УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТРАНСФОРМАТОРАХ

Полезная модель относится к области электрических машин, а именно к средствам контроля работоспособного состояния трансформаторов, и может быть использована для стендовой оценки восприимчивости трансформатора к тепловому рассеиванию энергии токов высших гармоник, непрерывного контроля температуры наиболее нагретой точки трансформатора и прогнозирования его предельной загрузки, в качестве блока корректирующего работу системы охлаждения трансформатора, информационного блока сигнализирующего или принимающего решение о необходимости разгрузки трансформатора или отключения трансформатора в результате критической перегрузки, при токах, меньших уставок защит, информационного блока регистрирующего изменение восприимчивости трансформатора к токам высших гармоник в процессе жизненного цикла и прогнозирующее на основании информационных трендов развивающиеся дефекты, информационного блока регистрирующего восприимчивость серийного трансформатора, отождествляющего парк трансформаторов с близкими параметрами (одинаковые завод, конструкция, мощность и др.), к наборам частот (уязвимость) и формирующего поправочные температурные коэффициенты для этой серии трансформаторов, информационного блока управления фильтрами высших гармоник.
Рост доли нелинейной нагрузки и как следствие увеличение несинусоидальности сетевого напряжения, делает необходимым учет влияния высших гармоник на объекты энергетики. Наиболее распространенным узлом электрических сетей является силовой трансформатор. Анализируя физику процессов, обеспечивающих преобразование напряжения из одной системы в другую, актуальным является необходимость учета эффектов, вызываемых токами высоких частот. С ростом доли высших гармоник в кривой основной частоты, проявляются процессы, сопряженные с дополнительным, тепловым рассеянием энергии: увеличением активного сопротивления в следствие скин- и эффекта близости, увеличением потерь вызванных вихревыми токами в магнитопроводе, в конструкционных узлах, пронизанных вытесненным магнитным потоком, вследствие проявления магнитной вязкости. Известны подходы к построению подобных устройств, основой которых является тепловая модель трансформатора, описанная в ГОСТ 14209-97 (85) и МЭК 60076-7 (1. Лыков А.А. Повышение эффективности работы систем электроснабжения на основе совершенствования моделей силовых трансформаторов и кабелей: автореф. дис. канд. тех. наук / КубГТУ. - Краснодар.: КубГТУ, 2007. - 24 с.; 2. Комков Е.Ю. Разработка проектно-диагностического комплекса для оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов с принудительным охлаждением: автореф. дис. канд. тех. наук / ИГЭУ. - Иваново: ИГЭУ, 2008. - 24 с.; 3. Валуйских А.О. Моделирование теплового режима трансформатора в системах управления мониторинга и диагностики / Дулькин И.Н., Филатов А.А., Цфасман Г.М. // «Электро», 2008, №1; 4. Слатинова М.Н. Обоснование рациональных режимных параметров силовых трансформаторов электропитающих систем для повышения надежности и качества их функционирования: дис. канд. тех. наук /. - Тула, 2010. - 137 с.)
Основным контролируемым параметром является температура наиболее нагретой точки трансформатора, рассчитываемая либо непрерывно, либо итерационно, с некоторым интервалом.
Структурная схема известного устройства содержит функционально подобные блоки, а именно блок нагрузки трансформатора, блок расчета постоянной времени нагрева обмотки, блок измерения температуры масла, блок автоматики управления охлаждением трансформатора, блок расчета изменения сопротивления обмотки от температуры, блок сравнения и сигнализации, блок расчета температуры обмотки (Лыков А.А. Повышение эффективности работы систем электроснабжения на основе совершенствования моделей силовых трансформаторов и кабелей: автореф. дис. канд. тех. наук / КубГТУ. - Краснодар.: КубГТУ, 2007. - 24 с.).
Известно устройство управления системой охлаждения трансформатора, содержащее ключевой блок теплового расчета трансформатора. Тепловая модель трансформатора представлена дифференциальными уравнениями динамики тепловых процессов, содержащими коэффициенты, характеризующие массогабаритные параметры трансформатора и процессы теплоотдачи (Комков Е.Ю. Разработка проектно-диагностического комплекса для оптимизации жизненного цикла силовых трансформаторов с принудительным охлаждением: автореф. дис. канд. тех. наук / ИГЭУ. - Иваново: ИГЭУ, 2008. - 24 с.).
Общим недостатком представленных выше известных устройств является то, что в их структурах нет блока расчета К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ), блока расчета температурной поправки, обеспечивающих учет влияния дополнительного нагрева от добавочных потерь.
Известно устройство, предложенное к использованию в системах диагностики и мониторинга, содержащее блок расчета температур трансформатора (Валуйских А.О. Моделирование теплового режима трансформатора в системах управления мониторинга и диагностики / Дулькин И.Н., Филатов А.А., Цфасман Г.М. // «Электро», 2008, №1).
