СТАЦИОНАРНОЕ УСТРОЙСТВО МОНИТОРИНГА, ДИАГНОСТИКИ И ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ИХ ОТ НАГРУЗКИ

Настоящая полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для оперативного мониторинга, диагностики, защиты обмоток силовых трансформаторов по ряду параметров, таких как температура наиболее нагретой точки изоляции обмотки, сопротивление изоляции, увлажненность изоляции в процессе эксплуатации без отключения их от сети и нагрузки.
Из существующего уровня техники известно изобретение (патент RU №2392684) для контроля качества бумажной изоляции трансформатора, которое заключается в передаче с помощью оптико-волоконных кабелей фотоизображения от изоляции трансформатора для определения ее координат цветности и вычислении степени полимеризации. Оценку степени полимеризации производят применительно к бумажной изоляции трансформатора без отключения трансформатора, используя методы неразрушающего контроля. Степень полимеризации бумажной изоляции вычисляют путем определения координат цветности x и y и их зависимости от степени полимеризации. Недостатки данного изобретения следующие: трансформация оптического сигнала в электронный сигнал крайне дорогостоящая процедура (до 10% от стоимости трансформатора), стоимость и сложность изготовления датчиков очень высокая, датчики не позволяют выявить поврежденную секцию обмотки и вид повреждения ее изоляции.
Известно устройство (патент RU 2393494) непрерывного контроля сигнала частичных разрядов в изоляции трехфазных высоковольтных аппаратов в условиях эксплуатации. Данное устройство используется для измерения сигналов частичных разрядов (ЧР) в электрической изоляции трехфазных высоковольтных аппаратов под рабочим напряжением с целью диагностики возникновения дефектов изоляции. Сущность заключается в том, что в качестве датчика-приемника сигналов ЧР использована активная часть трехфазного высоковольтного аппарата. При этом измерение сигналов ЧР производится одновременно на всех трех фазах высоковольтного аппарата в общей точке активной части этого аппарата с использованием низковольтных измерительных трансформаторов напряжения, соединенных по схеме разомкнутого треугольника. Данный метод имеет ряд недостатков, связанных с различными помехами, уровень которых при работающих трансформаторах очень высок. Приборы для измерения ЧР не обеспечивают должного уровня выделения сигналов ЧР из помех, из-за этого не обеспечивается надежность определения дефектов изоляции в реальных условиях. Приборы контроля не позволяют регистрировать амплитудно-фазовые распределения сигналов ЧР, а без этого определение дефектов изоляции практически невозможно.
Известен патент CN №101726514 в котором описан метод оценки влагосодержания изоляции. Сущность заключается в том, что влагосодержание оценивается по поляризованной кривой спектра, которая строится на основании возвратного напряжения. Недостатки данного метода в том, что не возможно точно определить влагосодержание определенных частей изоляции, существует сильная зависимость результатов измерений от физико-химических показателей масла, которое несет в себе погрешность из-за продуктов разложения масла и твердой изоляции.
Цель полезной модели - разработка более надежного и эффективного способа мониторинга, диагностики сопротивления изоляции, температуры наиболее нагретых точек обмотки, увлажненности изоляции обмоток трансформатора в процессе его работы, вне зависимости от его конструктивных особенностей и обеспечение непрерывной защиты трансформатора в процессе эксплуатации и оперативным его отключением от сети в случае начала возникновения деформаций обмоток трансформатора или их повреждения, а так же рационального использования систем охлаждения трансформатора.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство мониторинга, диагностики, защиты трансформаторов от деформаций обмоток и повреждения (ухудшения свойств) изоляции обмоток, увлажненности изоляции, расчета температуры наиболее нагретых точек изоляции обмотки без отключения их (трансформаторов) от питающей сети и нагрузки, характеризующееся тем, что, содержит датчики состояния сопротивления изоляции и увлажненности обмотки, последовательно с которыми включен реагирующий орган, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в работе, датчики состояния сопротивления и увлажненности изоляции обмотки выполнены в виде электродов из электропроводящей фольги, расположенных между слоями изоляции каждой фазы и всех напряжений, а реагирующий орган выполнен в виде светодиодов по числу датчиков, первые выводы которых являются входами реагирующего органа, вторые выводы объединены и подключены к первому входу блока измерения сопротивления и увлажненности изоляции обмотки, введен блок контроля тока в нейтрали обмотки, который включен между корпусом и нейтралью обмотки трансформатора, выход указанного блока подключен к второму входу блока измерения сопротивления изоляции обмотки, первый выход которого подключен к входу блока сбора информации со всех систем диагностики и принимающего решение, так же к этому блоку подключен блок измерения и контроля температуры наиболее нагретой точки, получающий информацию с амперметра