СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ В ТРАНСФОРМАТОРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINATION OF LOSSES IN TRANSFORMER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано для интегрального измерения потерь электрической энергии в трансформаторах электрических станций и подстанций.
1
Известен способ теплового контроля характеристик трансформаторов напряжения [RU №2291455 С2, дата публикации 27.10.2005, МПК G01R 35/02], основанный на измерении интенсивности оптического излучения трансформатора напряжения, имеющего общую высоту Н боковой поверхности и находящегося под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, с помощью тепловизионного приемника и на определении температуры поверхности трансформатора напряжения по зафиксированной интенсивности оптического излучения, причем в процессе контроля определяют суммарный тепловой поток Q, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой
i
ΔH=H/N,
где N - общее количество участков;
i
u
определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQ, при этом суммарную мощность теплового потока принимают равной активной мощности трансформатора, рассеиваемой в сердечнике трансформатора, а значения погрешности напряжения Δf и угловой погрешности Δδ определяют по формулам
u
1
a2
a1
Δf=-c·(P-P), %;
2
а2
a1
Δδ=c·(Р·P), мин,
a2
a1
где P, Р - значения активной мощности, рассчитываемые на основе тепловизионных измерений;
1
2
с, c - постоянные, определяемые типом аппарата.
Недостатком данного способа является отсутствие учета влияния температуры окружающей среды на температуру трансформатора, что приводит к ухудшению точности измерения. Использование тепловизионного приемника существенно удорожает и усложняет аппаратуру контроля, а также не позволяет проводить измерения в непрерывном режиме, поскольку для этого требуется постоянное использование тепловизора и нахождение его на объекте.
Известен счетчик потерь электрической энергии [SU №1656466 А1, дата публикации 15.06.91, МПК G01R 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 затрат на реконструкцию силовых цепей, приводит к удорожанию счетчика, особенно при использовании его в сетях высокого напряжения, и в целом усложняет измерение потерь электрической энергии.
Температура измеряемого объекта может измениться от режима охлаждения (температура окружающей среды), что повлияет на нагрев термочувствительного элемента и внесет дополнительную погрешность и соответственно ухудшит точность измерения потерь электрической энергии счетчиком.
Прототипом по способу является способ определения потерь по температуре обмоток трансформатора [Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч. 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 dυ 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;
υ - разность температур между данным телом и окружающей средой;
К - количество тепла, отводимого охлаждающей поверхностью в единицу времени при разности между температурой поверхности и температурой среды в 1°C.
Нагрев обмоток относительно масла при установившемся тепловом режиме можно принять пропорциональным потерям в обмотках.
Недостатком данного способа является то, что измерение потерь только по температуре трансформатора с использованием коэффициентов, характеризующих конструкцию трансформатора без учета температуры окружающей среды, которая существенным образом влияет на температуру трансформатора, приводит к увеличению погрешности расчета потерь электрической энергии по формуле, указанной в прототипе.
Физические величины, являющиеся конструктивными параметрами трансформатора (масса и площадь поверхности трансформатора), не являются паспортными данными и сложны для определения на практике с высокой точностью.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному, взятым за прототип по устройству, является 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, таймера-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 таймера-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 определяет энергию потерь в обмотках трансформатора, но потери также включают в себя потери в магнитопроводе, баке, а также потери от несимметрии и несинусоидальности тока. Для учета потерь по прототипу 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.
Задачей изобретения является повышение точности и упрощение измерения потерь активной электрической энергии в трансформаторе.
Технический результат изобретения достигается за счет измерения и учета температуры окружающей среды, отказа от использования при расчетах потерь электрической энергии конструктивных параметров конкретных трансформаторов, которые не являются паспортными данными, и использование в качестве измерительных органов двух датчиков температуры, один из которых (датчик температуры трансформатора) является штатным.
Сущность изобретения в части способа заключается в том, что измеряется температура трансформатора и окружающей среды и через интервалы времени измерения, равные на два, три порядка меньше тепловой постоянной времени, вычисляют приращение температуры трансформатора, определяют разность между температурой трансформатора и окружающей средой и вычисляют потери активной электроэнергии в трансформаторе по формуле:
XX
где Р - потери холостого хода;
КЗ
P - потери короткого замыкания;
T - тепловая постоянная времени;
ΔΘ - разность между температурой трансформатора и температурой окружающей среды;
dΘ - приращение температуры трансформатора;
∞
Θ - установившаяся температура трансформатора;
dt - интервал времени измерения.
