Моделирование режимов работы и характерных неисправностей сухих силовых трансформаторов для исследования взаимосвязи их технического состояния с параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений

УДК 621.311

Моделирование режимов работы и характерных неисправностей сухих силовых трансформаторов для исследования взаимосвязи их технического состояния с параметрами генерируемых высших гармонических составляющих токов и напряжений

Р.Ш. ГАББАСОВ, магистр. филиал фГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

MS. БАШиРОВ, д.т.н., профессор. филиал фГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

и.В. ПРАХОВ, к.т.н., старший научный сотрудник. ГАНУ «институт прикладных исследований Республики Башкортостан» Академии наук Республики Башкортостан

E-mail: GabbasovRail@gmail.com

В данной статье представлен процесс моделирования режимов работы и характерных неисправностей сухих силовых трансформаторов. По результатам моделирования получены закономерности взаимосвязи параметров гармонических составляющих токов и напряжений с техническим состоянием и режимами работы трансформатора.

Ключевые слова: режим работы, силовой трансформатор, высшие гармоники, неисправность, моделирование, ток, напряжение, повреждение.

Наличие высших гармоник в токах нелинейных электроустановок создает технически опасные режимы работы сети электроснабжения: значительно возрастает вероятность перегрева и разрушения нулевых рабочих проводников кабельных линий; резко увеличиваются потери энергии в трансформаторах, повышается вероятность перегрева из-за дополнительных потерь, создаваемых гармониками, генерируемыми нелинейной нагрузкой; произвольно срабатывают предохранители и автоматические выключатели вследствие их внутреннего дополнительного нагрева; ускоряется износ, происходит вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности; снижается коэффициент мощности системы электроснабжения; ускоряется старение изоляции проводов и кабелей; происходят сбои в работе систем однофазных источников бесперебойного питания; возникают сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования из-за колебаний и импульсов питающего напряжения; преждевременно выходят из строя электродвигатели вследствие отклонения уровня напряжения и появления высших гармоник в напряжении питающей сети; возрастает вероятность резонанса коммутационных перенапряжений, приводящих к преждевременно-

му выходу из строя электронного оборудования [1].

При спектральном анализе силовых трансформаторов доминирующими являются третья, пятая и седьмая гармоническая составляющая тока и напряжения [2-3]. Представляется, что одной из главных причин их возникновения является влияние нелинейных элементов сопротивления понижающих трансформаторов 6 - 10/0,4 кВ. Вследствие сильной несимметрии магнитопровода трансформаторов этого класса напряжения, токи намагничивания крайних фаз в 1,4 - 1,5 раза превышают ток в средней фазе. По этой причине в токе намагничивания присутствуют все нечетные гармоники, в том числе и кратные трем. Последние, однако, являются гармониками не нулевой, а прямой и обратной последовательностей. Как правило, при номинальном напряжении в питающей сети величина токов намагничивания достаточно мала (до 1 - 2% у трансформаторов мощностью 2500 - 630 кВА и до 5 - 10% у трансформаторов мощностью 400 - 100 кВА). Однако, уже при повышении напряжения до уровня 1,15 ин (максимальное рабочее напряжение), величина тока намагничивания может возрасти в 2,52,7 раза, а коэффициент искажения синусоидальности напряжения Ки, согласно расчетам, может, даже при отсутствии в сети специально установленных емкостных элементов, достигнуть значения 1 - 2%. Наличие

Роип« Апя1уг«

Рис. 1. Модель трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4 в среде SIMULINK

в распределительной сети емкостных элементов типа конденсаторных батарей поперечной емкостной компенсации может привести к возникновению резонансных условий с соответствующим ростом токов и напряжений отдельных гармоник. Теоретические исследования показывают, что в нормальном режиме при установке в системы электроснабжения регулируемых конденсаторных батарей мощностью, соизмеримой с номинальной мощностью сетевого трансформатора, возможны резонансы, начиная с пятой по седьмой гармоник. При возникновении в сети однофазного замыкания на землю (наиболее частого повреждения в распределительных сетях 6 - 10 кВ с изолированной нейтралью), резонансная частота в контуре нулевой последовательности может сместиться в область третьей и пятой гармоник [1].

