УСТРОЙСТВО ВКЛЮЧЕНИЯ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
ACTIVATION DEVICE FOR THREE-PHASE TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовым трансформаторам среднего напряжения, и может быть использовано для ограничения пусковых токов при включении их на холостой ход.
Известны устройства включения трехфазного трансформатора с помощью коммутационных аппаратов, например выключателей или контакторов (Лурье А.И. Процесс включения трансформатора на холостой ход и короткое замыкание, журнал «Электротехника», 2008 г., №2, стр. 2-18). Процесс включения трехфазного трансформатора сопровождается броском тока в его обмотках, величина которого соизмерима с ударным током короткого замыкания. При этом обмотки и магнитопровод трансформатора подвергаются ударному воздействию электродинамических сил, что приводит к сокращению срока эксплуатации трансформатора, а также к значительным искажениям напряжения питающей сети и ложным срабатываниям релейной защиты.
Известен способ снижения токов при многократных коммутациях трансформатора (RU 2093943C1, опубликовано 20.10.1997 г.). При отключении трансформатора от питающей сети, предшествующему его очередному включению, размыкание контактов выключателя производят в определенный момент времени, отсчитываемый от начала периода возрастания напряжения в одной из ее фаз, а замыкание контактов выключателя при очередном подключении трансформатора к сети производят в момент времени, отсчитываемый от того же, как в предшествующем выключении, начала периода возрастания напряжения в той же самой фазе сети.
Известно устройства для снижения бросков тока при включении трансформатора, RU 108233U1 опубликовано 10.09.2011 г.), содержащее подключенный к питающей сети выключатель, систему управления выключателем, трансформатор напряжения и устройство синхронного включения трансформатора. Последнее содержит блок синхронизации с напряжением сети, блок настройки момента включения, запоминающее устройство, формирователь сигналов управления.
Общими недостатками известных способов и устройства снижения броска токов при включении трансформатора являются:
- неработоспособность при первоначальном включении трансформатора по причине отсутствия процедуры его отключения;
- практически не достигается существенное снижение броска тока при включении трансформатора из за разновременности замыкания контактов выключателя. У быстродействующих выключателей среднего напряжения 6/10 кВ, например типоисполнения BB/TEL, указанный параметр составляет ~4 мс, а требуемая точность временного интервала для снижения броска тока при включении трансформатора должна быть не более , при ƒ=50 Гц, равная ±1,6 мс.
Известно устройство безударного включения трансформатора на холостой ход (RU 127270 U1, опубликовано 20.04.2013 г.), содержащее блок тиристоров, соединенный по цепям входов с фазами трехфазной питающей сети, а по цепям выходов с фазами обмотки трехфазного трансформатора, и систему управления, обеспечивающую подключение обмоток трансформатора к питающей сети за два такта без броска токов, а именно в режим установившегося значения холостого тока. Основной недостаток данного устройства - высокая стоимость устройства, соизмеримая со стоимостью трехфазного трансформатора мощностью (1,0-1,5) МВт.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и взятому за прототип является способ включения трансформатора (RU 2481692 C2, опубликовано 10.05.2013 г.), основанный на том, что первичную обмотку силового трансформатора подключают напрямую к источнику электроэнергии после синхронизации, отличающийся тем, что в схему вводится трансформатор малой мощности, первичную обмотку которого соединяют с источником электроэнергии, а вторичную через RL-цепь подключают к вторичной обмотке силового трансформатора, устройством синхронизации выполняют синхронизацию напряжений на стороне первичной обмотки силового трансформатора и источника электроэнергии. Устройство включения трансформатора по прототипу содержит силовой трансформатор, подключенный к питающей сети через выключатель, вспомогательный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с питающей сетью, RL-цепь и устройство синхронизации, при этом RL-цепь подключена между вторичными обмотками трансформаторов, а устройство синхронизации подключено параллельно выключателю. В прототипе включение силового трансформатора выполняется в два этапа. На первом этапе подается напряжение на вторичную обмотку силового трансформатора через вспомогательный трансформатор и токоограничивающую RL-цепь (пусковые резисторы и токоограничивающие реакторы). На втором этапе проверяется соответствие напряжения на первичной обмотке силового трансформатора напряжению питающей сети с помощью устройства синхронизации и подается команда на прямое подключение трансформатора к питающей сети через выключатель. Данное устройство позволяет значительно снизить пусковой ток силового трансформатора.
Недостатками прототипа являются:
- неспособность выявления межвитковых замыканий в обмотках силового трансформатора из-за принятого в нем алгоритма определения выхода силового трансформатора в установившейся режим работы на холостом ходу по разности напряжений на контактах невключенного выключателя с помощью устройства синхронизации.
