СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПУСТИМЫХ ВЕЛИЧИНЫ И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕГРУЗКИ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
METHOD FOR DETERMINATION OF OVERLOAD VALUE AND DURATION FOR OIL-FILLED POWER 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.
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.
Известны технические решения, позволяющие снабжать оператора энергосистемы прогнозной информацией о допустимых в каждый момент времени уровнях перегрузки трансформатора и допустимом времени перегрузки в зависимости от ее величины, например патент US 6727821 "Apparatus and method for predicting an overload trip for an electrical power transformer" от 27.04.2004.
Устройство содержит датчик температуры окружающей среды, датчик тока нагрузки, подключенный к одной из обмоток контролируемого силового трансформатора, аналого-цифровой преобразователь, к которым подключены указанные датчики, и вычислительное устройство, к которому по цифровому интерфейсу подключен аналого-цифровой преобразователь. Вычислительное устройство имеет дискретные выходы для выдачи соответственно предупредительного и аварийного сигналов о недопустимой перегрузке контролируемого силового трансформатора. В качестве датчика температуры в устройстве может использоваться датчик температуры окружающей среды, либо датчик температуры в определенной точке объема масла в баке трансформатора.
По известным соотношениям, приведенным, например, в стандарте МЭК60067-7, устройство рассчитывает с использованием измеренных значений температуры окружающей среды и тока нагрузки температуру наиболее нагретой точки обмотки (ИНТ) и скорость ее изменения. В предположении, что скорости изменения температуры и расхода ресурса будут оставаться неизменными, устройство рассчитывает значение времени, через которое любой из этих параметров достигнет заданного пользователем предельного значения данного параметра.
Данный способ имеет недостаток: 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.
Наиболее близким техническим решением является способ определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования, реализованный устройством, содержащим 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 введены датчик температуры в верхних слоях трансформаторного масла, а также датчик влажности масла, в которое погружена активная часть трансформатора, и датчик 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 (патент РФ № 2453859, МПК G01R31/02, 27.02.2012).
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.
Согласно известному способу измеряют токи разных трансформаторных обмоток, измеряют температуру верхних слоев трансформаторного масла, залитого в бак трансформатора, измеряют влажность масла и температуру масла в точке измерения влажности масла, исходя из чего рассчитывают равновесное содержание влаги в бумажной изоляции трансформаторных обмоток и соответствующее этому содержанию значение предельно допустимой температуры наиболее нагретой точки трансформаторной обмотки, выдают предупредительный и аварийный сигналы.
Известный способ имеет ряд существенных недостатков.
Во-первых, для прогнозного расчета изменения во времени температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (ННТ) используют температуру окружающей среды, которая не точно характеризует процесс охлаждения трансформатора: не учитывает конкретные условия - ветер, дождь, снег, влажность воздуха, которые существенно влияют на процесс охлаждения.
Во-вторых, не учитывают конструктивные особенности конкретной модели трансформатора, которые существенно изменяют скорость охлаждения трансформатора.
Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности трансформаторного оборудования за счет более достоверного определения допустимых величин и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформатора.
Технический результат достигается тем, что в способе определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования, в котором измеряют токи разных трансформаторных обмоток, измеряют температуру верхних слоев трансформаторного масла, залитого в бак трансформатора, измеряют влажность масла и температуру масла в точке измерения влажности масла, исходя из чего рассчитывают равновесное содержание влаги в бумажной изоляции трансформаторных обмоток и соответствующее этому содержанию значение предельно допустимой температуры наиболее нагретой точки трансформаторной обмотки, выдают предупредительный и аварийный сигналы, согласно заявляемому изобретению
- дополнительно измеряют температуру наиболее нагретой верхней части бака трансформатора и температуру наиболее холодной нижней части бака трансформатора,
- на основе данных температур и измеренной температуры верхних слоев трансформаторного масла, залитого в бак трансформатора, рассчитывают тепловой поток, охлаждающий трансформатор,
- на основе теплового потока, охлаждающего трансформатор, и с учетом измеренных токов разных трансформаторных обмоток, которые нагревают трансформатор, рассчитывают зависимость температуры наиболее нагретой точки трансформаторной обмотки от времени,
- на основе данной зависимости и рассчитанного значения предельно допустимой температуры наиболее нагретой точки трансформаторной обмотки рассчитывают допустимое время перегрузки трансформаторного оборудования.
