Способ определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе и устройство для его реализации
METHOD OF DETERMINING LOSSES OF ACTIVE ELECTRICAL ENERGY IN TRANSFORMER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано для интегрального измерения потерь активной электрической энергии в трансформаторах электрических станций и подстанций.
Известен способ определения потерь по температуре обмоток трансформатора[Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. 4.1. Введение. Трансформаторы. Учебник для вузов. М., «Энергия», 1974, стр. 191-194]. Сущность способа заключается в том, что электрическая энергия, теряемая в трансформаторе в процессе преобразования переменного тока, выделяется в виде тепла в обмотках, сердечнике и других частях трансформатора.
Выделяемая в теле за элементарный промежуток времени dt тепловая энергия П⋅dt частично будет расходоваться на повышение температуры тела на dv и частично будет отводиться в окружающее пространство. В любой момент времени будет иметь место баланс тепловой энергии выражаемый дифференциальным уравнением
где С - полная теплоемкость тела;
- разность температур между данным телом и окружающей средой;
K - количество тепла, отводимого охлаждающей поверхностью в единицу времени при разности между температурой поверхности и температурой среды в 1°С.
Нагрев обмоток относительно масла при установившемся тепловом режиме можно принять пропорциональным потерям в обмотках.
Недостатком данного способа является то, что обмотки и магнитная система, изготовленные из разных материалов, заменяют однородным телом. Указанное допущение снижает точность определения потерь активной электрической энергии в трансформаторе.
Указанная в способе формула никак не связана с величиной нагрузки трансформатора, что также снижает точность определения потерь активной электрической энергии, т.к. от нагрузки напрямую зависят потери в обмотках трансформатора и как следствие количество выделяемого ими тепла.
Физические величины, являющиеся конструктивными параметрами трансформатора (масса и площадь поверхности трансформатора), не являются паспортными данными и сложны для определения на практике с высокой точностью.
Известен счетчик потерь электроэнергии [RU №2380715 С1 дата публикации 27.01.2010, МПК G01R 19/02 G01R 11/00], содержащий 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, отличающийся тем, что в него дополнительно 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.
Недостатком данного изобретения является то, что он определяет только энергию потерь в обмотках трансформатора, но потери также включают в себя потери в магнитопроводе, баке, а так же потери от несимметрии и несинусоидальности тока. Для учета потерь необходимо знать сопротивление объекта, на котором производятся 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 трехфазной сети 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) требуют достаточно много места в распределительном устройстве, поэтому их размещение в действующих электроустановках затруднено и существенно усложняет устройство.
Прототипом по способу является способ определения потерь в трансформаторе [RU №2563331 С1 дата публикации 20.09.2015, МПК G01R 35/02], заключающийся в измерении температуры трансформатора и температуры окружающей среды, через интервалы времени равные на два, три порядка меньше тепловой постоянной времени, вычислении приращения температуры трансформатора, определении разности между температурой трансформатора и окружающей средой и вычислении потерь активной электроэнергии в трансформаторе по формуле:
XX
где P - потери холостого хода;
Ркз - потери короткого замыкания;
Т - тепловая постоянная времени;
ΔΘ - разность между температурой трансформатора и температурой окружающей среды;
dΘ - приращение температуры трансформатора;
∞
Θ - установившаяся температура трансформатора;
dt - интервал времени измерения.
Недостатком данного способа, взятого за прототип, является то, что трансформатор рассматривается как однородное тело, имеющее некую среднюю тепловую постоянную времени, а также измеряемую и установившуюся температуры, что ведет к увеличению погрешности определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе по формуле указанной в прототипе, т.к. трансформатор состоит из двух нагретых поверхностей магнитной системы и обмоток, выполненных из различных материалов, каждая из которых обладает собственными указанными выше параметрами.
Формула указанная в прототипе справедлива для номинального режима работы трансформатора, при равномерном графике нагрузки, т.к. потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора приняты неизменными. В действительности при реальных нагрузках загрузка трансформатора изменяется, вследствие чего изменяется величина потерь и следовательно использование способа взятого за прототип приведет к увеличению погрешности определения потерь активной электроэнергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе [RU №2589498 С1 дата публикации 10.07.2016, МПК G01R 11/00], принятый за прототип.
Счетчик потерь активной электроэнергии в трансформаторе, содержит первый аналого-цифровой преобразователь, первый и второй одновибраторы, первый блок деления, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часов, счетчик, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ), 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 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 (БЗПТ), 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 ко входу четвертого одновибратора.