- невысокое быстродействие из-за наличия вспомогательного трансформатора и токоограничивающих реакторов, затягивающих процесс выхода силового трансформатора в установившийся режим работы холостого хода.
Технический результат заявляемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства, обеспечивающее выявление межвитковых замыканий в обмотках трансформатора, а также многократное уменьшение пусковых токов и повышение быстродействия процесса включения трансформатора на холостой ход.
Технический результат достигается тем, что в устройстве включения трехфазного трансформатора, содержащем выключатель, соединенный главными цепями с фазами питающей сети и обмотками трансформатора, пусковые резисторы и нагрузку. Выключатель выполнен с входом управления. Введены контактор с входом управления, датчики тока, трехфазный диодный выпрямитель, пороговый элемент, инвертор, логические элементы "3И", "2И", первый и второй RS-триггеры, элемент временной задержки и таймер с входами "Пуск" и "Сброс". При этом выходы датчиков тока соединены с входами трехфазного диодного выпрямителя, выходом соединенного с входом порогового элемента, выход которого соединен через инвертор с первым входом логического элемента "3И" и непосредственно с первым входом логического элемента "2И" и S-входом первого RS-триггера. Прямой выход первого RS-триггера подсоединен к входу элемента временной задержки, а его выход - к вторым входам логических элементов"3И", "2И". Выход логического элемента "3И" подключен к входу управления выключателя. Выход логического элемента "2И" подключен к S-входу второго RS-триггера, а его инверсный выход - к третьему входу логического элемента "3И" и входу "Сброс" таймера. Выход таймера подключен к входу управления контактора. Пусковые резисторы пофазно последовательно соединены с главными цепями контактора, датчиками тока и подсоединены параллельно главным цепям выключателя
Сущность заявляемого технического предложения заключается в том, что включение трехфазного трансформатора достигнуто по схеме с пофазно последовательным включением пусковых резисторов, главных цепей контактора и датчиков, подключением их параллельно главным цепям выключателя, а также применением элементов управления, в целом обеспечивающих расширение функциональных возможностей устройства, а именно:
- выявление межвитковых замыканий в обмотках трансформатора с помощью датчиков тока и элементов управления;
- повышение быстродействия устройства за счет исключения вспомогательного трансформатора и токоограничивающих реакторов, а также оптимизации алгоритма включения трансформатора с помощью элементов управления.
На чертеже представлена функциональная схема устройства включения трехфазного трансформатора на холостой ход, где приняты следующие обозначения:
1 - выключатель с входом управления;
2 - трехфазный трансформатор;
3 - пусковые резисторы;
4 - контактор с входом управления;
5 - датчик тока;
6 - трехфазный диодный выпрямитель;
7 - пороговый элемент;
8 - инвертор;
9, 10 - логические элементы "3И","2И";
11, 12 - RS-триггеры с прямым и инверсным выходами;
13 - элемент временной задержки;
14 - таймер с входами "Пуск" и "Сброс";
15 - нагрузка.
Предлагаемое устройство безударного включения трехфазного трансформатора содержит выключатель 1, соединенный главными цепями с фазами питающей сети и обмотками трехфазного трансформатора 2, пусковые резисторы 3 и нагрузку 15. Выключатель 1 выполнен с входом управления. Введены пусковые резисторы 3, контактор с входом управления 4, датчики тока 5, трехфазный диодный выпрямитель 6, пороговый элемент 7, инвертор 8, логические элементы "3И", "2И" 9, 10, элемент временной задержки 13, первый и второй RS-триггеры 11, 12 и таймер с входами "Пуск" и "Сброс" 14. Выходы датчиков тока 5 соединены с входами трехфазного диодного выпрямителя 6, выходом соединенного с входом порогового элемента 7, выход которого соединен через инвертор 8 с первым входом логического элемента "3И" 9 и непосредственно с первым входом логического элемента "2И" 10 и S-входом первого RS-триггера 11. Прямой выход первого RS-триггера 11 подсоединен к входу элемента временной задержки 13, а его выход - к вторым входам логических элементов"3И", "2И" 9, 10. Выход логического элемента "3И" 9 подключен к входу управления выключателя 1. Выход логического элемента "2И" 10 подключен к S-входу второго RS-триггера 12, а его инверсный выход - к третьему входу логического элемента "3И" 9 и входу "Сброс" таймера 14. Выход таймера 14 подключен к входу управления контактора 4. Пусковые резисторы 3 пофазно последовательно соединены с главными цепями контактора 4, датчиками тока 5 и подсоединены параллельно главным цепям выключателя 1.
