УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПУСТИМЫХ ВЕЛИЧИНЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕГРУЗКИ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
DEVICE FOR DETERMINING ALLOWABLE VALUES AND OVERLOAD TIME FOR POWER OIL-FILLED TRANSFORMER EQUIPMENT

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к автоматизированным системам управления и диагностики трансформаторного оборудования электрических подстанций.
Силовые трансформаторы и автотрансформаторы с масляно-воздушным или масляно-водяным охлаждением являются одним из самых дорогостоящих видов электротехнического оборудования электрических подстанций. В таких трансформаторах активная часть (магнитопровод и обмотки, имеющие целлюлозно-бумажную изоляцию) погружена в изолирующую жидкость - трансформаторное масло. В результате естественной конвекции или принудительной циркуляции масло проходит через охлаждающие каналы в обмотках и магнитопроводе трансформатора, обеспечивая отвод тепла, выделяемого потерями в обмотках и магнитопроводе. Если в результате недостаточного отвода тепла температура целлюлозно-бумажной изоляции в течение длительного времени будет слишком высокой, происходят структурные изменения целлюлозы, снижается степень полимеризации бумаги, что может привести к механическому повреждению изоляции и ее электрическому пробою. Возникающие при этом короткие замыкания в обмотках приводят к катастрофическому повреждению трансформатора. Температура обмоток неравномерно распределена по их поверхности. Для безопасной работы трансформатора важно, чтобы допустимых значений не превышала температура в самом горячем месте обмотки (так называемая «наиболее нагретая точка», ННТ). Силовые трансформаторы проектируются таким образом, чтобы при электрической нагрузке, не превышающей номинальной мощности трансформатора, температура ННТ была ниже предельно допустимой. В то же время, условия эксплуатации энергосистем требуют в некоторых случаях передавать через трансформатор мощность, превышающую номинальное значение. Величина и длительность допустимой перегрузки определяется текущим (исходным) тепловым состоянием трансформатора, причем зависимость допустимого времени перегрузки от коэффициента перегрузки каждой обмотки, текущей температуры масла и температуры окружающей среды является достаточно сложной и нелинейной. При этом желательно, чтобы диспетчер энергосистемы при управлении перетоками мощности в системе, особенно в нештатных ситуациях, имел информацию о том, насколько и на какое время каждый трансформатор может быть перегружен без увеличения риска его повреждения или недопустимого снижения срока службы. Задачей настоящего изобретения является разработка автоматического устройства, которое снабжало бы оператора энергосистемы прогнозной информацией о допустимых в каждый момент времени уровнях перегрузки трансформатора и допустимом времени перегрузки в зависимости от ее величины. В случае нарушения допустимых по тепловому состоянию трансформатора условий такое устройство должно выдавать предупредительную или аварийную сигнализацию.
Известны технические решения, предназначенные для выполнения этой задачи, например:
1. Патент EP 1085534 B1, МПК H01F 27/12;
2. Патент US 4148086 C1, 361/37, МПК H01H 37/0, H02H 7/00;
3. Патент US 5225992 C1, 364/483, МПК H02H 7/00;
4. Патент US 6424266 C1, 340/588, МПК G08B 17/00;
5. Патент US 6727821 B2, C1, 340/588, МПК G08B 17/00;
6. Патент US 6906630 B2, C1, 340/646, МПК G08B 21/00.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту US 6727821 B2 (прототип).
Существо этого решения поясняется рисунком фиг.1, гда приведена блок-схема устройства-прототипа.
Устройство-прототип содержит датчик температуры окружающей среды 1, датчик тока нагрузки 2, подключенный к одной из обмоток контролируемого силового трансформатора, аналого-цифровой преобразователь 3 с входами 4a и 4b, к которым подключены указанные датчики 1 и 2, и вычислительное устройство 5, к которому по цифровому интерфейсу 6 подключен аналого-цифровой преобразователь 3. Вычислительное устройство имеет дискретные выходы 7 и 8 для выдачи соответственно предупредительного и аварийного сигналов о недопустимой перегрузке контролируемого силового трансформатора.
В качестве датчика температуры 1 в соответствии с формулой патента-прототипа может использоваться датчик температуры окружающей среды либо датчик температуры в определенной точке объема масла в баке трансформатора.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Через заданные интервалы времени Т вычислительное устройство 5 (ВУ) снимает с АЦП 3 показания датчика температуры 1 и датчика тока нагрузки 2. Интервалы времени Т задаются с помощью встроенного в ВУ таймера.
