УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОДНОФАЗНЫХ И ТРЕХФАЗНЫХ ДВУХОБМОТОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

Полезная модель относится к области электромеханики, а именно, к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для контроля технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов в рабочем режиме.
Известно устройство для оперативного контроля и защиты обмоток трансформаторов [Пат. РФ 71445, МПК G01R 31/02. Устройство для оперативного контроля и защиты обмоток трансформаторов / Е.И.Гольдштейн, А.В.Панкратов. - Заявлено 27.08.2007; опубл. 10.03.2008], выбранное в качестве прототипа, в котором к первичной обмотке трансформатора подключен измерительный преобразователь первичного напряжения, к вторичной обмотке трансформатора подключены измерительные преобразователи вторичного напряжения и вторичного тока. Каждый из измерительных преобразователей связан с последовательно соединенными коммутатором и аналого-цифровым преобразователем, к которому подключены блок приведения и блок вычисления разности, который соединен с блоком вычисления сопротивления и с блоком индуктивной составляющей напряжения, который соединен с блоком вычисления индуктивности, который связан с последовательно соединенными блоком усреднения и программатором контроля, соединенными с кнопочной клавиатурой. Блок приведения подключен к блоку вычисления разности, блоку вычисления сопротивления, блоку индуктивной составляющей напряжения и блоку дифференцирования, который соединен с блоком вычисления индуктивности. Блок вычисления сопротивления связан с блоком индуктивной составляющей напряжения и с программатором контроля.
Недостатки известного устройства:
- использование в данном устройстве блока приведения может привести к некорректной работе всего устройства в случае изменения действительного коэффициента трансформации контролируемого трансформатора, при этом данное устройство не позволяет определять точный коэффициент трансформации трансформатора в его рабочих режимах;
Задача предлагаемой полезной модели - создание устройства для контроля технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов в рабочем режиме, позволяющего оперативно получать информацию об изменении технического состояния трансформаторов, используя для этого только данные полученные на контролируемом трансформаторе с момента начала осуществления его контроля с помощью данного устройства.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство для контроля технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов в рабочем режиме, также как прототип, содержит регистратор электрических сигналов, подключенный через коммутатор к трансформаторам тока и напряжения схемы измерений двухобмоточного трансформатора (фиг.1).
В отличие от прототипа, выходы регистратора электрических сигналов соединены с входом блока расчета действующих значений тока, входами блока расчета действующих значений напряжений, входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями, входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током. Выходы блока расчета действующих значений тока соединены с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током и входом блока приведения тока. Выходы блока расчета действующих значений напряжений соединены с входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями, с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током и входом блока приведения тока. Один из входов блока приведения тока соединен с выходом устройства измерения частоты сети. Выходы блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током и блока приведения тока соединены с входами блока расчета активной составляющей тока и входами блока расчета реактивной составляющей тока. Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями соединен с входом блока расчета коэффициентов. Выходы блока расчета активной составляющей тока и блока расчета реактивной составляющей тока соединены с входами блока расчета коэффициентов и входами блока расчета контрольного угла. Выход блока расчета коэффициентов соединен с входом блока расчета контрольного угла. Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями и выход блока расчета контрольного угла соединены с входами блока расчета отклонений угла, выход которого соединен с устройством сбора и передачи данных.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет по трем различным нагрузочным режимам определить зависимость угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток от нагрузочного режима трансформатора для его текущего технического состояния. Тем самым обеспечивается возможность осуществления контроля технического состояния как однофазного, так и трехфазного двухобмоточного трансформатора по отклонению величины утла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, определяемого по массивам мгновенных значений напряжений для любого режима работы трансформатора, от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток. При этом нет необходимости располагать информацией о конструкции трансформатора и в частности его обмоточными данными.
На фиг.1 представлена схема измерений однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме.
На фиг.2 представлена аппаратная схема устройства для оперативного контроля технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов по углу сдвига фаз между первичным и вторичным напряжением в рабочем режиме.