Известное устройство помимо теплового изменения сопротивления обмотки дополнительно учитывает добавочные потери в обмотках на вихревые токи, что наделяет ее несколько большей адекватностью. Тем не менее не предусмотрено обеспечение непрерывного контроля синусоидальности и корректировку коэффициента добавочных потерь, как предложено в настоящем устройстве.
Наиболее близким по технической сущности и принятое за прототип является устройство, содержащее блок расчета температуры трансформатора (Слатинова М.Н. Обоснование рациональных режимных параметров силовых трансформаторов электропитающих систем для повышения надежности и качества их функционирования: дис. канд. тех. наук /. - Тула, 2010. - 137 с.). Особенностью этого устройства является то, что тепловая модель трансформатора учитывает дополнительный нагрев вследствие добавочных потерь, вызванных высшим гармоническим составом сетевого тока, оценены потери на вихревые токи в обмотках и прочих конструктивных элементах трансформатора.
Недостатком вышеуказанной тепловой модели является то, что она не учитывает всех процессов связанных с действием высших гармоник, к которым также необходимо отнести микротоки в магнитопроводе, непосредственно являющиеся потерями, а также вызывающие эффект магнитной вязкости, оказывающий влияние на потери короткого замыкания, изменение сопротивления вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости и др. Отметим, что указанные эффекты имеют трудноформализуемые связи как с потерями холостого хода, так и с потерями короткого замыкания, отношение которых введено в тепловую модель трансформатора известного устройства отдельным коэффициентом.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства контроля, обеспечивающего предотвращение возможных аварий.
При осуществлении полезной модели поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в ограничении недопустимых перегрузок, продлении срока эксплуатации трансформаторов, не оснащенных защитой по температуре охлаждающей среды, сокращении расходов на ремонт и энергосбережении.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве контроля добавочных потерь электроэнергии в трансформаторах, содержащим объект контроля - трансформатор, новым является то, что оно содержит датчик температуры окружающей среды, датчик тока, подключенный к объекту контроля, соединенные с блоком аналого-цифрового преобразователя, который в свою очередь соединен непосредственно с блоком расчета и анализа основных показателей, с блоком расчета интегральных показателей и с блоком расчета К-фактора сети, соединенный с блоком расчета температурной поправки, при этом к входу блока расчета интегральных показателей подключен блок базы данных, а к входу блока расчета температурной поправки подключен блок базы данных, подключенный к входу блока расчета и анализа основных показателей, подключенный к блоку графической интерпретации и сигнализации, к блоку управления, к блоку знаний, подключенного к блоку данных. Кроме того, дополнительно устройство снабжено датчиком температуры, установленным на трансформаторе, соединенным с блоком аналого-цифрового преобразователя.
Новым в предлагаемом устройстве является наличие блока непрерывного контроля К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ), характеризующего гармонический вклад в сетевой ток, блока расчета температурной поправки, подбирающего коэффициент добавочных потерь, введенный в тепловую модель трансформатора, а также блока базы знаний, накапливающего опыт и производящего корректировку поправочного коэффициента и параметров тепловой модели трансформатора на основании измерений температуры трансформатора. Накопленные знания, представляющие собой соответствия значениям К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ), значений температурной поправки, могут быть использованы для контроля серийных трансформаторов, имеющих близкие параметры (к примеру, одинаковые: мощность, исполнение, производитель и т.д.).
Зависимости поправочного коэффициента от К-фактора сети (или иного показателя ЭЭ) могут быть получены и иными способами, к примеру, можно установить связь температуры трансформатора, измеренной тепловизором, с ретроспективными данными изменения К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ). Зависимость в этом случае можно получить в результате анализа достаточного объема накопленной информации.
Устройство, контролируя гармонический состав сетевого напряжения, оценивает добавочные потери, по которым рассчитывает ожидаемый температурный режим и предупреждает перегрев, вызывающий ускоренное старение изоляции, и как следствие увеличенные расходы на обслуживание, возможный аварийный выход из строя трансформатора. В результате оценки добавочных потерь устройство может сигнализировать о тепловой перегрузке, ограничивать основную электрическую нагрузку, подавать сигнал на отключение. Анализируя гармонический состав сетевого напряжения, устройство формирует сигнал, который может быть использован для управления фильтром, в случае его применения в связке с устройством. Скоординированная работа устройства и фильтра, в случае его совместного применения, повышает качество сетевого напряжения, снижает потери электроэнергии в электроустановках.
На фиг. представлена принципиальная схема устройства.
