СЧЕТЧИК ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТРАНСФОРМАТОРЕ
COUNTER FOR LOSSES OF ACTIVE POWER IN TRANSFORMER

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано в качестве счетчика потерь активной электрической энергии за час, сутки, месяц, годы в трансформаторах электрических станций и подстанций.
Известен счетчик потерь электрической энергии [SU №1656466 A1 МПК G01R 15.06.91, 11/60], содержащий счетчик ампер-квадрат часов, термочувствительный элемент, трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в цепь питания измеряемого объекта, первый вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом счетчика ампер-квадрат часов, а термочувствительный элемент выполнен в виде резистора, который находится в тепловом контакте с измеряемым объектом, а в счетчике ампер-квадрат часов введена дополнительная тормозная обмотка, первый вывод которой соединен с первым выводом трансформатора тока, а второй через резистор соединен с вторыми выводами счетчика ампер-квадрат часов и вторичной обмотки трансформатора тока, причем дополнительная тормозная обмотка включена противофазно с основной рабочей обмоткой.
Недостатком данного изобретения является необходимость включения трансформатора тока в цепь измеряемого объекта, что требует существенных дополнительных экономических затрат на реконструкцию силовых цепей.
Для проведения метрологической поверки и ремонта трансформатора тока его необходимо удалять из цепи измеряемого объекта, для чего требуется отключать потребителя от источника электрической энергии, что может быть недопустимо для определенных групп потребителей.
Использование в качестве первичного измерительного датчика трансформатор тока приводит к удорожанию счетчика потерь электрической энергии, особенно при использовании его в сетях высокого напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является счетчик потерь электроэнергии [RU №2380715 C1 МПК G01R 19/02 G01R 11/00 27.01.2010,], принятый за прототип.
Счетчик потерь электроэнергии содержит первый одновибратор, функциональный преобразователь, блок деления, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, индикатор, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом функционального преобразователя, информационный выход второго счетчика соединен с входом делителя блока деления, дополнительно в счетчик потерь электроэнергии введены перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, таймер, таймер-часы, второй одновибратор, накапливающий сумматор, датчик тока, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя, информационный вход накапливающего сумматора подключен к выходу функционального преобразователя, а выход соединен с объединенными входом индикатора и входом делимого блока деления, выход которого соединен с информационным входом перепрограммируемого запоминающего устройства, выход которого через приемопередатчик соединен с информационным входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя, таймер-часов и таймера, выход переполнения которого соединен с объединенными тактовым входом второго счетчика и входом запуска аналого-цифрового преобразователя, выход окончания цикла преобразования которого соединен с управляющим входом накапливающего сумматора, выход таймер-часов соединен с объединенными тактовым входом первого счетчика и инверсным входом первого одновибратора, выход которого соединен с объединенными входом управления записью перепрограммируемого запоминающего устройства и инверсным входом второго одновибратора, выход которого соединен с объединенными входами установки нуля накапливающего сумматора и второго счетчика, информационный выход первого счетчика соединен с адресным входом перепрограммируемого запоминающего устройства.
Недостаток прототипа заключается в том, что он не определяет электрическую энергию активных потерь в магнитопроводе и баке трансформатора, а также потери от несимметрии и несинусоидальности тока.
Для учета потерь по прототипу необходимо знать сопротивление объекта измерения, которое изменяется в зависимости от температуры нагрева и окружающей среды, в связи с этим уменьшается точность измерения потерь электрической энергии.
Для учета потерь в трехфазном трансформаторе необходимо установить три устройства (по одному на каждую фазу), что усложняет и удорожает применение известного устройства.
Датчики тока (в качестве которых обычно используются трансформаторы тока) непосредственно включаются в разрыв линии, что требует достаточно много места в распределительном устройстве, и существенных дополнительных экономических затрат на реконструкцию силовых цепей.
