УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ВНУТРЕННИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
INTERNAL DAMAGE PROTECTION DEVICE FOR POWER TRANSFORMERS

Заявляемое изобретение относится к области электрифицированных железных дорог, и может быть использовано для защиты оборудования тяговых подстанций, а также для нетяговых потребителей.
Для силовых трансформаторов тяговых подстанций переменного тока известна проблема определения внутренних повреждений с целью отключения силового трансформатора при минимальных внутренних повреждениях.
Известен способ защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений [Пат. №2710023 Российская Федерация, Способ защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений / Н.П. Григорьев, Б.Е. Дынькин, А.П. Парфианович, П.Н. Трофимович; заявитель и патентообладатель АНО «Университет», заявка №2018118911 заявл. 22.05.2018; опубл; 24.12.2019, Бюл. №33].
Способ защиты от внутренних повреждений силового трансформатора включающий силовой трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), датчики тока и напряжения и устройство РЗА.
Способ защиты от внутренних повреждений силового трансформатора заключается в следующем.
Способ защиты от внутренних напряжений силового трансформатора основан на анализе небаланса мощности, в котором предусматривается определение небаланса потребления мощности по вводам обмоток высшего и расхода по обмоткам тягового и районного напряжений и потери мощности в меди и стали расчетом при этом мощности определяются по значениям, которые измеряются трансформаторами тока и трансформаторами напряжения. При значении небаланса мощности, менее предварительно принятой уставки, отключение трансформатора не происходит. Силовой трансформатор отключается в случае превышения значения уставки.
Достоинством способа определения внутренних повреждений силового трансформатора на основе определения небаланса мощности по вводам обмоток высшего и расхода по обмоткам тягового и районного напряжений с учетом потерь мощности в стали и меди.
Недостатком известного решения является не учет температуры обмоток силового трансформатора, которая влияет на сопротивления обмоток, что может приводить к погрешности при определении действительных потерь мощности в меди
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока [Бей Ю.М. Тяговые подстанции / Ю.М. Бей, P.P. Мамошин, В.Н. Пупынин / учебник для вузов ж-д транспорта. - Москва: Транспорт, 1986 - 319 с.; Фигурнов Е.П. Релейная защита / Е.П. Фигурнов / учебник. В 2 ч. Ч. 1. 3-е изд., перераб. и доп.-Москва: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. - 415 с].
Устройство защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) силового трансформатора тяговой подстанции переменного тока содержит силовой трансформатор с устройством РПН, датчики тока, устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) и высоковольтные выключатели.
Силовой трансформатор с устройством РПН соединен каналами связи с высоковольтными выключателями и датчиками тока.
Датчики тока каналами связи подключены к РЗА.
Устройство защиты работает следующим образом.
По обмоткам силового трансформатора с устройством РПН при включенных выключателях протекают токи нагрузок, которые фиксируются датчиками тока. Устройство РЗА анализирует токи обмоток силового трансформатора с устройством РПН при внутренних повреждениях силового трансформатора, которые поступают от датчиков тока. При небалансе токов (сумма токов меньше уставки) отключение трансформатора не происходит. При внутреннем повреждении трансформатора (например, повреждение изоляции одной из обмоток) возрастает ток обмоток высшего напряжения и возникает небаланс токов. Устройство РЗА подает сигнал на высоковольтные выключатели по каналам связи для их отключения при превышении принятой уставки по небалансу токов для отключения напряжения с поврежденного силового трансформатора с устройством РПН.
Достоинство устройства защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита): защита может срабатывать до появления газообразования и (или) потока масла и (или) газа через газовое реле. Отключение происходит без выдержки времени, что позволяет исключить дальнейшее разрушение трансформатора и снижает ущерб от последствий повреждения трансформатора.
Недостаток защиты от внутренних повреждений (дифференциальная защита) заключается в том, что токи вводов тягового напряжения распределяются в обмотках, в соотношении 2/3 тока «своего» плеча и -1/3 тока «чужого» плеча при этом не учитываются токи от потерь мощности в меди и стали.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства защиты силового трансформатора при внутренних повреждениях которая позволяет определять на ранней стадии внутреннее повреждение, что снижает вероятность ложного срабатывания (несрабатывания) релейной защиты на основании анализа небаланса мощности при реальных условиях, и предотвращает тяжелые последствия и снижают ущерб от внутренних повреждениях силового трансформатора.