Недостаток прототипа заключается в том, что при использовании одного датчика температуры для измерения температуры трансформатора увеличивается погрешность определения активной электроэнергии, в следствие того, что магнитная система и обмотки имеют различную температуру зависящую от разных факторов. Количества тепла выделяемого магнитной системой зависит от потерь в ней, которые в свою очередь зависят от напряжения питания трансформатора. Количество тепла выделяемого обмотками зависит от потерь в них, которые в свою очередь зависят от величины протекающего по ним тока.
Для учета потерь трехфазного сухого трансформатора потребуется установить четыре указанных устройства (3 шт. на каждую из трех обмоток и 1 шт. на магнитную систему), т.к. их температура будет различна, особенно если учесть, что реальная нагрузка в действующих электрических сетях несимметричная. Установка дополнительных известных устройств приведет к усложнению системы измерения потерь активной электрической энергии трансформатора, и как следствие удорожанию.
Задачей изобретения является: повышение точности измерения потерь активной электрической энергии и снижение экономических затрат при изготовлении устройства реализующего способ за счет упрощения конструкции.
Технический результат изобретения заключается в раздельном измерении и учете температуры магнитной системы и обмоток трансформатора, а также окружающей среды и использовании при расчетах известных данных трансформатора.
Технический результат достигается способом определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе, заключающемся в измерении температуры трансформатора и окружающей среды, при этом задаются известные значения тепловых постоянных времени раздельно для магнитной системы и обмоток трансформатора, потери холостого хода и короткого замыкания трансформатора, установившиеся температуры магнитной системы и обмоток трансформатора, раздельно измеряют температуру магнитной системы и обмоток трансформатора, и через интервалы времени измерения равные на два, три порядка меньше тепловых постоянных времени, вычисляют приращение температуры магнитной системы и обмоток трансформатора, определяют разность между температурами магнитной системы трансформатора и окружающей средой, а также обмоток трансформатора и окружающей средой, и вычисляют потери активной электроэнергии в трансформаторе по формуле:
где ΔР - потери активной мощности в трансформаторе выделяемые в виде тепла за интервал времени измерения dt;
где ΔРхх - потери в магнитной системе трансформатора выделяемые в виде тепла за dt;
i+1
Θxx - температура магнитной системы трансформатора в конце интервала времени измерения dt;
i+1
Θcp - температура окружающей среды в конце интервала времени измерения dt;
i
Θxx - температура магнитной системы трансформатора в начале интервала времени измерения dt;
i
Θcp - температура окружающей среды в начале интервала времени измерения dt;
Txx - постоянная времени нагрева магнитной системы трансформатора;
ΔРхх.н - паспортные потери холостого хода трансформатора;
∞
Θxx - установившаяся температура магнитной системы трансформатора;
ΔРкзL1 - потери в обмотках фазы Ы трансформатора выделяемые в виде тепла за dt;
i+1
ΘкзL1 - температура обмоток фазы L1 трансформатора в конце интервала времени измерения dt;
i
ΘкзL1 - температура обмоток фазы Ы трансформатора в начале интервала времени измерения dt;
ТкзL1 - постоянная времени нагрева обмоток фазы L1 трансформатора;
ΔРкз.н - паспортные потери короткого замыкания трансформатора;
∞
ΘкзL1 - установившаяся температура обмоток фазы L1 трансформатора;
ΔРкзL2 - потери в обмотках фазы L2 трансформатора выделяемые в виде тепла за dt;
i+1
ΘкзL2 - температура обмоток фазы L2 трансформатора в конце интервала времени измерения dt;
i
ΘкзL2 - температура обмоток фазы L2 трансформатора в начале интервала времени измерения dt;
ТкзL2 - постоянная времени нагрева обмоток фазы L2 трансформатора;
∞
ΘкзL2 - установившаяся температура обмоток фазы L2 трансформатора;
ΔРкзL3 - потери в обмотках фазы L3 трансформатора выделяемые в виде тепла за dt;
i+1
ΘкзL3 - температура обмоток фазы L3 трансформатора в конце интервала времени измерения dt;
i
ΘкзL3 - температура обмоток фазы L3 трансформатора в начале интервала времени измерения dt;
ТкзL3 - постоянная времени нагрева обмоток фазы L3 трансформатора;
∞
ΘкзL3 - установившаяся температура обмоток фазы L3 трансформатора.
Способ реализован устройством определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе, содержащим генератор прямоугольных импульсов, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, первый, второй, третий, четвертый и пятый датчики температуры, микроконтроллер, регистр памяти, блок задания параметров трансформатора, причем выход приемопередатчика соединен с информационным входом компьютера, выходы первого - пятого датчиков температуры соединены в общую шину подключенную к цифровому входу порта А микроконтроллера, тактовый вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, выходы портов В, С, D микроконтроллера соединены соответственно: В - через регистр памяти с входом индикатора, С - с входом перепрограммируемого запоминающего устройства, D - с входом приемопередатчика.
