Устройство для мониторинга силовых трансформаторов
DEVICE FOR MONITORING POWER TRANSFORMERS

Изобретение относится к области диагностирования электротехнических комплексов. Предназначено для определения дефектов изоляции высоковольтных трансформаторов по наличию частичных разрядов, регистрируемых акустическим методом. Для повышения достоверности определения дефектов, их развития во времени предложено использование имитатора дефектов. Выполнение измерений в различное время года (зима, весна, лето, осень), сопровождающиеся сезонными изменениями температуры, приводит к дополнительным погрешностям, связанным с изменением свойств трансформаторного масла.
Основная идея изобретения заключается в одновременных измерениях сигналов на высоковольтном трансформаторе и имитаторе дефектов. Если при изменении температуры значение опорного напряжения на имитаторе дефектов не изменяется, следовательно, дефект не развивается во времени, а увеличение амплитуды связано с изменениями свойств трансформаторного масла. Если при изменении параметров акустического сигнала наблюдается увеличение опорного напряжения на имитаторе дефектов при сезонном изменении температуры, то наблюдается развитие дефекта диагностируемого высоковольтного трансформатора.
Известно изобретение [1], относящееся к измерительной технике для диагностики состояния изоляции высоковольтного оборудования (в том числе трансформаторов). Сущность заключается в том, что на разные стороны наружной поверхности корпуса контролируемого объекта устанавливают не менее четырех измерительных датчиков частичных разрядов, подключенных к регистрирующей аппаратуре. Поочередно перемещают каждый из датчиков в пределах границ поверхности стороны корпуса, на которую он установлен, до получения на выходе датчика максимального сигнала.
Фиксируют датчик на поверхности корпуса в этом положении. Запоминают с помощью регистрирующей аппаратуры форму выходного сигнала датчика. После фиксации первого датчика, следующие датчики фиксируют при условии совпадения формы их выходных сигналов с формой выходного сигнала первого датчика. Измеряют время запаздывания принятых датчиками сигналов относительно первого принятого сигнала. По их величине определяют место локализации дефектного узла. По форме выходного сигнала датчика судят о виде разрядного явления.
Недостатком метода является возможный пропуск нарастающего дефекта при сезонном изменении температуры масла. В этом случае изменяется вязкость трансформаторного масла, и связанный с ней коэффициент затухания при распространении акустических волн. При этом изменяется форма и амплитуда регистрируемых сигналов, что может привести к ошибкам второго рода и пропуску дефекта.
Известно изобретение [2], которое относится к методам диагностики высоковольтного оборудования и может быть использовано на предприятиях, эксплуатирующих подобное оборудование. Заявленный способ диагностики силовых трансформаторов включает блок подготовки пробы масла, модуль хроматографического анализа, хроматограф, блок передачи данных хроматографии, блок цифровой обработки данных, общую шину, блок ввода данных, блок памяти, блок результатов диагностики. Также содержит модуль частичных разрядов, блок сбора данных, блок калибровки частичных разрядов, блок фильтрации частичных разрядов, блок передачи данных метода частичных разрядов, аналитический блок, базу данных нормативно-справочной информации. Блок подготовки пробы масла, хроматограф и блок передачи данных хроматографии объединены в модуль хроматографического анализа, а модуль диагностики методом частичных разрядов состоит из блока сбора данных, блока калибровки частичных разрядов, блока фильтрации частичных разрядов, блока передачи данных методом частичных разрядов.
Недостатком изобретения является режим калибровки, при котором трансформатор необходимо отключать от сети и от нагрузки. Не известен уровень сигнала для калибровки каналов регистрации частичных разрядов путем инжекции импульсов поочередно на каждый ввод трансформатора и одновременной фиксацией сигнала с каждого ввода в блоке сбора данных.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является устройство для мониторинга силовых трансформаторов [3], относящееся к электротехнике и предназначенное для мониторинга основных рабочих параметров и технического состояния силовых трансформаторов дуговых сталеплавильных печей в процессе их эксплуатации в режиме реального времени. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей и повышении надежности работы силового трансформатора путем осуществления комплексной работы по диагностическому контролю основных рабочих параметров трансформатора в режиме реального времени, оценки степени развития дефектов и уровня опасности возникновения аварийных ситуаций, локализации и идентификации неисправностей в изоляции трансформатора, а также оперативного информирования персонала об уровне отклонений от заданных допустимых пределов и степени опасности возникновения аварий. Задача решается тем, что устройство снабжено блоком контроля интенсивности частичных разрядов, блоком вибрационного контроля трансформатора и блоком цветовой визуализации уровней технического состояния трансформатора, а так же блоком регистрации других параметров, в том числе температуры окружающей среды, масла и обмоток трансформатора. Непрерывная регистрация уровня и распределения частичных разрядов в изоляции вводов, обмоток и магнитопровода позволяет определить места возникновения частичных разрядов и механизм разрушения изоляции. Задание уровней классификации технического состояния трансформатора и осуществление световой сигнализации оповещения обслуживающего персонала различными цветовыми сигналами позволяют повысить достоверность и оперативность информирования персонала о степени опасности отклонений параметров от заданных допустимых пределов.
