УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ УТЕЧКИ МАСЛА ИЗ ТРАНСФОРМАТОРА
DEVICE OF TRANSFORMER OIL LEAKAGE INDICATION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в масляных трансформаторах для индикации утечки масла из трансформатора.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для мониторинга масляного трансформатора, содержащее главный и дополнительный модули, датчик температуры верхних слоев масла, трансформаторы тока обмоток трансформатора, индикатор уровня масла в расширителе, выходы датчиков присоединены к соответствующим входам главного и дополнительных модулей, модули имеют аналоговые унифицированные и дискретные выходы для связи с компьютерной системой мониторинга (Цифровой термометр ЕРТ202, www.messko.de).
Данное устройство обеспечивает мониторинг температуры верхних слоев масла в баке трансформатора, тока обмоток трансформатора и уровня масла в расширителе, а также рассчитывает температуру наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, учитывает износ электрической изоляции.
Однако это устройство обладает такими недостатками, как высокая стоимость индикатора уровня масла, используемого в устройстве в качестве датчика уровня масла в расширителе (Индикатор уровня масла МТО-ТТ30, www.messko.de), а также отсутствие индикации утечки масла из трансформатора при уровне масла, превышающем минимальный.
Технической задачей изобретения является обеспечение индикации утечки масла из трансформатора при уровне масла, превышающем минимальный, а также снижение стоимости устройства за счет замены индикатора уровня датчиком давления масла в расширителе.
Техническая задача решается тем, что согласно изобретению устройство индикации утечки масла из трансформатора содержит датчик температуры, подключенный к вычислительному устройству. Кроме того, устройство снабжено датчиком давления, логическим устройством, первым и вторым компараторами. При этом выход датчика давления соединен с первыми входами логического устройства, вычислительного устройства, первого и второго компараторов. Выход датчика температуры соединен со вторыми входами логического устройства и вычислительного устройства. Третий вход логического устройства соединен с источником сигнала «заливка», первый выход логического устройства соединен с третьим входом вычислительного устройства. Второй выход логического устройства соединен с четвертым входом вычислительного устройства, третий выход логического устройства соединен с пятым входом вычислительного устройства. Первый выход вычислительного устройства соединен со вторым входом первого компаратора, второй выход вычислительного устройства соединен со вторым входом второго компаратора. Выходы первого и второго компараторов присоединены к системе сигнализации.
Для расширителя, выполненного в виде горизонтально расположенного цилиндра, вычислительное устройство определяет взаимосвязь между уровнем масла и омываемой маслом площадью круговой стенки расширителя, выполненного в виде горизонтально расположенного цилиндра, по известной формуле площади сегмента круга:
где r - радиус круга боковой стенки расширителя,
α=2arc cos((r-h)/r)[рад] - угол между радиусами, соединяющими концы хорды сегмента с центром круга;
h - высота сегмента, заполненного маслом.
Уровень h жидкости и давление Р связаны соотношением
Р=hρg=h(880*9.8);
3
-ρ - плотность масла 880 кг/м;
2
-g - 9.8 м/сек,
-Р - давление.
макс
Максимальное давление масла в расширителе Р=2rρg,
Относительное значение давления в расширителе
макс
p=Р/Р=hρg/2rρg=h/2r, т.е. давление масла пропорционально уровню масла.
Перед началом заливки масла в трансформатор на логическое устройство подают сигнал «заливка», при этом логическое устройство подает на второй вход вычислительного устройства сигнал «заливка». Вычислительное устройство принимает сигнал о температуре масла в баке трансформатора и определяет давление, до величины которого должно быть залито масло. Этот сигнал поступает на второй вход первого компаратора. Компаратор выдает сигнал об окончании заливки масла при условии, что измеренное давление масла на первом входе равно или выше величины давления, определенного вычислительным устройством. После окончания заливки, когда давление в расширителе остается неизменным, логическое устройство блокирует сигнал «заливка» на третьем входе вычислительного устройства и подает сигнал «запись» на четвертый вход вычислительного устройства.