На фиг. представлена функциональная схема заявленного устройства для реализации способа определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе.
Устройство реализующее способ определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе содержит первый датчик температуры (ДТ) 1, второй ДТ 2, третий ДТ 3, четвертый ДТ 4 и пятый ДТ 5, блок задания параметров трансформатора (БЗПТ) 6, генератор прямоугольных импульсов (ГНИ) 7, микроконтроллер (МК) 8, регистр 9, индикатор 10, перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) 11, приемопередатчик 12, компьютер 13, причем выходы первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4 и пятого 5 ДТ, соединены в общую шину подключенную к цифровому входу порта А МК 8, БЗПТ 6 также подключен к цифровому входу порта А МК 8, тактовый вход которого подключен к выходу ГПИ 7, выходы портов В, С и D МК 8 соединены соответственно: В -через регистр 9 с входом индикатора 10; С - с входом ППЗУ 11; D - с входом приемопередатчика 12, выход которого соединен с информационным входом компьютера 13.
Рассмотрим пример реализации способа определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе при помощи устройства для его реализации.
Электрическая энергия, теряемая в трансформаторе в процессе преобразования переменного тока, выделяется в виде тепла в его активной части (обмотках и магнитной системе). В действующих электрических сетях загрузка трансформатора и напряжение его питания все время изменяются, вследствие чего изменяется величина потерь активной электроэнергии как в обмотках, так и в магнитной системе. В связи с этим при определении потерь активной электроэнергии в трансформаторе необходимо находить потерю активной мощности в обмотках и магнитной системе трансформатора на каждом i-ом интервале времени измерения dt. Решение дифференциального уравнения описывающего закон сохранения энергии в трансформаторе в общем случае имеет вид
ΔP⋅dt=c⋅G⋅dΘ+α⋅S⋅ΔΘ⋅dt,
и для указанных интервалов времени измерения может быть записано в следующей форме:
где ΔР - потери активной мощности в трансформаторе, выделяемые в виде тепла за интервал времени измерения 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+1
Θ - температура трансформатора в конце интервала dt без учета температуры окружающей среды;
i
Θ - температура трансформатора без учета температуры окружающей среды;
Т- постоянная времени нагрева трансформатора;
∞H
Θ - установившаяся температура трансформатора без учета температуры окружающей среды.
∞Н
Из выражения (7) можно определить Θ:
Одновременно
откуда
н
где ΔР - потери активной мощности в трансформаторе в номинальном режиме равные сумме паспортных потерь холостого хода (ΔРхх.н) и короткого замыкания (ΔРкз.н).
Величина α⋅S является неизменной для каждого элемента конструкции трансформатора.
На основании выражения (9) с учетом (8) и (10) в общем виде вычисляются потери мощности за время dt:
Учитывая то, что трансформатор не является однородным телом, и состоит из нагретых поверхностей обмоток и магнитной системы, которые выполнены из различных материалов, каждый из которых обладает собственными температурами в начале и конце интервала измерения, постоянными времени нагрева, установившимися температурами, выражение (11) для магнитной системы примет вид (3), для обмоток фазы L1 - (4), для обмоток фазы L2 - (5), для обмоток фазы L3 - (6).
Выражение для расчета суммарных потерь активной мощности в трансформаторе (обмотках и магнитной системе), выделяемых в виде тепла за интервал времени измерения dt, будет иметь вид (2).
Выражение для расчета потерь активной электрической энергии в трансформаторе за интервал измерения интервал времени измерения dt будет иметь вид (1).
Для учета потерь в трехфазном сухом трансформаторе потребуется установить одно указанное устройство, что приведет к упрощению измерения потерь активной электрической энергии в трансформаторе, и как следствие упрощению конструкции и снижению экономических затрат при его изготовлении в сравнении с аналогом и прототипом. При этом в качестве измерительных органов будут использоваться пять датчиков температуры, четыре из которых (датчики температуры магнитной системы и обмоток трансформатора) для сухих трансформаторов являются штатными, что также приведет к снижению экономических затрат при изготовлении устройства.