Работа устройства включения трехфазного трансформатора на холостой ход происходит следующим образом. В исходном состоянии устройства выключатель 1, контактор 4 и нагрузка 15 отключены. На выходах датчиков тока 5 отсутствуют выходные сигналы. На прямом выходе первого RS-триггера присутствует сигнал нулевого уровня, а на инверсном выходе второго - единичного уровня, разрешающий работу таймера.
Процесс включения трансформатора 2 начинается по команде "Пуск" таймера 14. Таймер 14 выдает сигнал включения контактора 4 на заданную продолжительность включенного состояния.
При включении контактора 4 напряжение питающей сети подается к первичным обмоткам трансформатора 2 через пусковые резисторы 3 и датчики тока 5. Величина тока в фазах первичной обмотки трансформатора ограничивается пусковыми резисторами 3 на уровне , где - номинальное значение тока холостого хода трансформатора 2.
H
вкл
Включение трехфазного трансформатора при одновременной подаче напряжения на три фазы в любой момент времени происходит с насыщением магнитопровода, с соответствующим многократным уменьшением индуктивного сопротивления. Наличие пусковых резисторов , где U - номинальное значение напряжения питающей сети, обеспечивает ограничение пусковых токов, ускоренное затухание апериодической составляющей в первичной обмотке трансформатора и выход магнитопровода из насыщенного состояния. Экспериментально установлено, что с пусковыми резисторами трансформатор выходит в установившийся режим работы с токами  за время не более одного периода питающей сети (t≤20 мс).
п
ср
Пусковые токи трансформатора с выхода датчиков тока 5 поступают на входы диодного выпрямителя 6, который, по своему назначению, выделяет на своем выходе модуль максимальных значений токов в первичных обмотках трансформатора. Выходной сигнал диодного выпрямителя 6 поступает на вход порогового элемента 7. Порог срабатывания порогового элемента 7 устанавливается равным  Соответственно, на этапе насыщенного состояния трансформатора I>I пороговый элемент выдает сигнал аварийного превышения уровня токов единичного уровня, который подается на первый вход логического элемента "3И" 9 через инвертор 8 в виде нулевого уровня и непосредственно на первый вход логического элемента "2И" 10 и S-вход первого RS-триггера 11. При этом исходное состояние логических элементов 9,10 не измеряется, а RS-триггер устанавливается в единичное состояние по выходу и запускает элемент временной задержки 13. Длительность временной задержки устанавливается , по истечении которой на вторых входах логических элементов "3И", "2И" появляется сигнал единичного уровня, разрешающий переключение логических элементов.
При исправном трансформаторе токи в его обмотках снижаются до уровня, близкого к номинальному току холостого хода , и на выходе порогового элемента устанавливается сигнал нулевого уровня, а на первом входе логического элемента "3И" сигнал единичного уровня. Соответственно по истечении временной задержки логический элемент "3И" переходит в единичное состояние по выходу и выдает управляющий сигнал включение выключателя 1. При этом пусковые резисторы 3 и контактор 4 шунтируются главными цепями выключателя. Шунтирование пусковых резисторов не приводит к существенному повышению напряжения на обмотках трансформатора, так как . По истечении заданного времени таймер 14 отключает контактор и возвращает устройство в исходное состояние готовности к очередному включению трансформатора.
В случае неисправности трансформатора, например по причине наличия межвитковых замыканий, снижение пусковых токов трансформатора до уровня, близкого к , не происходит. На выходе порогового элемента устройства и на первом входе логического элемента "2И" присутствует сигнал единичного уровня. По истечении временной задержки происходит срабатывание логического элемента "2И" в единичное состояние по выходу и переключение второго RS-триггера в нулевое состояние по инверсному выходу. Выходным сигналом RS-триггера производится обнуление таймера по входу "Сброс" и блокировка переключения логического элемента "3И" по третьему входу. Соответственно происходит экстренное (аварийное) отключение контактора и блокировка включения выключателя с выдачей сигнала "Авария". При этом наличие "охранного" таймера обеспечивает дополнительную защиту пусковых резисторов от перегрузки в случаях нештатной работы.
Соответственно устройство обладает расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими безопасное включение трехфазного трансформатора с максимальным быстродействием с многократным уменьшением пусковых токов. Для типовых трансформаторов кратность пускового тока при прямом включении составляет . Величина тока холостого хода . Соответственно предлагаемое устройство обеспечит снижение величины пускового тока в