По известным соотношениям, приведенным, например, в стандарте МЭК 60067-7, ВУ рассчитывает с использованием измеренных значений температуры окружающей среды и тока нагрузки температуру наиболее нагретой точки обмотки (ННТ) и скорость ее изменения.
Далее ВУ рассчитывает скорость расхода ресурса изоляции трансформатора по соотношению
где
L - расход ресурса изоляции,
H
Θ - температура ННТ,
d/dt - оператор дифференцирования,
е - основание натуральных логарифмов.
Расход ресурса изоляции вычисляется по соотношению
H
В предположении, что скорости изменения температуры ННТ Θ и расхода ресурса L будут оставаться неизменными, ВУ рассчитывает значение времени, через которое любой из этих параметров достигнет заданного пользователем предельного значения данного параметра.
Если полученное значение времени лежит в пределах от 15 до 30 минут, ВУ выдает предупредительный сигнал на свой выход 7. Если указанное время окажется менее 15 минут, выдается аварийный сигнал на выход 8.
Данное устройство имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, для прогнозного расчета изменения во времени температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (ННТ) при заданном коэффициенте перегрузки, на основании которого определяется остающееся время до достижения предельно допустимого значения температуры ННТ, учета температуры только в одной точке недостаточно.
Так, в соответствии с рекомендациями стандарта МЭК 60067-7 температура ННТ определяется по ее превышению относительно температуры верхних слоев масла (ВСМ), для чего используются дифференциальные уравнения
Температура ВСМ рассчитывается при этом по уравнению
о
Здесь θ - температура верхних слоев масла;
a
θ - температура окружающей среды;
or
Δθ - превышение температуры верхних слоев масла над температурой окружающей среды при номинальной нагрузке трансформатора;
h
Δθ - превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой верхних слоев масла;
hr
h
Δθ - значение Δθ при номинальной нагрузке трансформатора;
K - коэффициент нагрузки трансформатора, равный отношению текущего значения нагрузки к его номинальному значению;
R - отношение нагрузочных потерь в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке к потерям холостого хода;
11
21
22
k, k, k - постоянные коэффициенты (параметры трансформатора);
0
τ - тепловая постоянная времени трансформатора по маслу,
w
τ - тепловая постоянная времени обмотки трансформатора;
x - показатель степени для определения зависимости превышения температуры верхних слоев масла над температурой окружающей среды при изменении коэффициента нагрузки К;
у - показатель степени для определения зависимости превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой верхних слоев масла при изменении коэффициента нагрузки K.
a.
or
0
o
Вообще говоря, уравнения (3)…(7) позволяют рассчитать температуры ВСМ и ННТ, зная температуру окружающей среды θ Однако при таком расчете значение температуры ВСМ к моменту начала перегрузки определяется со значительной погрешностью, поскольку значения параметров Δθ, τ и x существенно зависят от режима охлаждения трансформатора (количество включенных маслонасосов и вентиляторов обдува) и состояния системы охлаждения (см., например, [1]). Поэтому для расчета температуры ННТ в исходном длительном режиме желательно использовать не расчетные, а реально измеренные значения температуры ВСМ θ.
or
0
При перегрузке, как правило, включаются все рабочие маслонасосы и вентиляторы, при этом справедливы значения параметров Δθ, τ и x, даваемые изготовителем трансформатора, и дальнейший прогнозный расчет можно вести по уравнениям (3)…(7).
o
а
Таким образом, для правильного расчета во всех режимах температуры масла и, следовательно, температуры ННТ, необходимо использовать обе температуры θ и θ, для чего в устройстве должны быть как минимум два датчика температуры.
Во-вторых, допустимая температура обмоток существенным образом зависит от степени увлажнения бумажной изоляции [2], [3]. Дело в том, что изготовителями оборудования значения допустимых температур ННТ задаются для новых трансформаторов с высушенной изоляцией и не учитывают фактор содержания влаги в изоляции трансформаторов, находящихся в эксплуатации. С повышением содержания влаги в бумажной изоляции температуры, при которых в ней начинается интенсивное образование пузырьков водяного пара, снижаются. Например, при влажности бумаги 0.5% в трансформаторах с пленочной защитой температура образования пузырьков превышает 160°C, а при влажности бумаги 7% может снизиться до 80°C. Образовавшиеся пузырьки пара под действием возникающего давления стремятся выйти из толщи изоляции на поверхность и образуют цепочки в масляных промежутках между катушками. Появление таких цепочек приводит к снижению электрической прочности продольной изоляции обмоток. Чтобы не допустить начала этого опасного процесса, необходимо корректировать допустимые температуры ННТ.