Задачей изобретения является создание счетчика потерь активной электроэнергии в трансформаторе, обеспечивающего измерение потерь активной электроэнергии в трансформаторе, выделяющихся в виде тепла, и снижение экономических затрат при производстве устройства за счет упрощения конструкции при измерении потерь в трехфазном трансформаторе.
Техническим результатом является повышение точности за счет измерения активных потерь электроэнергии в трансформаторе, выделяющихся в виде тепла, обеспечение бесперебойного электроснабжения потребителей электрической энергией при неисправности или метрологической поверке устройства.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе включает первый аналого-цифровой преобразователь, первый и второй одновибраторы, первый блок деления, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часов, счетчик, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, накапливающий сумматор, выход которого соединен с входом индикатора, причем генератор прямоугольных импульсов соединен с объединенными тактовыми входами таймера и таймер-часов, выход которого соединен с тактовым входом счетчика, выход которого соединен с входом управления записи перепрограммируемого запоминающего устройства, выход которого через приемопередатчик соединен с информационным входом компьютера, причем в счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе дополнительно введены первый и второй датчики температуры, второй аналого-цифровой преобразователь, первый, второй, третий и четвертый вычитатели, блок вычитания из единицы, третий и четвертый одновибраторы, первый и второй регистры памяти, первый, второй и третий умножители, второй и третий блоки деления, сумматор, блок задания параметров трансформатора, блок возведения в отрицательную степень основания натурального логарифма, выход которого подключен ко второму входу первого умножителя и входу блока вычитания из единицы, а вход соединен с выходом первого блока деления, к первому входу которого подключен цифровой выход таймера, а второй вход соединен с первым выходом блока задания параметров трансформатора, второй и третий выходы блока задания параметров трансформатора подключены соответственно к первому и второму входу сумматора, а четвертый выход блока задания параметров трансформатора соединен с первым входом четвертого вычитателя, выход которого соединен со вторым входом третьего блока деления, выход которого соединен со вторым входом второго умножителя, а первым входом третий блок деления соединен с выходом сумматора, причем выходы первого и второго датчиков температуры подключены соответственно к аналоговым входам первого и второго аналого-цифровых преобразователей, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу второго вычитателя и информационному входу первого регистра памяти, а вход запуска первого аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом переполнения таймера, который соединен с входом запуска второго аналого-цифрового преобразователя и входами первого, второго и третьего одновибраторов, причем выход последнего соединен со вторым входом накапливающего сумматора, третий вход которого подключен к выходу четвертого одновибратора, четвертый вход - к выходу таймер-часов, а первый вход - к выходу третьего умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя, а второй вход подключен к цифровому выходу таймера, причем выход второго аналого-цифрового преобразователя подключен ко вторым входам второго и четвертого вычитателей, а также к информационному входу второго регистра памяти, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя, выход которого подключен к первому входу первого умножителя, выход которого соединен со вторым входом третьего вычитателя, выход которого подключен к первому входу второго блока деления, выход которого подключен к первому входу второго умножителя, выход сигнала об окончании цикла преобразования второго аналого-цифрового преобразователя подключен к третьему входу третьего вычитателя, первый вход которого соединен с выходом второго вычитателя, выход первого регистра памяти соединен с первым входом первого вычитателя, выход накапливающего сумматора подключен к информационному входу перепрограммируемого запоминающего устройства, выход блока вычитания из единицы соединен со вторым входом второго блока деления, выходы первого и второго одновибраторов соединены соответственно с входами записи первого и второго регистров памяти, выход таймер-часов подключен к входу четвертого одновибратора.
На фиг. 1 представлена функциональная схема счетчика потерь активной электроэнергии в трансформаторе.
Счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе содержит первый аналого-цифровой преобразователь 1, первый 2 и второй 3 одновибраторы, первый блок деления 4, генератор прямоугольных импульсов 5, таймер 6, таймер-часов 7, счетчик 8, индикатор 9, перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) 10, приемопередатчик 11, компьютер 12, накапливающий сумматор 13, выход которого соединен с входом индикатора 9, причем генератор прямоугольных импульсов 5 соединен с объединенными тактовыми входами таймера 6 и таймер-часов 7, выход которого соединен с тактовым входом счетчика 8, выход которого соединен с входом управления записи перепрограммируемого запоминающего устройства 10, выход которого через приемопередатчик 11 соединен с информационным входом компьютера 12, причем дополнительно введены первый 14 и второй 15 датчики температуры, второй аналого-цифровой преобразователь 16, первый 17, второй 18, третий 19 и четвертый 20 вычитатели, блок вычитания из единицы 21, третий 22 и четвертый 23 одновибраторы, первый 24 и второй 25 регистры памяти, первый 26, второй 27 и третий 28 умножители, второй 29 и третий 30 блоки деления, сумматор 31, блок задания параметров трансформатора (БЗПТ) 32, блок возведения в отрицательную степень основания натурального логарифма 33, выход которого подключен ко второму входу первого умножителя 26 и входу блока вычитания из единицы 21, а вход соединен с выходом первого блока деления 4, к первому входу которого подключен цифровой выход таймера 6, а второй вход соединен с первым выходом блока задания параметров трансформатора 32, второй и третий выходы блока задания параметров трансформатора 32 подключены соответственно к первому и второму входу сумматора 31, а четвертый выход блока задания параметров трансформатора 32 соединен с первым входом четвертого вычитателя 20, выход которого соединен со вторым входом третьего блока деления 30, выход которого соединен со вторым входом второго умножителя 27, а первым входом третий блок деления 30 соединен с выходом сумматора 31, причем выходы первого 14 и второго 15 датчиков температуры подключены соответственно к аналоговым входам первого 1 и второго 16 аналого-цифровых преобразователей, выход первого аналого-цифрового преобразователя 1 подключен к первому входу второго вычитателя 18 и информационному входу первого регистра памяти 24, а вход запуска первого аналого-цифрового преобразователя 1 соединен с выходом переполнения таймера 6, который соединен с входом запуска второго аналого-цифрового преобразователя 16 и входами первого 2, второго 3 и третьего 22 одновибраторов, причем выход последнего соединен со вторым входом накапливающего сумматора 13, третий вход которого подключен к выходу четвертого одновибратора 23, четвертый вход - к выходу таймер-часов 7, а первый вход - к выходу третьего умножителя 28, первый вход которого соединен с выходом второго умножителя 27, а второй вход подключен к цифровому выходу таймера 6, причем выход второго аналого-цифрового преобразователя 16 подключен ко вторым входам второго 18 и четвертого 20 вычитателей, а также к информационному входу второго регистра памяти 25, выход которого соединен со вторым входом первого вычитателя 17, выход которого подключен к первому входу первого умножителя 26, выход которого соединен со вторым входом третьего вычитателя 19, выход которого подключен к первому входу второго блока деления 29, выход которого подключен к первому входу второго умножителя 27, выход сигнала об окончании цикла преобразования второго аналого-цифрового преобразователя 16 подключен к третьему входу третьего вычитателя 19, первый вход которого соединен с выходом второго вычитателя 18, выход первого регистра памяти 24 соединен с первым входом первого вычитателя 17, выход накапливающего сумматора 13 подключен к информационному входу перепрограммируемого запоминающего устройства 10, выход блока вычитания из единицы 21 соединен со вторым входом второго блока деления 29, выходы первого 2 и второго 3 одновибраторов соединены соответственно с входами записи первого 24 и второго 25 регистров памяти, выход таймер-часов 7 подключен к входу четвертого одновибратора 23.
Счетчик потерь активной электроэнергии работает следующим образом.