На основании закона сохранения энергии можно записать уравнение теплового баланса:
где с - удельная теплоемкость;
G - масса трансформатора;
α - коэффициент теплоотдачи с поверхности;
S - площадь поверхности;
ΔР - потери активной мощности в трансформаторе за dt.
Постоянную времени нагрева трансформатора можно определить следующим образом:
При достижении установившейся температуры первое слагаемое в формуле (2) становится равным нулю, а потери становятся равными потерям в номинальном режиме и складываются из потерь холостого хода короткого замыкания.
В соответствии с формулой (3) уравнение (2) при установившейся температуре трансформатора приобретет вид:
откуда
Используя уравнения (3) и (4), находим α·S:
Учитывая, что G, с, S, α являются постоянными величинами для конкретного трансформатора, и используя формулы (3) и (4), закон сохранения энергии (2) примет вид формулы (1).
Слагаемые формулы (1) имеют следующий физический смысл:
<mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>X</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>К</mi><mi>З</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>Θ</mi></mrow></mfrac><mi>d</mi><mi>Θ</mi></mrow>
-
- количество аккумулированного тепла в трансформаторе;
<mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>X</mi><mi>X</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>К</mi><mi>З</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>T</mi></mrow><mrow><msub><mi>Θ</mi><mi>∞</mi></msub></mrow></mfrac><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow>
-
- количество тепла, отдаваемого в окружающую среду.
∞
XX
КЗ
Сущность изобретения в части устройства заключается в том, что в устройство, включающее первый аналогово-цифровой преобразователь, первый и второй одновибраторы, первый блок деления, накапливающий сумматор, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер часов, счетчик, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, индикатор, причем генератор прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом таймера, цифровой выход таймера подключен к входу таймера-часов, выход таймера часов подключен к входу счетчика, выход счетчика соединен с входом адреса перепрограммируемого запоминающего устройства, выход последнего через приемопередатчик соединен с информационным входом компьютера, дополнительно введены первый и второй датчики температуры, второй аналого-цифровой преобразователь, первый и второй вычитатели, третий одновибратор, регистр памяти, первый, второй, третий и четвертый умножители, второй блок деления, сумматор, блок задания параметров трансформатора, причем выходы первого и второго датчиков температуры подключены соответственно к аналоговым входам первого и второго аналогово-цифровых преобразователей, выход первого аналогово-цифрового преобразователя подключен к второму входу первого вычитателя, первому входу второго вычитателя и информационному входу регистра памяти, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входу три первого вычитателя, выход второго аналогово-цифрового преобразователя подключен ко второму входу второго вычитателя, выход регистра памяти соединен с первым входом первого вычитателя, а его выход подключен к первому входу первого умножителя, выход первого умножителя соединен с первым входом второго блока деления, выход второго вычитателя подключен ко второму входу второго блока деления и первому входу третьего умножителя, первый выход блока задания параметров трансформатора «Θ» соединен с первым входом первого блока деления, выходы два «Р» и три «Р» подключены соответственно к первому и второму входу сумматора, четвертый выход «Т» соединен со вторым входом второго умножителя, выход сумматора соединен с первым входом второго умножителя и вторым входом первого блока деления, выход блока деления подключен ко второму входу третьего умножителя, выход второго умножителя подключен ко второму входу первого умножителя, выход третьего умножителя подключен к первому входу четвертого умножителя, цифровой выход таймера подключен ко второму входу четвертого умножителя, а выход переполнения таймера соединен с входами запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей, входом первого и второго одновибраторов, выход первого одновибратора соединен с входом записи регистра памяти, выход таймера-часов подключен к входу третьего одновибратора и пятому входу «Запись часового замера» накапливающего сумматора, выход второго одновибратора соединен с третьим входом «Запись замера dt» накапливающего сумматора, выход третьего одновибратора подключен к четвертому входу «Сброс» накапливающего сумматора, выход второго блока деления соединен с первым входом накапливающего сумматора, выход четвертого умножителя соединен со вторым входом накапливающего сумматора, выход последнего соединен с входом индикатора и информационным входом перепрограммируемого запоминающего устройства.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного устройства для реализации способа определения потерь в трансформаторе, основанного на измерении температуры.