Недостатком изобретения является отсутствие в математической модели влияния изменений температуры на изменение регистрируемых параметров частичных разрядов в блоке расчетных моделей. При этом изменение формы и амплитуды частичных разрядов могут быть вызваны сезонным изменением температуры, что может привести к неправильному диагнозу трансформатора.
Задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в повышении достоверности диагностирования дефектов и динамики их изменения методом регистрации частичных разрядов при сезонных изменениях температуры для высоковольтных трансформаторов, находящихся в эксплуатации на открытом воздухе вне производственных помещений.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в уменьшении вероятности определения ложных дефектов путем использования в процессе диагностирования имитатора дефектов, использования дифференциального метода измерений, совместной обработки параметров частичных разрядов, полученных на диагностируемом высоковольтном трансформаторе и имитаторе дефектов при одинаковой температуре трансформаторного масла на обоих объектах.
Поставленная задача решается тем, что устройство для мониторинга силовых трансформаторов содержит блок измерения температуры обмоток силового трансформатора (СТ); блок контроля интенсивности частичных разрядов; акустические измерительные преобразователи, блок расчетных моделей, блок визуализации контролируемых параметров трансформатора.
При этом на бак высоковольтного трансформатора устанавливаются акустические преобразователи, выходы которых соединены с входами блока контроля интенсивности частичных разрядов, выход блока контроля частичных разрядов подключен ко входу блока расчетных моделей (БРМ), к другому входу БРМ подключен выход блока измерения температуры обмоток ВТ. Выход блока расчетных моделей подключен ко входу блока визуализации контролируемых параметров трансформатора (БВКП).
Для компенсации температурных погрешностей, вызванных сезонными изменениями температуры, изменениями вязкости и коэффициента затухания при распространении акустических волн, и как следствие уменьшением амплитуды, частотных характеристик, формы сигнала, дополнительно введен блок имитатора дефектов, содержащий регулируемый блок питания постоянного тока, электронный коммутатор, генератор тактовых импульсов, повышающий трансформатор, маслонаполненный бак, электрический разрядник, блок контроля температуры имитатора дефектов, блок поддержания температуры в маслонаполненном баке.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена схема устройства для мониторинга силовых трансформаторов с применением имитатора дефектов;
- на фиг. 2 приведена Схема расположения электрического разрядника в маслонаполненном баке ИД;
- на фиг. 3 приведена схема расположения преобразователей акустических и электрического разрядника на верхней крышке маслонаполненного бака ИД.
Заявляемое устройство для мониторинга силовых трансформаторов с применением имитатора дефектов (фиг. 1) содержит силовой трансформатор (СТ) 1, блок имитатора дефектов (ИД) 2, состоящий из регулируемого блока питания постоянного тока (БП) 3, электронного коммутатора (ЭК) 4, генератора тактовых импульсов (ГТИ) 5, повышающего трансформатора (ИТ) 6; маслонаполненного бака (МБ) 7; электрического разрядника (ЭР) 11, блока контроля температуры имитатора дефектов 8; блок поддержания температуры в маслонаполненном баке 13, блок измерения температуры обмоток СТ 9; блок контроля интенсивности частичных разрядов (БКЧР) 10; акустические измерительные преобразователи 12, блок расчетных моделей (БРМ) 14, блок визуализации контролируемых параметров трансформатора (БВКП) 15.