Информация о температуре трансформатора от первого датчика температуры 14 поступает на аналоговый вход первого аналого-цифрового преобразователя 1 (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий измеряемой температуре трансформатора, который затем поступает на вход первого регистра памяти 24, где происходит его запись, причем запись происходит по заднему фронту импульса, поступающего от таймера 6, формирующего временные интервалы измерения (dt) через первый одновибратор 2. Информация о температуре окружающей среды от второго датчика температуры 15 поступает на аналоговый вход второго аналого-цифрового преобразователя 16 (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий измеряемой температуре окружающей среды, который затем поступает на вход второго регистра памяти 25, где происходит его запись, причем запись происходит по заднему фронту импульса, поступающего от таймера 6, формирующего временные интервалы измерения (dt) через второй одновибратор 3. Запуск первого 1 и второго 16 АЦП производится сигналом с выхода таймера 6, соответствующим интервалу измерения, задаваемому генератором прямоугольных импульсов 5.
Коды, записываемые в первый 24 и второй 25 регистры памяти, соответствуют предыдущему интервалу времени измерения температуры трансформатора и окружающей среды, поэтому разность температур, вычисленная в первом вычитателе 17, соответствует предыдущему интервалу измерения, т.е. i-му шагу вычисления потерь активной электроэнергии в трансформаторе.
тр i
ср i
На вход первого вычитателя 17 поступает цифровой код соответственно с выхода первого 24 и второго 25 регистров памяти, на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий разности температур трансформатора и окружающей среды (Θ-Θ) при предыдущем интервале измерения.
тр i+1
ср i+1
На вход второго вычитателя 18 поступает цифровой код соответственно с выхода первого 1 и второго 16 АЦП, на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий разности температур трансформатора и окружающей среды (Θ-Θ) при текущем интервале измерения.
ХХ
КЗ
тр н
В БЗПТ 32 записываются и хранятся коды, соответствующие параметрам номинального режима трансформатора: постоянная тепловая времени нагрева (T); потери холостого хода (Р) и короткого замыкания (Р), установившаяся температура нагрева трансформатора в номинальном режиме (Θ).
ХХ
КЗ
ХХ
КЗ
Суммарные потери активной мощности трансформатора в номинальном режиме (Р+Р) вычисляются в сумматоре 31, на вход которого с выхода БЗПТ 32 поступают коды констант, соответствующие Р и Р.
На выходе первого блока деления 4 формируется код, соответствующий отношению интервала времени измерения (dt), формируемого в таймере 6, к постоянной тепловой времени нагрева трансформатора (Т), записанной в БЗПТ 32, т.е. код, соответствующий выражению dt/T.
Код, соответствующий отношению интервала времени измерения (dt), поступает на вход первого блока деления 4 с выхода таймера 6, а постоянная тепловая времени нагрева трансформатора (Т) поступает на вход первого блока деления 4 с выхода БЗПТ 32.
-dt/T
Для вычисления выражения e используется блок возведения в отрицательную степень основания натурального логарифма 33, на вход которого поступает код с выхода первого блока деления 4, соответствующий выражению dt/T.
тр i
ср i
тр i
ср i
-dt/T
-dt/T
Произведение (Θ-Θ)×e вычисляется в первом умножителе 26, на вход которого поступают коды с выходов первого вычитателя 17, соответствующие выражению (Θ-Θ), и блока возведения в отрицательную степень основания натурального логарифма 33, соответствующие выражению (e).
тр i+1
ср i+1
тр i
ср i
тр i
ср i
тр i+1
ср i+1
-dt/T
-dt/T
Разность (Θ-Θ)-(Θ-Θ)×e вычисляется в третьем вычитателе 19, на вход которого поступают коды с выходов первого умножителя 26, соответствующие выражению ((Θ-Θ)×e), и второго вычитателя 18, соответствующие выражению (Θ-Θ).
Вычисление разности в третьем вычитателе 19 происходит по сигналу от второго аналого-цифрового преобразователя 16 формируемого после окончания во втором аналого-цифровом преобразователе 16 цикла преобразования.