∞
∞
∞
∞
В БЗПТ 6 записываются и хранятся коды известных данных трансформатора, соответствующие параметрам магнитной системы и обмоток трансформатора: паспортные потери холостого хода трансформатора (ΔРхх.н); паспортные потери короткого замыкания трансформатора (ΔРкз.н); постоянная времени нагрева магнитной системы трансформатора (Txx); постоянная времени нагрева обмоток фазы L1 трансформатора (TкзL1); постоянная времени нагрева обмоток фазы L2 трансформатора (TкзL2); постоянная времени нагрева обмоток фазы L3 трансформатора (TкзL3); установившаяся температура магнитной системы трансформатора (Θхх); установившаяся температура обмоток фазы L1 трансформатора (ΘкзL1); установившаяся температура обмоток фазы L2 трансформатора (ΘкзL2); установившаяся температура обмоток фазы L3 трансформатора (ΘкзL3).
i
i
i
i
i
Температура трансформатора измеряется раздельно для магнитной системы трансформатора (Θxx) первым ДТ 1, для обмоток, соответственно: для обмотки фазы L1 (ΘкзL1) вторым ДТ 2, для обмотки фазы L2 (ΘкзД2) третьим ДТ 3, для обмотки фазы L3 (ΘкзL3) четвертым ДТ 4; и для температуры окружающей среды (Θcp) пятым ДТ 5.
i
i
i
i
i
Через интервалы времени измерения (dt) равные на два, три порядка меньше тепловых постоянных времени, формируемые с учетом тактовой частоты задаваемой ГПИ 7, МК 8 опрашивает и получает данные о температуре магнитной системы трансформатора (Θxx) от первого ДТ 1, о температуре обмоток фазы L1 (ΘкзL1) от второго ДТ 2, о температуре обмоток фазы L2 (ΘкзL2) от третьего ДТ 3, о температуре обмоток фазы L3 (ΘкзL3) от четвертого ДТ 4, о температуре окружающей среды (Θcp) от пятого ДТ 5. Указанные ДТ 1-5 соединены общей шиной данных подключенной к цифровому входу порта А МК 8. Полученные данные формируются в виде массива и записываются в оперативную память МК 8 в течении часа.
По истечении одного часа МК 8 на основании массива измеренных данных температуры магнитной системы и обмоток трансформатор хранящихся в виде массива в ОЗУ, а также кодов, соответствующих постоянным параметрам магнитной системы и обмоток трансформатора, записанным в БЗПТ 6, выполняет расчет значения потерь активной мощности в магнитной системе трансформатора, выделяемых в виде тепла за каждый интервал времени измерения dt в соответствии с выражением:
и значений потерь активной мощности в обмотках фазы L1, L2, L3 трансформатора, выделяемых в виде тепла за каждый интервал времени измерения dt в соответствии с выражениями:
Полученные в результате расчета значения потерь магнитной системы и обмоток трансформатора (ΔРхх, ΔРкзL1, ΔРкзL2, ΔРкзL3) формируются в виде массива и записываются в ОЗУ МК 8, после чего выполняется расчет суммарных потерь активной мощности в трансформаторе выделяемых в виде тепла за интервал времени измерения dt в соответствии с выражением:
Потери активной электроэнергии в трансформаторе за интервал измерения равный 1 ч. вычисляется как сумма произведений вычисленных за это период значений суммарных потерь активной мощности в трансформаторе на величину интервалов времени измерения dt в соответствии с выражением:
Вычисленное МК 8 значение потерь активной электроэнергии в трансформаторе за интервал измерения равный 1 ч. импульсами с выхода порта С МК 8 записывается в ячейку памяти ППЗУ 11 и с выхода порта В МК 8 в регистр 9. После чего происходит обнуление всех массивов записанных в ОЗУ МК 8 и процесс измерения температуры и расчета потерь активной электроэнергии в трансформаторе повторяется для следующего часа, по окончании которого в регистр 9 и следующую ячейку памяти ППЗУ 11 импульсами соответственно с портов В и С МК 8 записывается новое вычисленное значение потерь активной электроэнергии.
На индикаторе 10 в течении часа отображается вычисленное значение потерь активной электроэнергии в трансформаторе, записанное в регистр 9, после чего происходит отображение нового значения записанного в регистр 9.
Содержимое ППЗУ 11 за интервал времени (час, день, месяц, год, несколько лет) передается в компьютер 13 приемопередатчиком 12, при получении от него соответствующей команды на передачу данных о потерях активной электроэнергии в трансформаторе.
Таким образом, использование предложенного способа определения потерь активной электроэнергии в трансформаторе и устройства, его реализующего, основанного на раздельном измерении температуры магнитной системы и обмоток трансформатора, учитывающей все потери активной электроэнергии в трансформаторе, выделяемые в виде тепла, и измерении температуры окружающей среды, позволяет решить поставленную задачу, повышения точности измерения потерь активной электрической энергии и снижения экономических затрат при изготовлении устройства реализующего указанный способ за счет упрощения конструкции.