При этом на бак силового трансформатора 1 устанавливаются акустические преобразователи 12, выходы которых соединены со входами блока контроля интенсивности частичных разрядов 10, на другой вход БКЧР 10 подключаются выходы акустических преобразователей 12, установленных на маслонаполненный бак 7 имитатора дефектов 2, выход блока контроля интенсивности частичных разрядов 10 подключен ко входу блока расчетных моделей 14, к двум другим входам БРМ 14 подключены выходы блока контроля температуры маслонаполненного бака 8 в составе имитатора дефектов 2 и блок измерения температуры обмоток СТ 9. Выход блока расчетных моделей 14 подключен ко входу блока визуализации контролируемых параметров трансформатора (БВКП) 15. Выход регулируемого блока питания постоянного тока 3, входящего в состав имитатора дефектов 2 подключен ко входу электронного коммутатора 4 к другому входу ЭК подключен выход генератора тактовых импульсов 5, выход ЭК подключен ко входу повышающего трансформатора 6, выход которого соединен со входом электрического разрядника 11, установленного на корпусе маслонаполненного бака 7 в составе ИД 2. Поддержание температуры масла в ИД равной температуре масла диагностируемого СТ осуществляется блоком поддержания температуры в маслонаполненном баке 13.
Устройство для мониторинга силовых трансформаторов (фиг. 1) работает следующим образом.
Все основные рабочие параметры силового трансформатора измеряют и контролируют с помощью блоков измерения первичных параметров.
Блок контроля интенсивности частичных разрядов (БКЧР) 10 обеспечивает акустический контроль и непрерывную фиксацию интенсивности частичных разрядов, а также амплитуду, фазу и пространственные координаты каждого импульса. С помощью встроенного программного обеспечения осуществляется обработка информации об интенсивности, амплитудах, фазах и пространственных координатах импульсов частичных разрядов, по результатам которой определяются участки с наибольшей разрядной активностью. Поскольку частичные разряды являются признаками деструктивных процессов в изоляции, это позволяет оперативно локализовать место возникновения неисправности в объемном пространстве бака трансформатора. Для совместного применения с имитатором дефектов БКЧР имеет два канала для подключения акустических датчиков, например как это реализовано в системе цифровой акустической диагностики СЦАД-16 [3].
Сказанное поясняется с помощью диаграммы локализации частичных разрядов, подробно описанной в работе [4]. На приведенной диаграмме локализации показаны центры участков с повышенной интенсивностью разрядных явлений. Анализ пространственного перемещения данных центров, а также динамики изменения разрядной активности позволяет выполнять оценку интенсивности развития деструктивных процессов в изоляции в реальном времени.
Блок расчетных моделей 14 по данным измерений в реальном масштабе времени на основе информации от первичных преобразователей [4], блока измерения температуры обмоток СТ 9 и блока контроля интенсивности частичных разрядов (БКЧР) 10 осуществляет вычисление срока службы силового трансформатора и скорости старения изоляции.
Блок визуализации контролируемых параметров 15 обеспечивает оператору возможность удобной работы с текущими, архивными и полученными расчетным путем значениями рабочих параметров в виде таблиц и/или графиков, что позволяет своевременно отследить возникновение предаварийной или аварийной ситуации и принять меры по предотвращению и/или устранению такой ситуации. Диагностическая информация сохраняется длительное время и позволяет делать выводы о развитии дефектов.
Имитатор дефектов 2 позволяет воспроизводить импульсы частичных разрядов (ЧР), аналогичные импульсам, зарегистрированным от дефектов диагностируемого силового трансформатора с различной амплитудой, фазой и частотой следования. При реализации дифференциального метода измерений на первом этапе регистрируют импульсы частичных разрядов на диагностируемом СТ 1 при помощи акустических датчиков 12, затем на втором этапе регистрируют частичные разряды, сформированные электрическим разрядником 11 установленным в маслонаполненном баке 7 в составе ИД. ЭР 11 установлен на крышке маслонаполненного бака 7 таким образом (фиг. 2), что разрядники 17 и 18 находятся в трансформаторном масле 19, а промежуток между ними Δп может регулироваться при помощи кронштейна 16. На регулируемом блоке питания постоянного тока (БП) 3 устанавливают напряжение, соответствующее порогу возникновения частичных разрядов. Это напряжение подается на электронный коммутатор 4, который управляется генератором тактовых импульсов 5 с частотой, соответствующей частоте следования ЧР на диагностируемом СТ 1. С выхода повышающего трансформатора 6 на электрический разрядник 11 поступают высоковольтные импульсы, вызывающие ЧР. При помощи регулирования опорного напряжения на БП добиваются одинаковой амплитуды ЧР, зарегистрированной на СТ и ИД, и запоминают это значение.
При сезонных изменениях температуры масло силовых трансформаторов, эксплуатируемых на открытом воздухе изменяет свои свойства. Изменяется вязкость масла [5], а следовательно изменяются коэффициенты фазы и затухания при распространении акустических волн [6], что в свою очередь влияет на параметры акустических импульсов, регистрируемых измерительной аппаратурой.