Счетчик потерь электроэнергии в трансформаторе содержит первый 1 и второй 2 датчики температуры, первый 3 и второй 4 аналого-цифровые преобразователи, первый 5 и второй 6 вычитатели, первый 7, второй 8 и третий 9 одновибраторы, регистр памяти 10, первый 11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 умножители, первый 15 и второй 16 блоки деления, накапливающий сумматор 17, сумматор 18, блок задания параметров трансформатора 19, генератор прямоугольных импульсов 20, таймер 21, таймер-часы 22, счетчик 23, перепрограммируемое запоминающее устройство 24, индикатор 25, приемопередатчик 26, компьютер 27, причем первый датчик температуры 1 измеряет температуру трансформатора (на фиг. 1 не указан), второй датчик температуры 2 измеряет температуру окружающей среды, первый 3 и второй 4 аналогово-цифровые преобразователи преобразуют сигналы от первого 1 второго 2 датчиков температуры в цифровой код, первый вычитатель 5 вычисляет приращение температуры трансформатора за интервал измерения, второй вычитатель 6 вычисляет разность между температурой трансформатора и окружающей средой, первый одновибратор 7 необходим для формирования сигнала записи в регистр памяти 10 по заднему фронту импульса, поступающего от таймера 21, второй одновибратор 8 необходим для формирования сигнала записи за интервал времени в накапливающий сумматор 17 по заднему фронту импульса, поступающего от таймера 21, третий одновибратор 9 необходим для формирования сигнала сброса в накапливающем сумматоре 7, регистр памяти 10 необходим для записи значения температуры трансформатора на предыдущем шаге расчета, первый умножитель 11 вычисляет произведение приращения температуры трансформатора, вычисленное в первом вычитателе 15, и данных, полученных из второго умножителя 12, второй умножитель 12 вычисляет произведение постоянной времени нагрева трансформатора и суммы потерь в трансформаторе в номинальном режиме, третий умножитель 13 вычисляет произведение разности между температурой трансформатора и окружающей средой и частного от деления суммы потерь в трансформаторе в номинальном режиме на установившуюся температуру номинального режима трансформатора, четвертый умножитель 14 вычисляет произведение данных, полученных на выходе третьего умножителя 13, и приращения времени, формируемого таймером 21, первый блок деления 15 производит операцию деления, в которой делимым является сумма потерь в трансформаторе в номинальном режиме, а делителем - константа, передаваемая из первого выхода блока задания параметров трансформатора 19, второй блок деления 16 производит операцию деления, в которой делимым являются данные, вычисленные в первом умножителе 11, а делителем - разность между температурой трансформатора и окружающей средой, накапливающий сумматор 17 производит суммирование потерь активной электрической энергии в течение каждого часа за интервалы времени, задаваемые таймером 21, сумматор 18 суммирует заданные в блоке задания параметров значения потерь холостого хода и короткого замыкания в номинальном режиме в трансформаторе, блок задания параметров трансформатора 19 обеспечивает хранение после записи в него констант номинальных параметров трансформатора, генератор прямоугольных импульсов 20 служит для задания соответствующего интервала измерения, таймер 21 формирует интервал измерения, счетчик часов 22 формирует сигнал каждый час, счетчик 23 формирует адрес ячейки памяти в перепрограммируемом запоминающем устройстве 24, перепрограммируемое запоминающее устройство 24 служит для записи, а индикатор 25 - для отображения значения потерь активной электрической энергии за час, поступаемого с выхода накапливающего сумматора 17, приемопередатчик 26 служит для передачи данных, накопленных за промежуток времени, из перепрограммируемого запоминающего устройства 24 в компьютер 27.
Рассмотрим работу устройства на примере конкретного выполнения способа определения потерь в трансформаторе, основанного на измерении температуры.
Информация о температуре трансформатора от первого 1 датчика температуры поступает на аналоговый вход первого 3 аналого-цифрового преобразователя (АЦП), на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий измеряемой температуре, который затем поступает на вход регистра памяти 10, где происходит его запись в память регистра, причем запись происходит по заднему фронту импульса, поступающего от таймера 21, формирующего временные интервалы измерения (dt) через первый 7 одновибратор. Информация о температуре окружающей среды от второго 2 датчика температуры поступает на аналоговый вход второго 4 АЦП, на выходе которого формируется цифровой код соответствующий измеряемой температуре. Запуск первого 3 и второго 4 АЦП производится сигналом с выхода таймера 21, соответствующим интервалу измерения, задаваемого генератором прямоугольных импульсов 20.
На вход первого 5 вычитателя поступает цифровой код с выхода первого 3 АЦП и регистра памяти 10, на выходе которого формируется цифровой код, соответствующий приращению температуры трансформатора (dΘ). Код, записываемый в регистр памяти 10, соответствует предыдущему интервалу времени измерения температуры трансформатора, а приращение температуры вычисляется для текущего времени измерения, причем вычитание производится после окончания преобразования в первом 3 АЦП.