тр н
ср i+1
тр н
ср i+1
На вход четвертого вычитателя 20 поступают цифровые коды соответственно с выходов второго аналого-цифрового преобразователя 16, и БЗПТ 32, на выходе четвертого вычитателя 20 формируется цифровой код, соответствующий разности установившейся температуры нагрева трансформатора в номинальном режиме (Θ) и окружающей среды при текущем интервале измерения (Θ), т.е. код, соответствующий выражению (Θ-Θ).
-dt/T
-dt/T
Для вычисления выражения - e используется блок вычитания из единицы 21, на вход которого поступает код с выхода блока возведения в отрицательную степень основания натурального логарифма 33, соответствующий выражению (e).
тр i+1
ср i+1
тр i
ср i
-dt/T
-dt/T
На выходе второго блока деления 29 формируется код, соответствующий выражению  на его вход подаются коды с выходов третьего вычитателя 19, соответствующие выражению ((Θ-Θ)-(Θ-Θ)×e), и блока вычитания из единицы 21, соответствующие выражению (1-e).
ХХ
КЗ
тр н
ср i+1
ХХ
КЗ
тр н
ср i+1
Для вычисления выражения ((Р+Р)/(Θ-Θ)) используется третий блок деления 30, на вход которого поступает код с выхода сумматора 31, соответствующий выражению (Р+Р), и четвертого вычитателя 20, соответствующий выражению (Θ-Θ).
тр i+1
ср i+1
тр i
ср i
ХХ
КЗ
тр н
ср i+1
-dt/T
-dt/T
Расчет потерь активной мощности в трансформаторе (ΔР) за интервал измерения проводится с помощью второго умножителя 27, на вход которого подается код с выхода второго блока деления 29, соответствующий выражению (((Θ-Θ)-(Θ-Θ)×e)/(1-e)), и с выхода третьего блока деления 30, соответствующий выражению ((Р+Р)/(Θ-Θ)), на выходе второго умножителя 27 формируется код, соответствующий выражению:
Потери активной электроэнергии в трансформаторе (ΔW) вычисляются в третьем умножителе 28, на вход которого подается код с выхода второго умножителя 27, соответствующий ΔР, и код, соответсвующий интервалу времени измерения (dt), формируемый в таймере 6.
Запись значений потерь активной электроэнергии в трансформаторе (ΔW) через информационный вход накапливающего сумматора 13 осуществляется посредством передачи соответствующего кода от выхода третьего умножителя 28.
Запись значений потерь активной электроэнергии в трансформаторе (ΔW) в накапливающий сумматор 13 за интервал измерения dt осуществляется по заднему фронту импульса от таймера 6 через третий одновибратор 22 с инверсией.
Формирование кода суммарных потерь активной электроэнергии в трансформаторе за час на выходе накапливающего сумматора 13 осуществляется по сигналу, поступающему с входа таймер-часов 7. Сформированный код поступает на информационный вход ППЗУ 10 и записывается в ячейку памяти с адресом, формируемым счетчиком 8 и передаваемым на вход ППЗУ 10.
На счетный вход счетчика 8 поступают импульсы от таймер-часов 7, задаваемые генератором прямоугольных импульсов 5, что меняет его входной код, а следовательно, каждый час адрес ячейки, а также показания индикатора 9, данные на вход которого поступают с выхода накапливающего сумматора 13.
Сброс (обнуление) накапливающего сумматора 13 осуществляется по заднему фронту импульса, поступающего с выхода таймер-часов 7 через четвертый одновибратор 23 с инверсией.
Содержимое ППЗУ 10 за длительное время (час, день, месяц, год, несколько лет) передается в компьютер 12 приемопередатчиком 11. Полученные в ППЗУ 10 данные используются для учета потерь активной электроэнергии в трансформаторе.