Устройство для контроля объекта - трансформатора содержит датчик температуры окружающей среды (ДТВ) 1, датчик температуры трансформатора (ДТТ) 2, датчик тока (ДТ) 3, соединенные с блоком аналого-цифрового преобразователя (БАЦП) 4, который в свою очередь соединен непосредственно с блоком расчета и анализа основных показателей (БРАОП) 5, блок 4 соединен последовательно с блоком 5 через блок расчета интегральных показателей (БРИП) 6, блок 4 соединен с блоком 5 последовательно через блок расчета К-фактора сети (БРКФС) 7 и блок расчета температурной поправки (БРТП) 8. К входу блока 6, помимо блока 4, подключен блок базы данных (БД) 9. К входу блока 8, помимо блока 7, подключен блок базы данных (БД) 9, блок 9 последовательно подключен к входу блока 5. Блок 5 последовательно подключен к блоку графической интерпретации и сигнализации (БГИС) 10, также последовательно подключен к блоку управления (БУ) 11, к блоку знаний (БЗ) 12. Блок 12 последовательно подключен к блоку 9.
Датчики ДТ 3, ДТТ 2, ДТВ 1 представляют собой устройства, преобразующие измеряемые величины в электрический сигнал, для последующей передачи в БАЦП 4, а именно термоэлектрический датчик ДТВ 1 - температуру окружающего воздуха, термоэлектрический датчик ДТТ 2 - температуру трансформатора, индукционный датчик ДТ 3 - мгновенные значения тока.
Блок БАЦП 4 представляет собой аналогово-цифровой преобразователь.
Блок БРИП 6 представляет собой контроллер, организующий математический модуль для осуществления расчета эквивалентного значения коэффициента нагрузки, действующего значения нагрузочных токов, средних значений температур.
Блок БРКФС 7 представляет собой контролер, организующий математический модуль для расчета К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ).
Блок БРТП 8 представляет собой контролер, организующий математический модуль для осуществления вычислений поправочного температурного коэффициента на основании рассчитанного значения К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ).
Блок БД 9 представляет собой накопитель цифровой информации, организующий базу данных, содержащую необходимые параметры трансформатора и необходимые соотношения для анализа его режима работы.
Блок БРАОП 5 представляет собой контролер, организующий математический модуль для расчета температур, предельно допустимых значений коэффициента нагрузки трансформатора.
Блок БЗ 12 представляет собой контролер, организующий математический модуль, осуществляющий уточнение параметров тепловой модели трансформатора, расчет связей между К-фактором сети и температурной поправкой, а также перезапись их в блоке БД 9.
Блок БГИС 10 представляет собой контроллер, формирующий, в случае подключения к нему табло сигнализации или монитора, сигнал, интерпретирующий значения контролируемых параметров.
Блок БУ 11 представляет собой контроллер, формирующий сигналы управления нагрузкой, нагнетателями системы охлаждения, фильтрами высших гармоник.
Блоки устройства связаны между собой шинами передачи информации (на фиг. показано).
Блок БРКФС 7 представляет собой контроллер, осуществляющий расчет К-фактора напряжения сети по формуле (1).
(1)
h
где m - число отслеживаемых устройством гармоник в сети, h - порядковый номер гармоники, i - среднеквадратичное значение тока гармоники с номером h.
Устройство работает следующим образом.
м
об
Непрерывные сигналы, снимаемые с датчиков, оцифровываются блоком аналого-цифрового преобразователя БАЦП 4. Массивы мгновенных значений обрабатываются блоком БРИП 6, производящим расчет интегральных параметров для тепловой модели трансформатора, содержащейся в блоке БРАОП 5, а именно: коэффициента нагрузки К (о.е.), среднее значение температуры охлаждающей среды  (°C) и блоком БРКФС 7, производящим расчет К-фактора сети (о.е.), необходимого для расчета блоком БРТП 8 поправочного температурного коэффициента Ψ (о.е.). С блоков БРИП 6, БРТП 8, БАЦП 4, БД 9 среднее значение температуры охлаждающей среды  (°C), коэффициент нагрузки К (о.е.) (БРИП 6), отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода трансформатора d (о.е.), номинальное значение превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды  (°C), номинальное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях  (°C), постоянная времени масла τ (мин.), постоянная времени обмотки τ (мин.), показатель степени обмотки y (о.е.), показатель степени масла x (о.е.) (БД 9), поправочный коэффициент Ψ (о.е.) (БРКФС 7) поступают на блок БРАОП 5, производящий непрерывный расчет температуры наиболее нагретой точки обмотки и сравнение ее с предельным значением, а также экстраполирующий предельный график нагрузки трансформатора.
Расчет температуры наиболее нагретой точки трансформатора (ННТ) представлен ниже.