Для моделирования режимов работы и характерных неисправностей сухих силовых трансформаторов в данной работе использована программа «БтиИпк», которая является приложением к пакету «МАТЬАВ». При моделировании с использованием программы <^тиИпк» реализуется принцип визуального программирования, при этом пользователь из библиотеки стандартных блоков создает на экране модель устройства и осуществляет расчеты [4].

Для исследования зависимости коэффициентов гармоник от повреждений трансформатора была построена модель. В состав модели входят: источник трёхфазной электрической энергии, трёхобмоточ-ный трёхфазный трансформатор, блок измерения параметров трансформатора, трехфазная параллельная и последовательная нагрузка, трехфазный короткозамыкатель, блок преобразования Фурье. Для снятия осциллограмм в модель были введены измерители напряжений и токов, к которым подключаются осциллографы.

На рис. 1 представлена модель трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4, построенная в программе <^тиНпк».

X............/

.....

Рис. 2. Гра ф и ки н апряжени й и токо в фаз А, В, С:

а — на высокой стороне трансформатора при нормальной работе; б — на низкой стороне трансформатора при нормальной работе; в — на высоко й сторо н е т р анс фо рма то р а при КЗ в фазе С; г — на низкой стороне трансформатора при КЗ в фазе С

а

б

в

3

/Л

-^ ' ШВЕ

б

Рис. 3. Гармонические составляющие напряжений и токов в фазах А, В, С:

а — на высокой стороне трансформатора при КЗ в фазе С и угол между ними; б — на низкой стороне трансформатора при КЗ в фазе С и угол между ними

Характерные неисправности, смоделированные в программе «Simulink»:

Опыт № 1 Трансформатор находится в нормальном режиме под нагрузкой

Опыт № 2 КЗ в фазе С обмотки трансформатора

Опыт № 3 КЗ в фазе В обмотки трансформатора

Опыт № 4 КЗ в фазе А обмотки трансформатора

Осциллографами, а также в окне «Powergui FFT Analysis Too» в программе «Simulink» фиксируются результаты моделирования режимов работы трансформатора (рис. 2-4) [4]. По результатам измерений токов и напряжений высокой и низкой стороны трансформатора были вычислены гармонические составляющие токов и напряжений, генерируемые трансформатором [5].

Обработка и анализ данных производится до 13-й гармоники включительно, так как изучение последующих гармоник необходимо для более глубоких исследований в этой области. Энергоснабжающие компании контролируют содержание 3-й, 5-й, 7-й, 9-й, 11-й и 13-й гармоник в питающих сетях и чаще всего присутствуют нечётные гармоники.

Результаты спектрального анализа гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трансформатором, представлены на рис. 5-7 [1].

При витковом КЗ в фазе С трансформатора резко возрастают гармонические составляющие по току

Рис. 4. Гармонические составляющие напряжения на высокой стороне трансформатора в фазах А, В, С при КЗ в фазе С

и напряжению в фазе С. Возникновение межвитко-вых замыканий в обмотках приводят к увеличению значений третьей гармоники в поврежденных фазах, так как увеличение тока в короткозамкнутом контуре усиливает несимметрию токов в фазах. Это приводит к росту результирующего магнитного потока от токов третьей гармоники и к увеличению

3 5 1 9 11 13

а

0,65 0,60 0,55 0.50 0,45

л 5 7 9 I I 1 Я

б

Рис. 5. Гармонические составляющие токов (а) и напряжений (б) трансформатора при КЗ в фазе С

5 7 9 1113

а

б

Рис. 6. Гармонические составляющие токов (а) и напряжений (б) трансформатора при КЗ в фазе В

ЭДС третьей гармоники (см. рис. 5).

При КЗ в фазах А и В взаимосвязь гармонических составляющих токов и напряжений трансформатора аналогична случаю КЗ в фазе С (см. рис. 6, 7).

3 5 7 9 II 13

а

0,65 0.60 0.55 0.50 0,45

3 5 7 9 II 13

б

Рис. 7. Гармонические составляющие токов (а) и напряжений (б) трансформатора при КЗ в фазе А

Выводы

В процессе моделирования режимов работы и характерных неисправностей сухих силовых трансформаторов выявлены закономерности взаимосвязи параметров гармонических составляющих токов и напряжений с техническим состоянием и режимами работы трансформатора. Установленные закономерности могут быть использованы при решении задач оценки технического состояния трансформаторов, идентификации неисправностей и прогнозирования остаточного ресурса.