зр
зал
р
раб
Вычислительное устройство записывает реальное давление р залитого в расширитель масла и температуру Т этого масла. Вычислительное устройство повторяет запись давления р и температуры Т масла после нагрева трансформатора в рабочем процессе.
зр
р
paб
зал
Используя взаимную зависимость давления и площади сегмента (формула 1), вычислительное устройство по величинам измеренного давления р залитого и р нагретого масла определяет соответствующие величины площадей S и S сегментов боковой стенки, омываемых маслом.
Затем вычислительное устройство определяет коэффициент
раб
зал
где (S-S) - площади боковой стенки расширителя, омываемые маслом при давлении масла в рабочем режиме и после заливки,
раб
зал
(Т-Т) - температура масла в рабочем режиме и после заливки. Затем вычислительное устройство по формуле
мин
макс
мин
макс
мин
макс
мин
макс
мин
макс
мин
макс
где Т - текущая температура масла, определяет площади сегментов s и s боковой поверхности расширителя, соответствующие минимальной Т и максимальной Т температуре масла в зависимости от климатического исполнения трансформатора. Величины площадей S и S сегментов пропорциональны соответствующим значениям температуры, поэтому величины площадей можно заменить величинами температуры Т и Т. Величинам Sи S соответствуют величины минимального Р и максимального Р давления в расширителе.
мин
макс
макс
мин
Интервал между минимальной Т и максимальной Т температурой вычислительное устройство делит на разность (Т-Т), создавая температурную шкалу. Таким образом получилась зависимость давления масла в расширителе от температуры масла в баке для реального трансформатора.
р
После формирования зависимости давления от температуры логическое устройство блокирует сигнал «запись» и подает на пятый вход вычислительного устройства сигнал «расчет». При этом вычислительное устройство по температуре Т масла в баке определяет расчетное значение площади s, омываемой маслом (формула 3), а затем по взаимосвязи давления р и площади s (формула 1) определяет давление масла. При этой же температуре Т датчик давления измеряет давление р масла в расширителе.
р
Второй компаратор выдает сигнал «утечка», если рассчитанное вычислительным устройством давление р становится больше давления р, измеренного датчиком давления.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства индикации утечки масла из трансформатора; на фиг.2 изображена боковая стенка цилиндрического расширителя, выполненного в виде горизонтально расположенного цилиндра; на фиг.3 приведена зависимость давления масла в расширителе от температуры масла в баке.
Устройство индикации утечки масла из трансформатора состоит из датчика давления 1, датчика температуры 2, логического устройства 3, вычислительного устройства 4, первого компаратора 5, второго компаратора 6, источника сигнала «заливка» 7. Логическое устройство 3 имеет первый выход «заливка» 8, второй выход «запись» 9, третий выход «расчет» 10. Устройство снабжено системой сигнализации 11.
Выход датчика 1 давления соединен с первыми входами логического устройства 3, вычислительного устройства 4, первого компаратора 5 и второго компаратора 6. Выход датчика 2 температуры соединен со вторыми входами логического устройства 3 и вычислительного устройства 4. Третий вход логического устройства 3 соединен с источником сигнала «заливка» 7. Первый выход 8 логического устройства 3 соединен с третьим входом вычислительного устройства 4, второй выход 9 логического устройства соединен с четвертым входом вычислительного устройства 4, третий выход логического устройства 10 соединен с пятым входом вычислительного устройства 4.
3
р
Первый выход р вычислительного устройства соединен со вторым входом первого компаратора 5. Второй выход р вычислительного устройства 4 соединен ко вторым входом второго компаратора 6. Выход первого компаратора 5 предназначен для сигнала «конец заливки». Выход второго компаратора предназначен для сигнала «утечка».