С блока БРАОП 5 информация о текущих значениях показателей передается на блок БГИС 10, формирующий сигнал, в случае подключения к устройству табло сигнализации или монитора, интерпретирующий значения контролируемых параметров, и блок управления (БУ 11) формирующий управляющие сигналы системам охлаждения, фильтрации, регулирования нагрузки, коммутационным аппаратам. В процессе работы, устройство, оснащенное каналом измерения температуры трансформатора, производит корректировку параметров тепловой математической модели трансформатора, организованной в блоке БРАОП 5, и перезаписывает значения в базу данных, организованную в блоке БД 9. С целью удешевления устройства, каналом измерения температуры (ДТТ 2) могут оснащаться только те трансформаторы, для которых не известны поправочные температурные коэффициенты, соответствующие значениям К-фактора сети (или иного показателя качества ЭЭ). Данные, накопленные устройством, подключенным к серийному трансформатору, можно распространять на устройства, контролирующие работу трансформаторов той же серии и близкими параметрами. При этом оснащение устройства каналом измерения температуры трансформатора не обязательно.
Температуру наиболее нагретой точки трансформатора в блоке БРАОП 5 для режима увеличения нагрузки определяют следующим образом.
n+1
n
об
Температуру ННТ в тепловом режиме повышения температуры рассчитываем с интервалом Δt=t-t=4τ (мин.) по следующим формулам:
,                                                             (2)
где  - средняя температура окружающей среды (°C) за период Δt (мин.) вычисляемая по формуле (°C):
(3)
где  - превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) к концу расчетного интервала времени вычисляемое по формуле (°C):
(4)
где  - установившееся превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) в предшествующем расчетном интервале времени,
n+1
- расчетное превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) в установившемся режиме с эквивалентным коэффициентом нагрузки К рассчитываемое по формуле (°C):
(5)
n+1
где К - эквивалентное значение коэффициента нагрузки на расчетном интервале времени рассчитываемое как среднее арифметическое от начального и конечного значений коэффициентов нагрузки (о.е.), - номинальное значение превышения температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C), d - отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода трансформатора (о.е.), x - показатель степени масла (о.е.).
τ - тепловая постоянная времени трансформатора (мин.);
- превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) к концу текущего расчетного интервала времени вычисляемое по формуле (°C):
(6)
где  - установившееся значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) в предшествующем расчетном интервале времени,
n+1
- расчетное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) в установившемся режиме с эквивалентным коэффициентом нагрузки К рассчитываемое по формуле (°C):
(7)
где  - номинальное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C), y - показатель степени обмотки (о.е.);
Ψ - поправочный коэффициент, учитывающий добавочные потери при соответствующем значении К-фактора сети (о.е.).
Температуру наиболее нагретой точки трансформатора в блоке БРАОП 5 для режима снижения нагрузки определяют следующим образом.
n+1
n
об
Температуру ННТ в тепловом режиме снижения температуры рассчитываем с интервалом Δt=t-t=4τ (мин.), по следующим формулам (°C):
(8)
где  - средняя температура окружающей среды (°C) за период Δt вычисляемая по формуле (°C):
(9)
где  - превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) к концу расчетного интервала времени вычисляемое по формуле (°C):
(10)
где  - установившееся превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) в предшествующем расчетном интервале времени,
n+1
- расчетное превышение температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C) в установившемся режиме с эквивалентным коэффициентом нагрузки K рассчитываемое по формуле (°C):
,                                                                                 (11)
n+1
где К - эквивалентное значение коэффициента нагрузки на расчетном интервале времени рассчитываемое как среднее арифметическое от начального и конечного значений коэффициентов нагрузки (о.е.), - номинальное значение превышения температуры масла в верхних слоях над температурой окружающей среды (°C), d - отношение потерь короткого замыкания к потерям холостого хода трансформатора (о.е.), x - показатель степени масла (о.е.), τ - тепловая постоянная времени трансформатора (мин.);
- превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) к концу текущего расчетного интервала времени вычисляемое по формуле (°C):
(12)
где  - установившееся превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) в предшествующем расчетном интервале времени,
n+1
- расчетное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C) в установившемся режиме с эквивалентным коэффициентом нагрузки K рассчитываемое по формуле (°C):
(13)
где  - номинальное значение превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях (°C), y - показатель степени обмотки (о.е.);
Ψ - поправочный коэффициент, учитывающий добавочные потери при соответствующем значении К-фактора сети (о.е.).
Таким образом, заявляемое устройство, контролируя гармонический состав сетевого напряжения, оценивает добавочные потери, рассчитывает ожидаемый температурный режим и предупреждает перегрев, вызывающий ускоренное старение изоляции, и как следствие увеличенные расходы на обслуживание, возможный аварийный выход из строя трансформатора. Устройство формирует сигнал, который может быть использован для управления фильтром, в случае его применения в связке с устройством. Скоординированная работа устройства и фильтра, в случае его совместного применения, повышает качество сетевого напряжения, снижает потери электроэнергии в электроустановках.