Таким образом, технический результат достигается за счет прямого измерения теплового потока, идущего от нагретой обмотки трансформатора в охлаждающую среду. Для этого, кроме измерения тока разных трансформаторных обмоток, измерения температуры верхних слоев трансформаторного масла, измерения влажности масла и температуры масла в указанном датчике влажности, дополнительно измеряют температуру наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора, температуру наиболее холодной нижней части бака трансформатора. На основе измеренных температур трансформатора рассчитывают тепловой поток, охлаждающий трансформатор, а также с учетом этого значения рассчитывают зависимости от времени температуры наиболее нагретой точки обмотки и соответственно остающееся допустимое время работы трансформаторного оборудования до достижения им предельно допустимой температуры, в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке трансформатора и прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования, на фиг. 2 условно изображен бак с трансформаторными обмотками и датчиками температуры, а на фиг.3 способ определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования представлен в виде диаграммы.
Цифрами на чертежах обозначены:
1а - датчик температуры наиболее нагретой верхней части бака трансформатора,
1b - датчик температуры наиболее холодной нижней части бака трансформатора,
1с - датчик температуры верхних слоев трансформаторного масла,
2а - датчик тока,
2b - датчик тока,
3 - аналого-цифровой преобразователь,
4а, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g - входы аналого-цифрового преобразователя,
5 - вычислительное устройство,
6 - первый цифровой интерфейс,
7 - дискретный выход для выдачи предупредительного сигнала,
8 - дискретный выход для выдачи аварийного сигнала,
9 - датчик влажности трансформаторного масла,
10 - датчик температуры для измерения температуры трансформаторного масла в датчике влажности,
11 - второй цифровой интерфейс,
12 - линия связи,
13 - терминал оператора,
14 - бак трансформатора,
15 - трансформаторное масло,
16 - трансформаторные обмотки,
17 - тепловой поток.
Способ определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования проводят следующим образом.
Измерения проводят различные датчики (фиг.1): датчик 1а температуры наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора, датчик 1b температуры наиболее холодной нижней части бака трансформатора, датчик 1с температуры верхних слоев масла, датчики 2а, 2b тока, подключенные к разным обмоткам контролируемого силового трансформатора, датчик 9 влажности масла, датчик 10 температуры для измерения температуры масла в датчике 9 влажности.
Аналого-цифровой преобразователь 3с входами 4a…4g, к которым соответственно подключены выходы указанных датчиков 1а, 1b, 1с температуры, датчиков 2а, 2b тока, датчика 9 влажности и датчика 10, преобразует аналоговые сигналы в цифровые сигналы.
Вычислительное устройство 5, к которому по первому цифровому интерфейсу 6 подключен аналого-цифровой преобразователь 3, производит все вычисления. Вычислительное устройство имеет дискретные выходы 7 и 8, на которые выдает соответственно предупредительный и аварийный сигналы о недопустимой перегрузке контролируемого силового трансформатора, и второй цифровой интерфейс 11, по которому передает через линию 12 связи на терминал 13 оператора информацию о допустимом времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке 14 трансформатора и прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток.
Для измерения теплового потока, идущего от нагретой обмотки трансформатора в охлаждающую среду, необходимо измерение температуры в двух точках трансформатора, которые расположены на пути теплового потока 17 от нагретой обмотки трансформатора в охлаждающую среду.
Бак 14 трансформатора (фиг.2) залит трансформаторным маслом 15. Внутри бака 14 расположены обмотки трансформатора 16.
От нагретой обмотки 16 тепловые потоки 17 идут к стенкам бака 14 и охлаждают обмотку 16. Датчик 1с температуры верхних слоев трансформаторного масла (измеренная температура Т1) и датчик 1а температуры наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора (измеренная температура Т2) расположены на тепловом потоке 17.
Соответственно тепловой поток Q1 (первый способ), который охлаждает обмотку 16, равен:
<mrow><mi>Q</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>χ</mi><mn>12</mn><mtext>                               (1)</mtext></mrow>
где: Т1 - показания датчика 1с температуры верхних слоев трансформаторного масла, Т2 - показания датчика 1а температуры наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора, χ12 - тепловая проводимость между датчиками 1а и 1с.
Нагретое обмоткой 16 трансформаторное масло 15, как любая нагретая жидкость, поднимается наверх, поэтому датчик 1а температуры наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора показывает большую температуру, чем датчик 1b температуры наиболее холодной нижней части бака трансформатора (измеренная температура Т3).
Соответственно тепловой поток Q2 (второй способ), который охлаждает обмотку 16, равен:
<mrow><mi>Q</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>χ</mi><mn>23</mn><mtext>                               (2)</mtext></mrow>
где: Т2 - показания датчика 1а температуры наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора, Т3 - показания датчика 1b температуры наиболее холодной нижней части бака трансформатора, χ23 - тепловая проводимость между датчиками 1а и 1b.
Тепловой поток Q, исходящий от нагретой обмотки 16, равен:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>41</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>χ</mi><mn>14</mn><mtext>                               (3)</mtext></mrow>
где: Т41 - температура обмотки 16, Т1 - показания датчика 1с температуры верхних слоев трансформаторного масла, χl4 - теплопроводность между точками измерения температуры Т1 и Т41. При этом тепловой поток Q равен измеренному значению теплового потока Q1, который охлаждает обмотку 16.