Вычислительное устройство 4 определяет взаимосвязь уровня h масла в расширителе и площади S сегмента боковой стенки, омываемой маслом, которая выражается формулой (1).
Объем масла в трансформаторе изменяется в зависимости от температуры по известной формуле:
раб
зал
бак
pacш
V=V(1+βΔT)=(V+V)(1+βΔТ),
раб
р
где V - объем масла при рабочей температуре Т масла;
зал
з
V - объем залитого масла при температуре заливки Т;
бак
pacш
V и V - объем масла в баке и расширителе;
3
β=0,0007 м/°С - коэффициент объемного расширения трансформаторного масла;
Р
з
ΔТ=Т-Т,
р
где Т - рабочая температура масла;
з
Т - температура заливки масла.
Приращение объема при изменении температуры ΔT:
раб
зал
бак
расш
бак
расш
зал
ΔV=V-V=(V+V)(1+βΔТ)-(V+V)=V βΔT,
т.е. приращение объема масла в расширителе зависит от объема залитого масла и пропорционально приращению температуры.
Приращению объема масла в расширителе соответствует приращение площади круговой стенки расширителя ΔS при неизменной длине расширителя L:
зал
ΔV=ΔSL=VβΔТ.
Отношение
зал
ΔS/ΔT=(VβΔT)/L=М
зал
постоянно для данного объема V заливки и зависит от температуры T масла в баке.
Приращение площади боковой поверхности, омытой маслом, пропорционально приращению температуры:
ΔS=М*ΔТ.
Коэффициент М определяют по двум значениям температуры масла и двум значениям площади боковой стенки расширителя, омываемой маслом, в конце заливки и в рабочем режиме:
p
зaл
p
зал
М=(S-S)/(T-Т).
Коэффициент М позволяет рассчитать площадь s сегмента, омываемого маслом, по значению текущей температуры Т масла в баке:
зал
зал
s=М(Т-Т)+S.
На фиг.3 показана зависимость давления масла от температуры масла при использовании полного объема расширителя для трансформаторов климатических исполнений УХЛ1, У1 и Т1 (три нижние оси температур). Давление и площадь сегмента даны в относительных единицах:
макс
2
- давление р=hρg/Р,=h/2r и площадь сегмента s=S/(πr).
Перед заливкой масла в трансформатор на вход 7 логического устройства 3 подают сигнал о начале заливки. По этому сигналу логическое устройство 3 формирует на своем первом выходе 8 сигнал «заливка», который активирует вычислительное устройство 4.
зал
зал
зал
Датчик температуры 2 верхних слоев масла формирует сигнал о температуре масла, который поступает на первый вход вычислительного устройства 4. По температуре Т заливаемого масла (Фиг.3, третья ось снизу) вычислительное устройство 4 определяет давление р заливки масла в расширителе. Этот сигнал поступает на второй вход первого компаратора 5. Первый компаратор 5 формирует сигнал об окончании заливки при условии, что сигнал р с датчика давления 1 становится равным или большим сигнала давления р, определенного вычислительным устройством 4.
зр
зал
р
р
р
р
зр
раб
зал
paб
зал
р
зал
После окончания заливки, когда уровень и давление масла в расширителе становятся неизменными, логическое устройство 3 блокирует сигнал на первом выходе «заливка» 8 и формирует на втором выходе сигнал «запись» 9. Вычислительное устройство 4 фиксирует реальное давление р и температуру Тзалитого масла. Затем в процессе работы трансформатора, когда температура масла Т в баке увеличивается на заданную величину (10-50°С), вычислительное устройство фиксирует второе значение давления р масла и соответствующую ему температуру Т масла в баке. По величинам зафиксированных давлений р и р вычислительное устройство 4, используя взаимосвязь давления и площади сегмента (по формуле 1), определяет величины площадей S и S боковой стенки, омываемых маслом (Фиг.3), затем по величинам (S-S) и (Т-Т) определяет коэффициент М (по формуле 2).