Электрическая энергия, теряемая в трансформаторе в процессе преобразования переменного тока, выделяется в виде тепла в обмотках, магнитной системе и других частях трансформатора. При реальных нагрузках загрузка трансформатора изменяется, вследствие чего изменяется величина потерь активной электроэнергии. В связи с этим при определении потерь электроэнергии необходимо находить потерю мощности в трансформаторе на каждом i-ом промежутке времени dt. Решение дифференциального уравнения, описывающего закон сохранения энергии, следующее:
для таких интервалов имеет вид:
где ΔP - потери активной мощности в трансформаторе, выделяемые в виде тепла за dt;
с - удельная теплоемкость;
G - масса трансформатора;
dΘ - приращение температуры трансформатора;
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности;
S - площадь поверхности;
ΔΘ - разность между температурой трансформатора и температурой окружающей среды;
i
тр
i
ср i
тр i
ср i
Θ - температура трансформатора без учета температуры окружающей среды, равная разности температур трансформатора Θ, измеряемой с помощью первого датчика температуры 14, и окружающей среды Θ, измеряемой с помощью второго датчика температуры 15, и сохраняемых в первом 24 и втором 25 регистрах памяти (Θ-Θ);
i+1
тр i+1
ср i+1
тр i+1
ср i+1
Θ - температура трансформатора в конце интервала dt без учета температуры окружающей среды, равная разности температур трансформатора Θ, измеряемой с помощью первого датчика температуры 14, и окружающей среды Θ, измеряемой с помощью второго датчика температуры 15 (Θ-Θ);
Т - постоянная времени нагрева трансформатора, записываемая в БЗПТ 32;
∞н
тр н
ср i+1
тр н
ср i+1
Θ - установившаяся температура трансформатора без учета температуры окружающей среды, равная разности температур, установившейся в трансформаторе в номинальном режиме Θ, записываемой в БЗПТ 32, и окружающей среды Θ, измеряемой с помощью второго датчика температуры 15 (Θ-Θ).
∞н
Из выражения (1) можно определить Θ:
Одновременно:
Откуда:
ХХ
КЗ
где ΔР - потери активной мощности в трансформаторе в номинальном режиме, равные сумме номинальных потерь холостого хода (Р) и короткого замыкания (Р), записываемые в БЗПТ 32.
Величина α·S является неизменной для каждого элемента конструкции трансформатора.
На основании выражения (3) с учетом (2) и (4) во втором умножителе 27 вычисляются потери мощности за время dt:
Потери электрической энергии за время dt:
вычисляются в третьем умножителе 28.
Суммирование потерь за каждый интервал времени в накапливающем сумматоре 13 дает общие потери активной электроэнергии в трансформаторе за заданный интервал времени при любом графике нагрузки.
Таким образом, в предлагаемом устройстве (счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе) осуществляется определение потерь активной электрической энергии, теряемой в трансформаторе за интервалы времени, равные на два, три порядка меньше тепловой постоянной времени, и выделяемые в виде тепла, что позволяет решить поставленную задачу при использовании первого 14 и второго 15 датчиков температуры, которые измеряют температуру трансформатора и окружающей среды и параметров трансформатора, полученных в номинальном режиме его работы, необходимых для расчета.
Технический результат изобретения достигается за счет измерения температуры трансформатора, учитывающей все потери активной электроэнергии в трансформаторе, выделяемые в виде тепла, т.е. в магнитопроводе, обмотках, баке, от несимметрии и несинусоидальности токов; отказа от использования при расчете потерь конструктивных параметров конкретного трансформатора, которые не являются паспортными данными, т.е. сопротивления обмоток трансформатора, его массы, площади поверхности теплоотдачи, удельной теплоемкости, коэффициента теплоотдачи; измерения температуры трансформатора датчиком, погруженным в масло, которое обладает эквивалентной теплоемкостью и является интегральной величиной температуры всего трансформатора, т.е. магнитной системы и обмоток трех фаз трансформатора; отказа от применения в качестве первичных измерительных датчиков трансформаторов тока и замены их на датчики температуры, стоимость которых на порядок ниже стоимости датчиков тока, габариты малы и при их метрологической поверке не требуется отключать потребителей от источника электрической энергии.