список литературы

1. Техническая коллекция Schneider Electric // Измерение и устранение гармоник. — 2009. — Вып. 30.

2. Баширов М.Г., Прахов И.В., Габбасов Р.Ш. Исследование спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трехфазным силовым трансформатором // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. — 2013. — № 2. — С. 25-28.

3. Методика расчёта высших гармоник в токах намагничивания понижающих трансформаторов. Адрес доступа: http://www.ak.paper.ru.

4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. — М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. — 288 с.

5. РД 153-34.0-15.501-2000. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Ч. 1. Контроль качества электрической энергии. — М.: Изд-во стандартов, 2000. — 29 с.

MODELLING OF OPERATING MODES AND CHARACTERISTIC MALFUNCTIONS OF DRY POWER TRANSFORMERS FOR RESEARCH OF INTERRELATION OF THEIR TECHNICAL CONDITION WITH PARAMETERS OF GENERATED HIGHER HARMONIOUS MAKING CURRENTS AND VOLTAGES

Gabbasov R.S., Masters Degree, Branch Ufa State Petroleum Technical University in Salavat (22A/67, ul. Gubkina, Salavat, 453250, Russian Federation). E-mail: GabbasovRail@gmail.com

Bashirov M.G., Doctor of Tech. Sci., Prof., Branch Ufa State Petroleum Technical University in Salavat

Prakhov I.V., Candidate of Tech. Sci., Senior Researcher, Institute of Applied Research Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan

ABSTRACT

in given article process of modelling of operating modes and characteristic malfunctions of dry power transformers is described. By results of modelling laws of interrelation of parameters of harmonious making currents and pressure with a technical condition and transformer operating modes are received.

Keywords: operating mode, power transformer, higher harmonics, malfunction, modelling, current, voltage, damage.

REFERENCES

1. Tekhnicheskaya kollektsiya Schneider Electric [Technical collection Schneider Electric]. Izmereniye i ustraneniye garmonik — Measurement and eliminating harmonics. Issue 30. 2009.

2. Bashirov M.G., Prakhov I.V., Gabbasov R.SH. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya — Transport and storage of oil and hydrocarbons. 2013, no. 2, pp. 25-28.

3. Metodika raschota vysshikh garmonik v tokakh namagnichivaniya ponizhayushchikh transformatorov [Methods of calculation of higher harmonics in the magnetizing currents down transformers]. Available at: http://www.ak.paper.ru.

4. Chernykh I.V. Modelirovaniye elektrotekhnicheskikh ustroystv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink [Modeling of electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press Publ.; 2008. 288 p.

5. RD 153-34.0-15.501-2000. Metodicheskiye ukazaniya po kontrolyu i analizu kachestva elektricheskoy energii v elektricheskikh setyakh obshchego naznacheniya. Chast 1. Kontrol kachestva elektricheskoy energii [Guidance Document RD 153-34.0-15.501-2000. Methodological guidelines for quality control and analysis in electric networks for general purposes. Part 1. Quality control of electrical energy]. Moscow: Izdatelstvo standartov Publ., 2000. 29 p.

gull шспйт'^ж - 2014

трансарктиka-2014 12-13 ноября 2014 года I Президент-отель

Дорогие друзья и уважаемые коллеги!

12-13 ноября 2014 года в Москве пройдет Первая Международная Конференция «Транспорт и логистика в Арктике» (ТрансАрктика-2014).

Главными задачами Конференции являются: Структура Конференции включает:

• Пленарное заседание с целью обсуждения стратегических концепций и инициатив, где выступят представители государственных и коммерческих структур: Администрации Президента РФ, Совета Федерации, Государственной Думы РФ, Военно-промышленной комиссии, министерств, госкорпораций, органов власти регионов Арктической зоны, ведущих российских и зарубежных транспортных, логистических и инфокоммуникационных компаний.

• Набор тематических сессий, где будут обсуждаться конкретные организационные и технологические вопросы (транспорт и логистика в Арктике, технологии создания логистической, навигационной, информационно-телекоммуникационной инфраструктур, арктическая транспортная техника и др.).

Будем рады видеть Вас среди участников Конференции! Connectica Lab

тел.: +7 (495) 698-63-85; моб.: +7 (903) 507-71-81

ek@connectica-lab.ru

www.transarctica-forum.com/

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2014