Из этого равенства (Q=Q1) для измеренного значения Q1 определяется Т41:
<mrow><mi>T</mi><mn>41</mn><mo>=</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>V</mi><mn>1</mn><mo>*</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> где V1</mtext><mo>=</mo><mtext>(</mtext><mi>χ</mi><mtext>12/</mtext><mi>χ</mi><mtext>14)              (4)</mtext></mrow>
Аналогично из равенства (Q=Q2) определяется Т42 по измеренным значениям Q2:
<mrow><mi>T</mi><mn>42</mn><mo>=</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>V</mi><mn>2</mn><mo>*</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> где V1</mtext><mo>=</mo><mtext>(</mtext><mi>χ</mi><mtext>23/</mtext><mi>χ</mi><mtext>24)              (5)</mtext></mrow>
Температура Т5 наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (ННТ) определяется как наибольшая из температур Т41 и Т42:
<mrow><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mi>max</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>41,</mn><mi>T</mi><mn>42</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                       (6)</mtext></mrow>
2
Разность (P-Q) определяет нагрев или охлаждение трансформатора, где: Р - полная мощность P=∑(Ri*Ii), которую выделяют токи И, проходящие по обмоткам трансформатора 16, Ri - сопротивления потерь обмоток трансформатора 16. В стационарном состоянии (когда температуры постоянны) (P-Q)=0 (мощность нагрева равна тепловому потоку охлаждения), и таким образом определяется χ12 (для первого способа измерения теплового потока охлаждения):
<mrow><mi>χ</mi><mn>12</mn><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                      (7)</mtext></mrow>
Аналогично для второго способа измерения в стационарном состоянии определяется χ23:
<mrow><mi>χ</mi><mn>23</mn><mo>=</mo><mi>P</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                      (8)</mtext></mrow>
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 - подсчета максимального значения T5max.
При (P-Q)>0 происходит увеличение температуры трансформатора, и за интервал времени dt температура Т5 увеличится на dT5:
<mrow><mi>d</mi><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>Q</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>/</mo><mi>C</mi><mtext>                                 (9)</mtext></mrow>
где: С - теплоемкость трансформатора. В линейном приближении определим время tmax, за которое температура Т5 увеличится до максимального значения T5max:
<mrow><mi>t</mi><mi>max</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>T</mi><mn>5</mn><mi>max</mi><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>*</mo><mi>C</mi><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>Q</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                   (10)</mtext></mrow>
При этом оценка по формуле (10) - это нижняя граница для tmax, поскольку скорость роста температуры Т5 по мере роста температуры трансформатора будет замедляться. На фиг.3 способ определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования представлен в виде диаграммы.
Из международного стандарта IEC 60354:1991(Е) можно произвести численные оценки. При температуре охлаждающей среды Θа=20°С, превышение температуры масла в нижней части обмотки ΔΘbr=33°С, превышение температуры масла на выходе из обмотки ΔΘor=55°С, градиент температуры наиболее нагретой точки Hqr=23°C. Допустим, что температура бака трансформатора примерно равна температуре масла в соответствующей точке. Тогда при коэффициенте нагрузки (отношении тока трансформатора I к номинальному току) К=1 соответственно получим: температура наиболее холодной нижней части бака трансформатора Т3=Θа+ΔΘbr=53°С, температура наиболее нагретой области верхней части бака трансформатора Т2=Θа+ΔΘor=75°С, температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (ННТ) T5=Θa+ΔΘor+Hqr=98°C. Соответственно (T2-T3)=22°C, (Т5-Т2)=23°С, и отношение V2=(χ23/χ24)≈1.
Отсюда видно, что уравнение (5) достаточно хорошо подходит для измерения температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора Т5: при V2=1 (5) упрощается:
<mrow><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>3</mn><mtext>                  (10)</mtext></mrow>
Если для оценки температуры масла на выходе из обмотки (Θа+ΔΘor) использовать показания датчика температуры верхних слоев трансформаторного масла Т1, а для оценки градиента температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора использовать разность (Т2-Т3) (с учетом того, что V2=(χ23/χ24)≈1), тогда выражение (5) можно записать как:
<mrow><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>T</mi><mn>3</mn><mtext>                  (11)</mtext></mrow>
Таким образом, в предлагаемом способе определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформаторного оборудования непосредственно измеряют поток тепла, идущий от нагретой обмотки трансформатора в охлаждающую среду, и рассчитывают допустимое время перегрузки трансформаторного оборудования.
Использование предлагаемого способа позволит повысить эксплуатационную надежность трансформаторного оборудования за счет более достоверного определения допустимых величин и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформатора благодаря прямому измерению теплового потока, идущего от нагретой обмотки трансформатора в охлаждающую среду.