и, например, расцепителя защитного устройства трансформатора и/или реле о коэффициенте загрузки трансформатора, блок связи с нейтралью трансформатора, выходные сигналы идут на устройство сбора информации и от туда на монитор (дисплей), с помощью которого осуществляется информирование людей о состоянии оборудования, на систему управления охлаждением, на независимый расцепитель автоматического выключателя или другого защитного устройства трансформатора на стороне высокого напряжения, таки образом диагностирование происходит по следующим признакам: процент содержания влаги в пределах нормы составляет 0,6% от массы твердой изоляции, свыше 1,8% начинает снижаться электрическая прочность, усиливается старение бумажной изоляции, усиливается скорость окисления масла, более 3,5% бумага начинает расслаиваться, более 8% - необходим срочный вывод трансформатора в ремонт; существенное старение происходит при температуре выше 130°С, в связи с этим в устройстве был определен ряд температур, по достижению которых система охлаждения функционировала с усиленной мощностью: начиная с 90°С подавался первый сигнал, при достижении 115-120°С система охлаждения работает на полную мощность, при достижении 135°С подается сигнал оператору, при 140°С происходит отключение трансформатора; газ выделяется при температуре свыше 140°С, пузырьки снижают электрическую прочность на 25-40%, но увеличение влаги до 3,5% приводит к уменьшению температуры возникновения пузырьков до 120°С; критические температуры наиболее нагретых точек изоляции обмотки при отсутствии перегрузки - 120°С, при кратковременной 160°С, при длительной 130°С.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является мгновенное получение достоверной информационной картины о ресурсе оборудования и состояния (диагностирование) обмоток силового трансформатора по ряду наиболее важных параметров, таких как температура наиболее нагретой точки изоляции обмотки, сопротивление изоляции, увлажненности изоляции, методом, который не подвержен влиянию внешних отрицательных воздействий, защита трансформатора, оптимальное использование системы охлаждения, предотвращение аварийных выходов из строя трансформаторного оборудования, увеличение надежности эксплуатации трансформатора.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 - схема установки электродов и подключение стационарного устройства мониторинга и диагностики (УМДС) к силовому трансформатору;
- на фиг.2 - схема УМДС;
- на фиг.3 - схема электрическая для расчета температуры наиболее нагретых точек изоляции обмотки.
В таблице 1 представлено описание блоков (элементов) устройства УМДС.
В таблице 2 приведены элементы, территориально размещенные в силовом трансформаторе.
Раскрытие и осуществление полезной модели.
Первым существенным признаком для достижения указанного выше технического результата, является наличие датчиков контроля сопротивления изоляции, увлажненности изоляции, которые выполнены в виде электродов из электропроводящей фольги, расположенные между слоями изоляции всех фаз и для всех напряжений.
Вторым существенным признаком является то, что имеется блок, в котором выполняется расчет и контроль температуры наиболее нагретых точек изоляции обмоток, получающий информацию с амперметра и, например, расцепителя автоматического выключателя и/или реле о коэффициенте загрузки трансформатора. Выходные сигналы с данного блока идут на систему управления охлаждением трансформатора и на отключение трансформатора.
Третьим существенным признаком является то, что соединение электродов с УМДС осуществляется проводом, который устойчив к вибрационным, ударным и линейным нагрузкам, акустическим шумам, стойким к воздействию агрессивных сред, имеющим электрический экран, который защищает провод от воздействия электромагнитных полей.
Четвертым существенным признаком является то, что УМДС содержит блок защиты самого устройства от чрезмерно высокого напряжения при возникновении короткого замыкания обмоток или попадании его на электроды.
Данное устройство УМДС относится к стационарному типу, т.е. его необходимо предварительно установить в трансформатор, временно отключенный от сети на время монтажа данного устройства, и потом данное устройство позволяет искомые параметры в процессе работы трансформатора на протяжении своего срока службы, который составляет 20 лет.
Перечислим элементы (таблица 1), входящие в УМДС, затем опишем принцип действия устройства.
Принцип УМДС заключается в том, что датчики контроля сопротивления изоляции, увлажненности изоляции выполнены в виде электродов из электропроводящей фольги, так же установлен блок измерения и контроля температуры наиболее нагретой точки, получающий информацию с амперметра и, например, расцепителя и реле о коэффициенте загрузки трансформатора, блок связи с нейтралью трансформатора. Выходные сигналы идут на устройство сбора информации и от туда на монитор, на систему управления охлаждением, на расцепитель автоматического выключателя или другого защитного устройства трансформатора.
Данное размещение электродов, показанное на фигуре 2, обусловлено тем, что наиболее нагретая часть обмотки находится на уровне от 0,7 до 0,8 от ее высоты.