Как показано в работе [6], комплексное волновое число распространения акустической волны описывается выражением
При условии,  что соответствует малому затуханию звука на расстоянии порядка длины волны, комплексное волновое число определяется
Вещественная составляющая постоянной распространения,
представляет собой коэффициент фазы, позволяющий рассчитать изменение длины волны, а мнимая часть α - коэффициент затухания, который можно вычислить по формуле,
Здесь b - эффективный коэффициент вязкости:
k - волновое число
ω - круговая частота
- скорость распространения акустической волны в среде ;
b - эффективный коэффициент вязкости;
0
ρ - удельная плотность среды ;
ρ - плотность среды ;
α - коэффициент затухания ;
η - коэффициент сдвиговой (поперечной) вязкости [Па⋅с];
- коэффициент объемной вязкости [Па⋅с];
х - коэффициент теплопроводности [Вт/(мК)];
ν
c - удельная теплоемкость газа при постоянном объеме [Дж/(кг⋅К)];
р
с - удельная теплоемкость газа при постоянном давлении [Дж/(кг⋅К)].
Основной причиной затухания акустических волн является сила вязкого сопротивления между соседними частицами среды, обладающими различными скоростями, учитывается первым слагаемым в выражении (4).
В связи с выше изложенным, увеличение амплитуды импульсов вызванных частичными разрядами в СТ при сезонном изменении температуры можно ложно принять за нарастание дефекта. Применение имитатора дефектов позволяет избежать подобных ошибок. При выполнении измерений при одинаковых температурах масла ВТ и ИД, дополнительно регистрируют опорное напряжение на выходе БП 3 и опорную частоту ГТИ. 5. При условии равенства амплитуд зарегистрированных ЧР, если не происходит увеличения опорного напряжения, делают вывод, что дефект не увеличивается.
В таблице 1 приведен пример данных диагностирования при сезонных изменениях температуры от +20°С до -10°С. При диагностировании СТ с использованием имитатора дефектов регистрируется опорное напряжение БП. Во втором и третьем столбце наблюдается увеличение амплитуды ЧР при сезонном изменении температуры от 100 до 150 ед. АЦП, однако оба значения зарегистрированы при одинаковом значении Uоп=5,5 В, что позволяет считать, что энергия высоковольтных импульсов, вызывающих ЧР остается постоянной, следовательно увеличения дефектов не наблюдается, а повышение амплитуды связано с сезонным изменением температуры и изменением свойств трансформаторного масла.
Во втором и четвертом столбце так же наблюдается увеличение амплитуды ЧР при сезонном изменении температуры от 100 до 150 ед. АЦП, однако эти значения зарегистрированы при разных значении Uоп1=5,5 В и Uоп2=6,8 В, что позволяет считать, что энергия высоковольтных импульсов, вызывающих ЧР увеличивается, следовательно наблюдается увеличение дефекта изоляции СТ, и повышение амплитуды связано в первую очередь с увеличением дефекта и в меньшей степени с изменением свойств трансформаторного масла.
Список источников
1. Аксенов Ю.П., Прошлецов А.П. Способ определения места локализации и вида дефектов в активной части электрической машины, находящейся в рабочем режиме / Россия Патент 2370784 С1 МПК G01R 31/34. Опубликовано: 20.10.2009 Бюл. №29.
2. Гимадиев Р.А., Мухортов И.С, Ившин И.В., Билалов Ф.Ф., Валиуллин Р.Р., Шайдуков А.П., Бикчурин Р.Р. Способ диагностики силовых трансформаторов / Патент РФ 2638129 С2 МПК G01R 31/00 // Опубликовано: 11.12.2017 Бюл. №35.
3. Серьезнов, А.Н. Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций / Степанова Л.Н., Ивлиев В.В., Кабанов С.И., Бехер С.А., Власов К.В., Бобров А.Л., Караев А.Е. и др. Под ред. М.Б. Успенской: Новосибирск: Наука, 2011. 272 С.
4. Храмшин В.Р., Карандаев А.С., Храмшин Р.Р., Евдокимов С.А., Сарлыбаев А.А., Николаев А.А. Устройство для мониторинга силовых трансформаторов / Патент РФ 2615790 С1 МПК Н02Н 7/04 // Опубликовано: 11.04.2017, Бюл. №11.
5. ГОСТ 982-80. Масла трансформаторные. Технические условия. Издание официальное. М.: Стандартинформ. 2011. 7 с.
6. Теория волновых процессов. Акустические волны / И.П. Соловьянова, С.Н. Шабунин. Екатеринбург: Издательство УГТУ-УПИ, 2004. 142 с.