В-третьих, для многообмоточных трансформаторов ограничения по тепловому режиму обмоток зависят от распределения нагрузки между обмотками, и в общем случае для прогнозирования допустимого уровня и времени перегрузки требуется знать величины токов всех обмоток, а не только одной из них, что заявлено в прототипе.
Наконец, в устройстве-прототипе оператору выдаются только предупредительный и аварийный дискретные сигналы в случаях, когда остающееся время допустимости перегрузки достигает первого (30 минут) или второго (15 минут) предельно допустимого значения при данном уровне перегрузки. В то же время для правильного планирования загрузки трансформаторов в энергосистеме оператору заранее нужна информация о том, на какое время можно будет перегрузить трансформатор при его текущем тепловом состоянии, в зависимости от требуемого уровня перегрузки.
Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности трансформаторного оборудования за счет более достоверного определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформатора.
Эта цель достигается за счет введения в состав устройства, содержащего датчик тока трансформаторной обмотки, датчик температуры окружающей среды, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), к входам которого подключены указанные датчики, и подключенное к нему вычислительное устройство с дискретными выходами для выдачи предупредительных и аварийных сигналов, дополнительно датчика температуры в верхних слоях трансформаторного масла, а также датчика влажности масла, в которое погружена активная часть трансформатора (см., например, [4], [5]), и датчика температуры масла внутри датчика влажности. При этом все датчики подключены к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, а подключенное к нему вычислительное устройство снабжено вторым, цифровым, интерфейсом для передачи оператору информации о допустимом времени перегрузки трансформатора в зависимости от требуемого уровня перегрузки и текущего теплового состояния трансформатора. Для трансформаторов с тремя и более обмотками предусмотрено введение двух или более датчиков тока разных обмоток, а также соответствующее уточнение алгоритма определения допустимого времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке трансформатора и прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток. Алгоритм учета содержания воды в бумажной изоляции обмоток в области ННТ основан на измерении относительной влажности залитого в трансформатор масла, расчете его абсолютной влажности, вычислении соответствующего равновесного содержания влаги в бумаге и введении поправочного коэффициента допустимой температуры ННТ.
Для пояснения существа предложения на фиг.2 приведена схема конкретной реализации устройства согласно изобретению.
Устройство содержит датчик температуры окружающей среды 1a, датчик температуры верхних слоев масла 1b, датчики тока 2a, 2b…, подключенные к разным обмоткам контролируемого силового трансформатора, датчик влажности масла 9, датчик температуры 10 для измерения температуры масла в датчике влажности 9, аналого-цифровой преобразователь 3 с входами 4a…4e, к которым подключены выходы указанных датчиков температуры, датчиков тока и датчика влажности, и вычислительное устройство 5, к которому по цифровому интерфейсу 6 подключен аналого-цифровой преобразователь 3. Вычислительное устройство имеет дискретные выходы 7 и 8 для выдачи соответственно предупредительного и аварийного сигналов о недопустимой перегрузке контролируемого силового трансформатора и второй цифровой интерфейс 11 для передачи через линию связи 12 на терминал оператора 13 информации о допустимом времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке трансформатора и прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через заданные интервалы времени Т вычислительное устройство 5 (ВУ) снимает с АЦП 3 показания датчиков температуры окружающей среды и верхних слоев масла 1a, 1b, датчиков тока обмоток 2, датчика влажности масла 9 и датчика температуры 10, измеряющего температуру масла в датчике влажности.
o
o1
о2.
o
o1
o
o2
Измеренное значение температуры ВСМ θ сравнивается с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями θ и θ Если значение θ превышает первый предельный уровень θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 7. Если значение θ превышает второй предельный уровень θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 8.
H
С использованием измеренных значений температуры ВСМ и коэффициентов нагрузки отдельных обмоток по соотношениям (3)…(6) рассчитываются текущие значения температуры наиболее нагретых точек всех обмоток Θ.