На вход второго 6 вычитателя поступает код с первого 3 и второго 4 АЦП и на его выходе после операции вычитания получается цифровой код, соответствующий разности температур трансформатора и окружающей среды (ΔΘ).
∞
ХХ
КЗ
В блоке задания параметров трансформатора (БЗПТ) 19 записываются и хранятся коды, соответствующие параметрам номинального режима трансформатора: установившаяся температура нагрева трансформатора в номинальном режиме (Θ); потери холостого хода (Р) и короткого замыкания (Р), постоянная тепловая времени нагрева (7).
ХХ
КЗ
Суммарные потери активной мощности в трансформаторе в номинальном режиме вычисляются в сумматоре 18, на ход которого с выхода БЗПТ 19 поступают коды констант соответствующих Р и Р.
ХХ
КЗ
∞
ХХ
КЗ
∞
Для вычисления выражения (Р+P)/Θ используется первый 15 блок деления, на вход которого поступают коды суммарных потерь активной мощности в трансформаторе в номинальном режиме (Р+Р) и установившейся темперы в номинальном режиме (Θ).
ХХ
КЗ
ХХ
КЗ
Произведение суммарных потерь активной мощности трансформатора в номинальном режиме (Р+Р) на постоянную тепловую времени нагрева (T), равное (Р+P)·Т, вычисляется во втором 12 умножителе, на вход которого от сумматора 18 и БЗПТ 19 поступают коды соответствующих констант.
ХХ
КЗ
∞
ХХ
КЗ
∞
ХХ
КЗ
ХХ
КЗ
Произведение выражения (Р+Р)/Θ на разность температур трансформатора и окружающей среды (ΔΘ) вычисляется в третьем 13 умножителе, на выходе которого получаем код, соответствующий выражению ((Р+Р)·ΔΘ/Θ, а произведение выражения (Р+Р)·Т на приращение температуры трансформатора (dΘ) вычисляется в первом 11 умножителе, на выходе которого формируется код, соответствующий выражению (Р+P)·Т·dΘ.
ХХ
КЗ
ХХ
КЗ
Выражение ((Р+P)·Т·dΘ)/ΔΘ вычисляется во втором 16 блоке деления, на вход которого поступают коды от первого 11 умножителя и второго 6 вычитателя, соответствующие соответственно (Р+P)·Т·dΘ и ΔΘ.
ХХ
КЗ
∞
ХХ
КЗ
∞
На выходе четвертого 14 умножителя формируется код, соответствующий выражению (((Р+Р)·ΔΘ)/Θ)dt, на вход которого поступают коды с третьего 13 умножителя и таймера 21, соответствующие ((Р+Р)·ΔΘ)/Θ и интервалу измерения dt.
Суммирование потерь активной электрической энергии в трансформаторе в течение каждого часа за интервалы измерения dt по формуле:
осуществляется в накапливающем сумматоре 17.
Запись за интервал измерения dt осуществляется по заднему фронту импульса от таймера 21 через второй 8 одновибратор с инверсией.
Формирование кода суммарных потерь активной мощности за час на выходе накапливающего сумматора 17 осуществляется по сигналу, поступающему с входа счетчика часов 22. Сформированный код поступает на вход перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) 24 и записывается в ячейку памяти с адресом, формируемым счетчиком 23, на счетный вход которого поступают импульсы от счетчика часов 22, что меняет его входной код, а следовательно, каждый час адрес ячейки, а также показания индикатора 25.
Сброс (обнуление) накапливающего сумматора осуществляется по заднему фронту импульса, поступающего с выхода счетчика часов 22 через третий 9 одновибратор с инверсией.
Содержимое ППЗУ 24 за длительное время (час, день, месяц, год, несколько лет) передается в компьютер 27 приемопередатчиком 26. Полученные в ППЗУ 24 данные используются для учета потерь электроэнергии в трансформаторах.
Таким образом, использование предложенного способа определения потерь в трансформаторе, основанного на измерении температуры, и устройства, его реализующего, позволяет решить поставленную задачу, решаемую использованием двух датчиков температуры, которые измеряют температуру трансформатора и окружающей среды и параметров трансформатора, полученных в номинальном режиме его работы, необходимых для расчета потерь активной электроэнергии в трансформаторе, выделяющихся в виде тепла.