36A: Enhanced Poly-Phase High-Performance Wide-Span Energy Metering IC - Atmel Corporation, 2015 – 87 с.
5. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. – Введ. 01.07.86. - Министерство электротехнической промышленности, 1985. – 48 с.
6. ГОСТ 30830-2002. Трансформаторы силовые. Общие положения. – Введ. 01.01.2004. - Центр стандартизации и сертификации высоковольтного электрооборудования и силовых полупроводниковых приборов (ЦСВЭП), 2004. – 28 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Ryder S. Frequency Response Analysis for Diagnostic Testing of Power Transformers // Electricity Today Mag. Article, Issue 0601, 2006
2. Silovye transformatory. Spravochnaja kniga [Power transformers. Reference book] / Pod red. S.D. Lizunova, A.K. Lohanina. M.: Jenergoizdat, 2004 – 616 P.[in Russian]
3. Metody i tehnicheskie sredstva povyshenija jeffektivnosti ispol'zovanija jelektrooborudovanija v promyshlennosti i sel'skom hozjajstve: sbornik nauchnyh trudov. [Methods and technical means of increase in efficiency of use of electric equipment in the industry and agriculture: collection of scientific works] – Stavropol' : AGRUS StGAU, 2014. – 248 P. [in Russian]
4. Atmel M90E36A: Enhanced Poly-Phase High-Performance Wide-Span Energy Metering IC - Atmel Corporation, 2015 – 87 P.
5. GOST 11677-85. Transformatory silovye. Obshhie tehnicheskie uslovija [Power transformers. General specifications]– Vved. 01.07.86. - Ministerstvo jelektrotehnicheskoj promyshlennosti, 1985. – 48 P. [in Russian]
6. GOST 30830-2002. Transformatory silovye. Obshhie polozhenija [Power transformers. Part 1. General] – Vved. 01.01.2004. - Centr standartizacii i sertifikacii vysokovol'tnogo jelektrooborudovanija i silovyh poluprovodnikovyh priborov (CSVJeP), 2004. – 28 P. [in Russian]