мин
макс
мин
макс
мин
мин
мин
макс
макс
макс
макс
мин
макс
мин
Затем вычислительное устройство 4 (по формуле 3) определяет значения S и S для минимальной Т и максимальной температуры Т масла, величины которых соответствуют диапазону температуры в соответствии с климатическим исполнением трансформатора - Т1, УХЛ1 или У1. При этом минимальной площади s соответствует температура Т и давление Р, а площади s соответствует температура Т и давление Р. Вычислительное устройство 4 делит интервал между значениями температуры Т и Т на Т-Т градусов. Таким образом получилась зависимость давления в расширителе от температуры масла в баке во всем рабочем диапазоне реального трансформатора.
Полученная расчетная зависимость учитывает реальное количество масла в трансформаторе, которое, как правило, меньше количества, на которое рассчитан расширитель.
После формирования градусной шкалы логическое устройство 3 блокирует сигнал по второму выходу «запись» 9 и формирует на третьем выходе «расчет» 10 сигнал.
рч
Полученная взаимосвязь температуры и давления используется для расчета давления Р в расширителе по температуре Т масла в баке (Фиг.3, четвертая ось снизу).
рч
рч
ф
Второй компаратор 6 сравнивает расчетное давление Р масла с выхода вычислительного устройства 4 и фактическое давление Р с выхода датчика давления 1 и на его выходе возникает сигнал об утечке масла, если расчетное значение давления Р становится выше фактического давления Р.
На Фиг.3 изображен график взаимосвязи площади S боковой стенки расширителя, омываемой маслом, и уровня h (давления р) масла.
Три нижних оси температуры соответствуют температурным диапазонам климатических исполнений У1, УХЛ1 и Т1 трансформатора при полном использовании объема расширителя.
рч
Пример расчета взаимосвязи давления Р масла в расширителе и температуры масла в баке «реального» трансформатора выполнен для климатического исполнения трансформатора У1.
зал
Например, заливка начинается при температуре масла, равной 30°С, при этом давление масла в относительных единицах должно быть равно 0,523. Реальное давление после заливки равно 0,5645, при этом площадь боковой поверхности, омываемая маслом, равна S=0.5824.
p
После нагрева масла до температуры 75°С давление масла в расширителе повысилось до величины 0,7618, при этом площадь боковой поверхности, омываемая маслом, равна S=0.8199.
-3
Коэффициент М=(0.8199-0.584)/(75-30)=5,242*10.
мин
Площадь S, соответствующая минимальной температуре минус 45°С, равна
мин
S=М(-45-30)+0.5824=0,18923.
макс
Площадь S, соответствующая максимальной температуре 95°С, равна
макс
S=М(95-30)+0.5824=0,92313.
макс
мин
Шкала температур (Фиг.3, четвертая ось снизу) построена на отрезке между S и S в масштабе температуры масла в диапазоне от минус 45 до 95°С. Таким образом получена зависимость давления масла в расширителе от температуры масла в баке трансформатора, которая позволяет рассчитать давление масла при любой температуре масла.
Сигнал о наличии утечки возникает, если уровень масла, измеренный при текущей температуре масла, становится ниже уровня, рассчитанного при этой же температуре по приведенной методике.
Таким образом, введение в устройство датчика давления, логического устройства, вычислительного устройства и двух компараторов позволяет обеспечить мониторинг утечки масла из трансформатора.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано элементами микропроцессорной техники по приведенной структурной схеме известными средствами проектирования и программирования.
Снижение стоимости предлагаемого по изобретению устройства обеспечивается за счет замены дорого и сложного индикатора уровня масла более простым и менее дорогим датчиком давления.
Стоимость устройства ЕРТ 202 с дополнительными модулями, транспортными и таможенными расходами приблизительно равна 125000 руб.
Стоимость нового прибора ТМТ-2 с прилагаемыми датчиками оценивается приблизительно в 72000 рублей.