Способ контроля ресурса электрической изоляции трансформатора
METHOD OF MONITORING THE OPERATING LIFE OF ELECTRICAL ISOLATION OF A TRANSFORMER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для контроля ресурса электрической изоляции сухих силовых трансформаторов.
п
н
Известны способы контроля ресурса электрической изоляции трансформатора, при которых измеряют температуру θ наиболее нагретой точки трансформатора, вычисляют износ по формуле , где t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, и рассчитывают остаточный ресурс (Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Горобец А.В., Коваленко А.Н. Опытный образец микропроцессорного счетчика ресурса силовых трансформаторов / Известия вузов. Электромеханика, 2013, №1. - С. 68-70; АС СССР 2041496, МПК G06F 7/18, 1991; Патент РФ №2384879, МПК G06F 17/18, 2010).
Известные способы обеспечивают контроль ресурса электрической изоляции трансформатора на основе учета теплового износа. При этом не учитываются важные составляющие износа, обусловленные термомеханическим и вибрационным разрушением изоляции.
Следовательно, недостатком известных способов является низкая точность контроля ресурса изоляции.
п
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ контроля ресурса электрической изоляции трансформатора, при котором измеряют температуру θ наиболее нагретой точки трансформатора, определяют количество n циклов «нагревание-охлаждение» с перепадом температуры более Δθ, и рассчитывают остаточный ресурс по формуле:
,
0
1
2
н
н
где Т - номинальный ресурс изоляции трансформатора, k и k - весовые коэффициенты, равные расчетным коэффициентам ресурсного износа изоляции трансформатора; t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, Δθ=αθ; α - коэффициент, зависящий от материалов обмоток и изоляции (Патент РФ №2559785, МПК G01R 31/00; H01F 41/12, 2015).
При реализации известного способа во время работы трансформатора непрерывно производится вычисление значения остаточного ресурса и его сравнение с предельным значением, при достижении которого формируется контрольный сигнал. Одним из наиболее опасных дефектов в трансформаторах является деформация обмоток. Появление деформации обуславливается воздействием токов короткого замыкания при условии снижения электродинамической стойкости обмоток за счет снижения усилия прессовки. Снижение усилия прессовки происходит в процессе эксплуатации из-за вибрации, динамических нагрузок и деструкции твердой изоляции. Известный способ обеспечивает контроль ресурса трансформатора на основе учета теплового и термомеханического износа изоляции. При этом не учитывается важная составляющая износа, обусловленная разрушением изоляции за счет действия вибрации. Так как коэффициенты линейного расширения проводников и изоляции не совпадают, то при многократном повторении цикла «нагревание-охлаждение» в изоляции образуются трещины, расслоения и другие механические повреждения, сопровождаемые резким снижением электрических параметров.
Таким образом, недостатком известного способа является низкая точность контроля ресурса изоляции.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности контроля ресурса изоляции трансформатора.
п
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля ресурса электрической изоляции трансформатора, при котором измеряют температуру θ наиболее нагретой точки трансформатора, определяют количество n циклов «нагревание-охлаждение» с перепадом температуры более Δθ, и рассчитывают остаточный ресурс, дополнительно измеряют амплитуду вибраций трансформатора x и определяют остаточный ресурс по формуле:
,
0
н
1
2
3
где Т - номинальный ресурс изоляции трансформатора, t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, k, k и k - весовые коэффициенты, равные расчетным коэффициентам ресурсного износа электрической изоляции трансформатора, а перепад температуры в цикле «нагревание - охлаждение» вычисляют по формуле , где α - коэффициент, зависящий от материалов обмоток и изоляции.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:
- измеряют амплитуду вибраций трансформатора x;
- вычисляют перепад температуры в цикле «нагревание-охлаждение» по формуле , где α - коэффициент, зависящий от материалов обмоток и изоляции;
- определяют остаточный ресурс по формуле:
,
0
н
1
2
3
где T - номинальный ресурс изоляции трансформатора, t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, k, k и k - весовые коэффициенты, равные расчетным коэффициентам ресурсного износа электрической изоляции трансформатора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
По каждому из отличительных признаков проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики, контроля и диагностики.
Операция измерения амплитуды вибраций х трансформатора используется в известных технических решениях (Русов В.А., Софьина Н.Н. Вибрационное обследование и диагностика состояний силовых трансформаторов // Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования. Выпуск 11. - СПб.: ПЭИПК, 2000. - С. 38-53) с целью вибрационной диагностики усилия прессовки.