Регистратор электрических сигналов 1 (РЭС) подключен через коммутатор к трансформаторам тока и напряжения схемы измерений двухобмоточного трансформатора (фиг.1). Выходы регистратора соединены с входом блока расчета действующих значений тока 2 (БРТ), входами блока расчета действующих значений напряжений 3 (БРН), входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н), входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т). Выходы блока расчета действующих значений тока 2 (БРТ) соединены с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и входом блока приведения тока 6 (БПТ). Выходы блока расчета действующих значений напряжений 3 (БРН) соединены с входами блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н), с входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и входом блока приведения тока 6 (БПТ). Один из входов блока приведения тока 6 (БПТ) соединен с выходом устройства измерения частоты сети (на фиг.2 не показано). Выходы блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и блока приведения тока 6 (БПТ) соединены с входами блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) и входами блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ). Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) соединен с входом блока расчета коэффициентов 9 (БРК). Выходы блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) и блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ) соединены с входами блока расчета коэффициентов 9 (БРК) и входами блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ). Выход блока расчета коэффициентов 9 (БРК) соединен с входом блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ). Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) и выход блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ) соединены с входами блока расчета отклонений угла 11 (БРОУ), выход которого соединен с устройством сбора и передачи данных (на фиг.2 не показан).
В качестве регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) может быть выбран цифровой регистратор электрических сигналов типа «Парма» или «Черный ящик». Блок расчета действующих значений тока 2 (БРТ), блок расчета действующих значений напряжений 3 (БРН), блок расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н), блок расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т), блок приведения тока 6 (БПТ), блок расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ), блок расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ), блок расчета коэффициентов 9 (БРК), блок расчета контрольного угла 10 (БРКУ), блок расчета отклонений угла 11 (БРОУ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии С51 производителя Atmel AT89S8253.
При работе трансформатора, когда его первичную обмотку подключают к источнику питания, а к вторичной обмотке подключают нагрузку, при помощи регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) в рабочем режиме для одних и тех же моментов времени регистрируют массивы мгновенных значений тока первичной обмотки и напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора с некоторой дискретностью по времени Δt, соответствующей числу отсчетов на периоде N.
С выхода регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) массив мгновенных значений тока первичной обмотки  поступает на вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и на вход блока расчета действующих значений тока 2 (БРТ) в котором по массиву мгновенных значений тока определяют действующее значение тока первичной обмотки
где N - число отсчетов мгновенных значений на периоде тока;
1
С выхода блока расчета действующих значений тока 2 (БРТ) данные о действующем значении тока первичной обмотки I поступают на вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и блока приведения тока 6 (БПТ).
С других выходов регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) массив мгновенных значений напряжения первичной обмотки  поступает на вход блока расчета действующих значений напряжений 3 (БРН), вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) и вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т), а массив мгновенных значений напряжения вторичной обмотки  поступает на вход блока расчета действующих значений напряжений 3 (БРН) и вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н).
В блоке расчета действующих значений напряжений 3 (БРН) по массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток ,  определяют:
-действующее значение напряжения первичной обмотки
где N - число отсчетов мгновенных значений на периоде напряжения;
- действующее значение напряжения вторичной обмотки
1
2
С выходов блока расчета действующих значений напряжений 3 (БРН) информация о действующем значении напряжения первичной обмотки U поступает на вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н), вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) и вход блока приведения тока 6 (БПТ), а действующее значение напряжения вторичной обмотки U поступает на вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н).
1
1
В блоке расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) по массивам мгновенных значений напряжения  и тока  первичной обмотки и действующим значениям напряжения U и тока I первичной обмотки определяют величину угла сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки трансформатора
С выхода блока расчета угла сдвига фаз между напряжением и током 5 (БРФн-т) значение угла сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки трансформатора  поступает на вход блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) и вход блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ).
1
2
В блоке расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) по массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток ,  и действующим значениям напряжений первичной и вторичной обмоток U, Uопределяют величину угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора
С выхода блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) значение угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора  поступает на соответствующий вход блока расчета коэффициентов 9 (БРК).
1
nom
nom
1
1
В блоке приведения тока 6 (БПТ) действующее значение тока первичной обмотки I приводят к номинальному напряжению первичной обмотки U и номинальной частоте сети f, по данным о действующем значении напряжения первичной обмотки U и значении частоты сети f, измеренной в период регистрации массивов мгновенных значений тока и напряжений  с помощью устройства измерения частоты
С выхода блока приведения тока 6 (БПТ) приведенное действующее значение тока первичной обмотки  поступает на вход блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) и вход блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ).
