УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПУСТИМОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕГРУЗКИ И КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и может найти применение в автоматизированных системах управления и диагностики трансформаторного оборудования электрических подстанций.
Уровень техники
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. Для безопасной работы трансформатора важно, чтобы температура обмотки в самом горячем месте (так называемая «наиболее нагретая точка», ННТ) не превышала допустимых значений. 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. Величина и длительность допустимой перегрузки определяется текущим (исходным) тепловым состоянием трансформатора, причем зависимость допустимого времени перегрузки от коэффициента перегрузки каждой обмотки, текущей температуры масла и температуры окружающей среды является достаточно сложной и нелинейной. При этом желательно, чтобы диспетчер энергосистемы при управлении перетоками мощности в системе, особенно в нештатных ситуациях, имел информацию о том, насколько и на какое время каждый трансформатор может быть перегружен без увеличения риска его повреждения или недопустимого снижения срока службы. Предлагаемое устройство предназначено для получения и передачи оператору энергосистемы прогнозной информацией о допустимых в каждый момент времени уровнях перегрузки трансформатора и допустимом времени перегрузки в зависимости от ее величины. В случае нарушения допустимых по тепловому состоянию трансформатора условий устройство должно выдавать предупредительную или аварийную сигнализацию. Известны технические решения аналогичного назначения, например:
1. Патент RU 2242830, МПК H02H 7/04, H02H 6/00;
2. Патент ЕР 1085534 В1, МПК H01F 27/12;
3. Патент US 4148086, US C1. 361/37, МПК H01H 37/0, H02H 7/00;
4. Патент US 5225992, US C1. 364/483, МПК H02H 7/00;
5. Патент US 6424266, US C1. 340/588, МПК G08B 17/00;
6. Патент US 6727821 B2, US C1. 340/588, МПК G08B 17/00;
7. Патент US 6906630 B2, US C1. 340/646, МПК G08B 21/00;
8. Заявка RU 2010134228/28(048622), МПК G01R 31/02 (2006/01), решение о выдаче патента от 30.05.2011, публикация от 27.02.2012.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению (его прототипом) является техническое решение по заявке RU 2010134228/28(048622), публикация от 27.02.2012.
Устройство-прототип содержит датчик тока трансформаторной обмотки, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры верхних слоев масла (ВСМ), датчик влажности масла, датчик температуры масла в датчике влажности, аналого-цифровой преобразователь, к соответствующим входам которого подключены выходы указанных датчиков, и вычислительное устройство, подключенное первым интерфейсом к выходу аналого-цифрового преобразователя и снабженное вторым цифровым интерфейсом для связи с терминалом оператора. Вычислительное устройство рассчитывает и передает на терминал оператора значения допустимого времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке трансформатора и прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток.
Недостаток прототипа состоит в следующем.
При выполнении прогнозного расчета температуры ВСМ неявно предполагается, что при перегрузке включаются все имеющиеся в системе охлаждения трансформатора охладители, и при этом они имеют номинальную тепловую проводимость от масла к окружающему воздуху. Однако на практике у старых трансформаторов теплоотдача охладителей может быть заметно снижена за счет загрязнения поверхности, попадания пуха и листьев растений в охлаждающие каналы радиаторов, снижения напряжения питания электродвигателей, износа их подшипников. Кроме того, часть электродвигателей маслонасосов и вентиляторов обдува может быть неисправной и не будет включена. В такой ситуации общая эффективность системы охлаждения в режиме перегрузки может быть существенно ниже расчетной, и прогноз даст завышенные значения допустимых уровня и времени перегрузки.
Раскрытие существа полезной модели
Целью и техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационной надежности трансформаторного оборудования за счет более достоверного определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформатора с учетом реальной эффективности его системы охлаждения.
Предметом полезной модели является устройство для определения допустимой длительности перегрузки и контроля эффективности системы охлаждения силового маслонаполненного трансформатора, содержащее датчик тока трансформаторной обмотки, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры верхних слоев масла, датчик влажности масла, датчик температуры масла в датчике влажности, аналого-цифровой преобразователь, к соответствующим входам которого подключены выходы указанных датчиков, и вычислительный блок, подключенный первым цифровым интерфейсом к выходу аналого-цифрового преобразователя и снабженный вторым и третьим цифровыми интерфейсами для связи с терминалом оператора и с системой управления и мониторинга трансформатора соответственно, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью приема по третьему цифровому интерфейсу информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей, расчета с учетом принятой информации текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и передачи рассчитанных значений в систему управления и мониторинга трансформатора.
Технический результат достигается введением в устройство третьего цифрового интерфейса для связи с системой управления и мониторинга трансформатора и выполнения вычислительного блока с возможностью приема по третьему цифровому интерфейсу информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей, расчета с учетом принятой информации текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и передачи рассчитанных значений в систему управления и мониторинга трансформатора.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.
На фигуре показаны датчик 1a температуры окружающей среды, датчик 1b температуры верхних слоев масла, датчики 2a, 2b тока в разных обмотках контролируемого силового трансформатора, датчик 3 влажности масла, датчик 4 температуры для измерения температуры масла в датчике 3 влажности, аналого-цифровой преобразователь 5 с входами 6a…6е, к которым подключены выходы указанных датчиков, и вычислительный блок 7, к которому по первому цифровому интерфейсу 8 подключен аналого-цифровой преобразователь 5. Вычислительный блок имеет дискретные выходы 9 и 10 для выдачи соответственно предупредительного и аварийного сигналов о недопустимой перегрузке контролируемого силового трансформатора, второй цифровой интерфейс 11 для связи через линию 12 с терминалом 13 оператора, и третий цифровой интерфейс 14 для связи с системой 15 управления и мониторинга трансформатора.