Операция вычисления перепада температуры в цикле «нагревание - охлаждение» по формуле , где α - коэффициент, зависящий от материалов обмоток и изоляции, в известных способах аналогичного назначения не обнаружена.
Операция определения остаточного ресурса по формуле:
,
0
н
1
2
3
где Т - номинальный ресурс изоляции трансформатора, t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, k, k и k - весовые коэффициенты, равные расчетным коэффициентам ресурсного износа электрической изоляции трансформатора, в известных способах аналогичного назначения не обнаружена.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
н
При реализации предлагаемого технического решения обеспечивается повышение точности контроля ресурса трансформатора путем учета влияния вибрации на тепловое старения изоляции и ее термомеханический износ. Оценивание термомеханического износа осуществляется путем подсчета количества циклов «нагревание-охлаждение» с перепадом температуры более Δθ=αθ, которые происходят при включениях трансформатора или подключениях нагрузок. При нагреве происходит тепловая деформация проводящих элементов и изоляции. Так как материалы изоляции и проводников имеют разные температурные коэффициенты линейного расширения, то деформация вызывает механическую нагрузку на изоляцию. Особенно неблагоприятное влияние на изоляцию оказывают многократные циклы «нагревание - охлаждение», например, при частых включениях, в условиях действия вибрации. Учет влияния вибрации на температурный и термомеханический износ изоляции позволяет повысить точность контроля ресурса трансформатора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
Сущность предлагаемого способа контроля ресурса изоляции силового трансформатора поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема системы контроля ресурса изоляции силового трансформатора. На чертеже обозначено: 1 - автоматический выключатель, содержащий силовые контакты 2 и блок-контакт 3, предназначенный для идентификации включенного состояния трансформатора, 4 - трансформатор; 5 - датчик температуры наиболее нагретой точки трансформатора, 6 - датчик амплитуды вибрации; 7 - нагрузка трансформатора; 8 - контроллер, 9 - шина данных, 10 - промышленный компьютер, 11 - монитор.
Работа устройства контроля ресурса электрической изоляции трансформатора происходит следующим образом. Сигналы с датчика температуры наиболее нагретой точки трансформатора 5, датчика амплитуды вибрации 6 и блок-контакта 3 автоматического выключателя 1 поступают на входы контроллера 8. Контроллер 8 выполняет следующие функции:
- определение включенного состояния трансформатора 4 при замкнутых контактах 3;
- аналого-цифровое преобразование сигнала с датчика температуры 5;
- аналого-цифровое преобразование сигнала с датчика амплитуды вибрации 6;
- вычисление текущего значения перепада температуры по формуле ;
- регистрация и хранение данных о температуре и уровне вибрации;
- обработка зарегистрированных данных, определение минимальных и максимальных значений температуры;
- подсчет количества n циклов «нагревание-охлаждение» с перепадом температуры более ;
- вычисление полного времени работы (включенного состояния) трансформатора;
- вычисление остаточного ресурса изоляции обмоток трансформатора по формуле
.
Данные о полном времени работы t и величине остаточного ресурса Т по шине 9 передаются в компьютер 10 для регистрации и хранения и отображаются с помощью монитора 11.
п
На фиг. 2 показаны диаграммы изменения температуры θ наиболее нагретой точки трансформатора, амплитуды вибрации x, изменения перепада температуры  и подсчета циклов «нагревание-охлаждение», при которых перепад температуры превышает .
п
Таким образом, использование в известном способе контроля ресурса электрической изоляции трансформатора, при котором измеряют температуру θ наиболее нагретой точки трансформатора, определяют количество n циклов «нагревание - охлаждение» с перепадом температуры более Δθ, и рассчитывают остаточный ресурс, дополнительно измерения амплитуды вибраций трансформатора x и определения остаточного ресурса по формуле:
,
0
н
1
2
3
где Т - номинальный ресурс изоляции трансформатора, t - время включенного состояния; μ=0,116 - коэффициент пропорциональности, характеризующий температурный износ; θ - номинальная температура, k, k и k - весовые коэффициенты, равные расчетным коэффициентам ресурсного износа электрической изоляции трансформатора, а перепад температуры в цикле «нагревание-охлаждение» вычисляют по формуле , где α - коэффициент, зависящий от материалов обмоток и изоляции, позволяет повысить точность контроля ресурса изоляции трансформатора.
Использование предлагаемого способа при автоматизированном контроле и диагностике трансформаторов, будет способствовать повышению надежности и качества работы электрооборудования.