Для решения поставленной задачи устройство защиты силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока от внутренних повреждений содержащее силовой трансформатор с устройством РПН, высоковольтные выключатели, датчики тока и напряжения, измеряющие ток и напряжение вводов обмотках высшего, тягового и районного напряжения, при этом силовой трансформатор с устройством РПН соединен каналами связи с высоковольтными выключателями, датчиками тока и напряжения и отличается тем, что устройство дополнительно снабжено датчиком температуры обмоток, блоком определения потерь мощности в трансформаторе с учетом температуры обмоток, блоком определения мощности вводов обмоток высшего, тягового и районного напряжения, блоком определения небаланса мощностей, высоковольтными выключателями и блоком диагностики работоспособности силового трансформатора, которые связаны каналами связи с трансформаторами тока, трансформаторами напряжения и высоковольтными выключателями.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
*
сз
Благодаря отличительным признакам заявляемое устройство от внутренних повреждений в силовом трансформаторе тяговых подстанций позволяет снизить погрешность в определении на ранней стадии внутренних повреждений на основе небаланса мощности нарушение работы (равного или превышающего значение срабатывания защиты ΔР *>АР).
*
вн
TH
PH
ΔР=Р-(P+P+ΔР)
BH
TH
PH
P, P, P мощность вводов высшего, тягового и районного напряжения;
ΔР - мощность потерь в трансформаторе.
Это обусловлено тем, что при синхронном измерении показателей работы силового трансформатора повышается точность определения работоспособности силового трансформатора.
Неожиданным результатом является то, что постоянный контроль небаланса мощностей силового трансформатора обеспечивает определение
условий, при которых выполнение внепланового ремонта восстанавливает работоспособность силового трансформатора.
*
*
сз
норм
норм
сз
Эффект неожиданности заключается в том, что небаланс мощности (ΔР) менее значения срабатывания защиты (ΔР) и превышает нормируемое значение (ΔР) для определенных условий (ΔР ≤Δ Р ≤ ΔР) (например, превышение выше нормируемого значения влажности трансформаторного масла) обеспечивает получение информации о необходимости выполнение ремонта силового трансформатора (например, сушка масла).
Устройство защиты от внутренних повреждений силового трансформатора тяговых подстанций переменного тока иллюстрируется чертежом.
На фиг.1 представлен силовой трансформатор с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) 1, датчики тока 2, датчики напряжения 3, блоки определения мощности вводов обмоток 4, датчик температуры обмоток 5, блок определения потерь мощности в силовом трансформаторе 6, блок определения баланса мощности 7, высоковольтные выключатели 8 и блок диагностики технического состояния силового трансформатора 9.
Силовой трансформатор с устройством РПН 1 соединены каналами связи датчиками тока 2, напряжения 3, температуры обмоток 5 и высоковольтными выключателями 8.
Датчики тока 2 и напряжения 3 подключены к блоку определения мощности вводов обмоток 4 каналами связи.
Датчики тока 2, напряжения 3 и температуры обмоток 5 соединены каналами связи с блоком определения потерь мощности в трансформаторе 6.
Блок определения мощности 4 и блок определения потерь мощности 6 в силовом трансформаторе с РПН подключены к блоку определения баланса мощности 7 каналами связи.
Высоковольтные выключатели 8 соединены с блоком определения баланса мощностей 7.
Блок определения баланса мощностей 7 каналами связи подключен к блоку диагностики работоспособности силового трансформатора 9.
Устройство защиты от внутренних повреждений силовых трансформаторов следующим образом.
По вводам обмоток силового трансформатора с устройством РПН 1 при включенных выключателях 8 протекают токи нагрузок, которые фиксируются датчиками тока 2 во времени. Напряжение вводов высшего, среднего и низшего напряжения контролируется датчиками напряжения 3 во времени. По каналам связи значения токов вводов и напряжения поступают в блок определения мощностей вводов обмоток 4 высшего, тягового и районного напряжения силового. В блоке определения потерь мощности в трансформаторе 6 определяются сопротивления обмоток с учетом действительного температурного коэффициента по датчику температуры 5, и ступени РПН, определяющей коэффициент трансформации силового трансформатора с устройством РПН 1.
Теоретическое обоснование определения потерь мощности в силовых трансформаторах с устройством РПН 1 тяговых подстанций приведено ниже.
Рассмотрим расчетную схему токов и напряжений силового трансформатора тяговых подстанций на фиг. 2.
1
2
Несимметричную систему векторов напряжения  обмоток АХ, BY и CZ получим в виде суммы симметричных систем напряжений прямой (U) и обратной (U) последовательности.
D
D
Л
П
На фиг. 2 обозначены токи обмоток высшего напряжения (), тягового напряжения () и токи районных обмоток (). Токи левого и правого плеча питания () ориентированы относительно напряжений плеч (). Операторы поворота напряжения плеч (, ) учитывают вектор напряжения в фазных координатах.