В блоке расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) по величине угла сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки трансформатора  и величине действующего значения приведенного тока первичной обмотки  определяют величину действующего значения активной составляющей приведенного тока первичной обмотки
С выхода блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) данные о величине действующего значения активной составляющей приведенного тока первичной обмотки  поступают на вход блока расчета коэффициентов 9 (БРК).
В блоке расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ) по величине угла сдвига фаз между напряжением и током первичной обмотки трансформатора  и величине приведенного действующего значения тока первичной обмотки  определяют величину действующего значения реактивной составляющей приведенного тока первичной обмотки
С выхода блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ) данные о величине действующего значения реактивной составляющей приведенного тока первичной обмотки  поступают на вход блока расчета коэффициентов 9 (БРК).
1
В блоке расчета коэффициентов 9 (БРК) по результатам расчетов для данного нагрузочного режима формируют пакет базовых данных об угле сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток , действующих значениях активной  и реактивной  составляющих приведенного тока первичной обмотки. Где индекс b - указывает на принадлежность величин первому пакету базовых данных.
Далее, повторяя выше приведенную последовательность действий, определяют угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток , действующие значения активной  и реактивной  составляющих приведенного тока первичной обмотки еще для двух режимов работы трансформатора с различной активно-индуктивной нагрузкой и, по результатам в блоке расчета коэффициентов 9 (БРК) формируют два пакета данных соответствующих этим режимам и включающих: данные об углах сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток ,  действующих значениях активной ,  и реактивной ,  составляющих приведенного тока первичной обмотки. Где индексы b2 и b3 - указывают на принадлежность величин соответственно к первому и третьему пакетам базовых данных.
По указанным базовым данным о трех различных нагрузочных режимах в блоке расчета коэффициентов 9 (БРК) определяют коэффициенты уравнения характеристической плоскости А, В, С:
С выхода блока расчета коэффициентов 9 (БРК) коэффициенты уравнения характеристической плоскости А, В, С поступают на вход блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ).
Затем по ранее указанной последовательности для любого нагрузочного режима определяют угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток  действующие значения активной  и реактивной  составляющих приведенного тока первичной обмотки.
Информация о действующем значении активной составляющей приведенного тока первичной обмотки  с выхода блока расчета активной составляющей тока 7 (БРАТ) и информация о действующем значении реактивной составляющей приведенного тока первичной обмотки  с выхода блока расчета реактивной составляющей тока 8 (БРРТ) поступают на вход блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ).
В блоке расчета контрольного угла 10 (БРКУ) по действующим значениям активной  и реактивной  составляющих приведенного тока первичной обмотки и коэффициентам уравнения характеристической плоскости А, В, С определяют величину контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, соответствующую текущему нагрузочному режиму трансформатора в его исходном техническом состоянии
С выхода блока расчета контрольного угла 10 (БРКУ) значение контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток поступает на вход блока расчета отклонений угла 11 (БРОУ).
На другой вход блока расчета отклонений угла 11 (БРОУ) с выхода блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями 4 (БРФн-н) поступает значение угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора .
В блоке расчета отклонений угла 11 (БРОУ) определяют отклонение величины угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток текущего режима от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток
В качестве окончательного результата на выходе блока расчета отклонений угла 11 (БРОУ) получают значение отклонения величины угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток текущего режима от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток Δ.
С выхода блока расчета отклонений угла 11 (БРОУ) значение отклонения величины угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток текущего режима от величины контрольного угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток Δ поступает на вход устройства сбора и передачи данных. В дальнейшем, принимая во внимание непосредственную связь угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток с сопротивлениями обмоток, оно может быть использовано для формирования сигнала об изменении технического состояния трансформатора при превышении значения отклонения допустимых пределов.
Возможность определения угла сдвига фаз между первичным и вторичным напряжением двухобмоточного трансформатора в его рабочих режимах в совокупности с возможностью определения величины отклонения этого угла от контрольной величины, позволяет оперативно осуществлять контроль технического состояния однофазных и трехфазных двухобмоточных трансформаторов в рабочих режимах.