H1
H2
H
H1
H
H2
Полученные значения температур ННТ всех обмоток сравниваются с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями Θ и Θ. Если значение Θ превышает первый предельный уровень Θ выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 7. Если значение Θ превышает второй предельный уровень Θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 8.
и
и
По измеренным значениям относительной влажности масла w и температуре масла в измерителе влажности Θ определяется абсолютная влажность масла в баке трансформатора
а
где С(Θ) - предельная растворимость влаги в используемом масле при температуре Θ.
Далее определяется относительная влажность масла в зоне ННТ для всех контролируемых обмоток:
H
где Θ - температура ННТ.
отн
Для каждой из обмоток определяется предельное значение относительной влажности твердой изоляции W, например, по формулам, приведенным в [1-3]:
где
а коэффициенты a, b, c, d, f, g, h зависят от вида применяемой изоляции.
Текущее значение относительной влажности твердой изоляции определяется с учетом инерционности процесса, с постоянной времени (для бумажной изоляции)
Hмакс
Hмакс
По рассчитанному значению относительной влажности твердой изоляции рассчитывается критическая температура ННТ по условию образования пузырьков Θ. При влажности твердой изоляции в зоне ННТ 0.5% и менее она составляет 160°C, при влажности 7% и более - 80°C. Между этими двумя точками зависимость Θ от влажности кусочно-линейная.
H
Hмакс
Сравниваются рассчитанные значения температур ННТ всех обмоток Θ и полученные для них значения критических температур Θ.
Hмакс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает критическое значение Θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 7 и начинается отсчет первой выдержки времени Т1.
Hмакс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+10°C), начинается отсчет второй выдержки времени Т2.
Hмакс
макс
макс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+30°C) или время Т1 достигает заданного уровня Т1, например 30 минут, или время Т2 достигает заданного уровня Т2, например 10 минут, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 8.
i
Hмакс
Для каждого i-го значения из ряда значений коэффициента перегрузки K, например, в диапазоне от 100 до 200% с шагом 10%, осуществляется интегрирование уравнений (3)…(7) для самой горячей обмотки с использованием измеренного значения температуры окружающей среды (прогнозное моделирование теплового режима). В качестве начальных условий интегрирования используются измеренное значение температуры ВСМ и рассчитанные на данный момент значения температур ННТ всех обмоток. Результатом интегрирования является прогноз изменения во времени температуры ННТ обмоток. По соотношениям (8)…(12) рассчитываются значения критических температур ННТ по условию образования пузырьков Θ.
H
Hмакс.
По ходу интегрирования сравниваются рассчитанные значения температур ННТ всех обмоток Θ и полученные для них значения критических температур Θ
Hмакс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает критическое значение Θ, начинается отсчет первой выдержки модельного времени ТМ1.
Hмакс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+10°C), начинается отсчет второй выдержки модельного времени ТМ2.
Hмакс
макс,
макс
maxi
i
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+30°C) или время ТМ1 достигает заданного уровня Т1 или время ТМ2 достигает заданного уровня Т2, фиксируется момент расчетного остающегося времени допустимой перегрузки T и расчет для данного значения коэффициента перегрузки K прекращается.
maxi
i
Полученные значения Т вместе с соответствующими им значениями K заносятся в таблицу. По запросу, поступающему через последовательный интерфейс 10 с рабочего места оператора 12 по каналу связи 11, эта таблица передается на рабочее место 12 и отображается оператору.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мордкович А.Г., Туркот В.А., Филиппов А.А., Цфасман Г.М. Система управления, мониторинга и диагностики трансформаторного оборудования СУМТО. Электро, №6 / 2007, стр.23-28.
2. Аракелян В.Г. Практическая физико-химическая диагностика MHO в простейшей системе мониторинга. Электротехника, №12 / 2008, стр.29-41.
3. Аракелян В.Г. Диагностика состояния изоляции маслонаполненного оборудования по влагосодержанию масла. Электротехника, №3 / 2004, стр.2-13.
www.vaisala.com.
4. НМР228 Moisture and Temperature Transmitter for Oil - Transformer Oil Applications. Vaisala Product Catalog 2003-2004, p.38.
www.gesyprotec.com.
5. AQUAOIL™ 300 - Непрерывный мониторинг влажности трансформаторного масла. Техническая информация GE Syprotec Inc.,