Вычислительный блок 7, выполнен с возможностью приема по интерфейсу 14 информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей, расчета с учетом принятой информации текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и передачи рассчитанных значений в систему 15 управления и мониторинга трансформатора.
На терминал 13 оператора через интерфейс 11 передается информация о допустимом времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через заданные интервалы времени Δt вычислительный блок 7 снимает с блока 3 показания датчиков 1a, 1b, 2, 9 и 10.
o
o1
o2
o
o1
o
o2
Измеренное значение θ температуры верхних слоев масла сравнивается с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями θ и θ. Если значение θ превышает первый предельный уровень θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9. Если значение θ превышает второй предельный уровень θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
o
H
С использованием измеренных значений θ и коэффициентов нагрузки отдельных обмоток рассчитываются текущие значения Θ температуры наиболее нагретых точек всех обмоток по соотношениям
где
h
Δθ - превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над
температурой верхних слоев масла,
hr
h
Δθ - значение Δθ при номинальной нагрузке трансформатора,
К - коэффициент нагрузки обмотки, равный отношению текущего значения нагрузки к его номинальному значению,
21
22
k, k - постоянные коэффициенты (параметры трансформатора),
0
τ - тепловая постоянная времени трансформатора по маслу,
w
τ - тепловая постоянная времени обмотки трансформатора
y - показатель степени для определения зависимости превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой верхних слоев масла при изменении коэффициента нагрузки К.
H1
H2
H
H1
H
H2
Полученные значения температур ННТ всех обмоток сравниваются с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями Θ и Θ. Если значение Θ превышает первый предельный уровень Θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9. Если значение Θ превышает второй предельный уровень Θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
и
и
отн∞
Hмакс
По измеренным значениям w относительной влажности масла и температуре Θ масла в измерителе влажности определяются абсолютная влажность масла в баке трансформатора, относительная влажность масла в зоне ННТ для всех контролируемых обмоток, предельное значение W относительной влажности твердой изоляции и критическая температура Θ ННТ по соотношениям (5)…(9):
Абсолютная влажность масла в баке трансформатора:
a
где C(Θ) - предельная растворимость влаги в используемом масле при температуре Θ.
Относительная влажность масла в зоне ННТ для всех контролируемых обмоток
отн∞
предельное значение относительной влажности твердой изоляции для каждой из обмоток W:
,
где ,
а коэффициенты a, b, c, d, f, g, h зависят от вида применяемой изоляции.
Текущее значение относительной влажности изоляции определяется с учетом инерционности процесса, с постоянной времени
Hмакс
Hмакс
Hмакс
По рассчитанным значениям относительной влажности твердой изоляции обмоток рассчитываются критические температуры Θ ННТ по условию образования пузырьков. При влажности твердой изоляции в зоне ННТ, равной 0.5% и менее, Θ составляет 160°C, при влажности 7% и более - 80°C. Между этими двумя точками зависимость Θ от влажности кусочно-линейная.
H
Hмакс
Hмакс
Сравниваются рассчитанные значения температур Θ ННТ всех обмоток и полученные для них значения критических температур Θ. Если температура ННТ любой из обмоток превышает критическое значение Θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9 и начинается отсчет первой выдержки времени Т1.
Hмакс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+10°C), начинается отсчет второй выдержки времени Т2.
Hмакс
макс,
макс,
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+30°C) или время Т1 достигает заданного уровня Т1, например 30 минут, или время Т2 достигает заданного уровня Т2, например 10 минут, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
max
С использованием полученных по интерфейсу 14 значений текущего числа n включенных охладителей и их максимально располагаемого количества n по соотношению (10) определяется коэффициент снижения эффективности охлаждения
h
hr
где α - коэффициент изменения удельного сопротивления меди с температурой (α=0,00425 1/°C), υ, υ - превышение температуры обмотки над температурой масла и его значение в номинальном режиме,
h
hr
y
υ=K·υ,
kr
x
R - отношение нагрузочных потерь в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке P к потерям холостого хода P,
b - коэффициент теплоотдачи бака трансформатора, отнесенной к номинальной теплоотдаче одного охладителя,
r
и по выражению (11) - значение p - для прогнозного расчета :
r
Значение p по интерфейсу 14 передается в систему 15 управления и мониторинга трансформатора.
i
Для каждого i-го значения из ряда значений коэффициента перегрузки K, осуществляется интегрирование уравнения (12) для температуры ВСМ
a
где θ - температура окружающей среды,
or
Δθ - превышение температуры верхних слоев масла над температурой окружающей среды при номинальной нагрузке трансформатора,
11
k - постоянный коэффициент (параметр трансформатора),
x - показатель степени для определения превышения температуры верхних слоев масла над температурой окружающей среды при изменении коэффициента нагрузки К,
и уравнений (1)…(4) для самой горячей обмотки (прогнозное моделирование теплового режима).
В остальном прогнозный расчет и формирование результатов осуществляются аналогично устройству-прототипу.
Таким образом, из описания видно, что в предлагаемом устройстве прогнозные значения температуры верхних слоев масла и температуры наиболее нагретых точек обмоток вырабатываются с учетом реальной эффективности системы охлаждения трансформатора и, следовательно, являются более достоверными.