ст1
ст2
Действительные потери мощности в стали от напряжения прямой ΔР и обратной АР последовательности определим по формуле
Потери мощности в стали от напряжения прямой последовательности определим по формуле
ном
где U - номинальное напряжение обмотки трансформатора, кВ;
xx
ΔP - потери холостого хода тягового трансформатора, кВт.
Потери мощности в стали от напряжения обратной последовательности определим по формуле
Определение потерь мощности в стали с учетом несимметрии напряжений повышает точность расчета до 30%.
Потери мощности в меди тяговых трансформаторов определим суммой потерь на активных сопротивлениях обмоток высшего, тягового и районного напряжений для каждой фазы по токам плеч питания тяговых нагрузок и мощности районных нагрузок
В
Нагрузочные потери мощности в обмотках высшего напряжения (ΔР) определим по формуле
AX
BY
CZ
где I, I, I - модуль токов обмоток высшего напряжения АХ, BY и CZ, А, соответственно;
B
R - активное сопротивление обмоток высшего напряжения с учетом температуры обмоток и ступени РПН, Ом.
Действительное активное сопротивление обмотки высшего напряжения тягового трансформатора, с учетом температуры и ступени РПН определим по формуле
B20
где R - номинальное активное сопротивление обмоток высшего напряжения, Ом;
B20
ΔR - приращение сопротивления обмотки высшего напряжения, с учетом ступени РПН;
α - температурный коэффициент сопротивления;
обм
_
t температура обмоток, °С.
При изменении температуры обмоток тягового трансформатора в диапазоне от -40°С (момент включения трансформатора при температуре окружающей среды - 40°С) до +70°С расчет нагрузочных потерь без учета температурного коэффициента сопротивления дает погрешность до 27%.
Модули токов обмоток АХ, BY и CZ высшего напряжения трансформатора определим по формулам:
где  - токи тяговых обмоток;
D
D
D
AX,
BY,
CZ
р
р
p
p
p
p
- операторы поворота напряжения обмоток ах, by и czрайонных нагрузок соответственно;
- ток районной нагрузки;
T
P
n, n - действительные коэффициенты трансформации обмоток высшего и тягового, высшего и районного напряжения соответственно.
Тном
Рном
T
P
Действительные коэффициенты трансформации определим по нижеследующим формулам, с учетом номинального коэффициента обмоток высшего и тягового напряжения n, обмоток высшего и районного напряжения n и ступени РПН (Δn, Δn):
Токи тяговых обмоток ах, by и cz определим через токи плеч и операторы поворота напряжения плеч питания:
где  - токи левого и правого плеч питания, А, соответственно;
D
D
Л
П
,  - операторы поворота напряжения левого и правого плеч питания в фазных координатах;
Пах
Лах
Псz
Псz
α, α, α, α - коэффициенты распределения токов плеч в обмотках трансформатора.
Определение потерь мощности в меди с учетом несимметрии токов в обмотках повышает точность расчета до 50%.
Ток районной нагрузки определим по формуле
P
P
где P, Q - активная и реактивная мощность районной нагрузки, кВт и кВАр;
P
U - напряжение районной нагрузки, кВ;
cx
k=3 при схеме соединения обмоток районного напряжения в "треугольник";
при схеме соединения обмоток районного напряжения в "звезду".
Т
Потери мощности в обмотках тягового напряжения (ΔР) определим по формуле
ax
by
cz
где I, I, I, - модули токов тяговых обмоток трансформатора, А;
T
R - активное сопротивление обмоток тягового напряжения с учетом температуры обмоток, Ом.
Действительное сопротивление тяговой обмотки, с учетом температуры, рассчитывается по формуле
T20
где R - номинальное активное сопротивление обмоток тягового напряжения, Ом.
Р
Потери мощности в обмотках районного напряжения (ΔР) определим по формуле
P
где R - действительное сопротивление районной обмотки с учетом температуры и ступени РПН и ПБВ, Ом, которое рассчитаем по формуле
P20
где R - номинальное активное сопротивление обмоток районной нагрузки, Ом;
P20
ΔR - приращение сопротивления районной обмотки, с учетом ступени регулирования напряжения.
Суммарные потери мощности тягового трансформатора определим по формуле
СЗ
СЗ
Далее в блоке определения баланса мощностей 7 определяется небаланс (превышение нормируемых) действительными потерями мощности в трансформаторе по действительным условиям работы, который сравнивается с уставкой срабатывания защиты (ΔР). Превышение отклонения суммарных потерь действительных потерь (ΔР) приводит к отключению высоковольтных выключателей 8 по команде от блока определения баланса мощности 7.
В блоке диагностики работоспособности силового трансформатора 9 определяется превышение нормируемых по условиям работы показателей работы силового трансформатора с устройством РПН 1 с целью определения время, по истечении которого целесообразно принимать меры направленные на восстановление работоспособности.