Датчик контроля представляет собой электрод из проводящей фольги. Он расположен между слоями изоляции и охватывает обе стороны. Особенность фольги заключается в том, что ее толщина и вес в 1,5-2 раза меньше самых маленьких оптоволоконных датчиков, высокая механическая прочность, она более эластична, стабильные электрохимические и электрофизические характеристики.
Таблица 1.Назначение блоков УМДС
Номер элемента
Назначение
1
расчет температуры наиболее нагретой точки
2
измеренный гармонический ток на стороне низкого напряжения (НН)
3
измеренный коэффициент загрузки трансформатора
4
номинальный ток на стороне НН
5
номинальные потери вихревых токов в местоположении наиболее нагретой точки
6
реагирующий орган
7
сопротивление изоляции
8
связь
9
дисплей (монитор)
10
сигнализация
11, 12
светодиод
13
защита контролируемого силового трансформатора
14, 15
реле
16, 17
кнопка управления
18, 19
регулируемый резистор
20
источника тока
21, 22, 23, 24
контакт
25
сбор информации от систем диагностики, принятие решений
Указанное на фигуре 2 размещение датчиков позволяет контролировать сопротивление изоляции слоев (электрод-обмотка; электрод-корпус). Каждый из электродов посылает сигнал на реагирующий орган 6. Он рассчитан на все датчики и посылает сигнал на дисплей о показаниях каждого из датчиков. Так же блок 6 подключается к первому входу блока 7. К второму входу блока 7, через блок 8, подключается нейтраль силового трансформатора. Первый выход блока 7 подключен к блоку 10 (светодиодам), а второй - к отключающей цепи 13, через блок 25, к независимому расцепителю автоматического выключателя.
Таблица 2.Дополнительные элементы
26
обмотка НН трансформатора
27
электрод (фольга)
28
обмотка высокого напряжения (ВН) трансформатора
29
корпус трансформатора
30
нейтраль трансформатора
31
магнитопровод трансформатора
Блок 8 содержит резистор, ограничитель перенапряжений или разрядник, конденсатор. Это нужно для ограничения напряжения на втором входе блока 7 в случае смещения потенциала нейтрали по отношению к земле, вызванном КЗ, а так же при попадании недопустимо высокого напряжения на электроды.
Блок 7 включает в себя реле 14 и 15 и кнопки 16 и 17 управления с светоиндикацией. При протекании через реле тока, большего их уставок, они срабатывают и через контакты 21 и 22 становятся на самоудержании. Возвращаются в исходное состояние кнопками 16 и 17. Выставление уставок реле 14 и 15 происходит резисторами 18 и 19. Светодиоды 11 и 12 сигнализируют о типе повреждения изоляции. Питается устройство от источника тока 20, но может и от оперативного тока, выбранного на подстанции.
При попадании влаги в масло, изоляция обмоток увлажняется. Сопротивление изоляции резко снижается. Ток, протекающий через корпус, изоляцию, датчик, блок 6, реле 14, возрастает. Реле 12 срабатывает и через контакт 21 становится на самоудержание, а светодиод 11 загорается, показывая увлажнение изоляции. Местонахождение определяется по свечению одного из светодиодов блока 6.
При витковом замыкании за счет дуги и ионизации в слоях изоляции, за счет частичного или полного прогара, резко уменьшается сопротивление слоя 3 изоляции и возрастает ток в цепи: нейтраль 9, реле 15, блок 6, электрод и изоляция. Срабатывает реле 15 и через контакт 22 становится на самоудержание. Засвечивается светодиод витковое замыкание. В цепь 13 через контакты 23 и 24 поступает сигнал на отключение на автоматический выключатель. Дефектный элемент определяется по свечению светодиода блока 6.
При замыкании на землю, сопротивление изоляции быстро падает за счет тока замыкания на землю. Совместно срабатывают реле 14 и 15 и становятся на самоудержание. Загораются светодиоды 11 и 12, сигнализируя о замыкании. Поврежденный элемент определится по блоку 6.
Соединение электродов с УМДС осуществляется проводом устойчивы к вибрационным, ударным и линейным нагрузкам и к акустическим шумам, стойки к воздействию пониженного атмосферного давления до 0,13 кПа и повышенного атмосферного давления до 295 кПа. Для придания гибкости могут применяться жилы, скрученные из множества проволок малых диаметров. Проволока покрывается внешним защитным покрытием, которое оберегает ее от окисления. В качестве такого покрытия используются никель, олово или серебро. Используется посеребренная проволока, поскольку у этого металла комплекс уникальных свойств. Во-первых, серебро - хороший проводник (обладает самой высокой среди металлов электропроводностью). Во-вторых, оно имеет высокую стойкость к воздействию агрессивных сред. В-третьих, у серебра отличная паяемость. Для изоляции применяются фторопластовые пленки различных классов, которые обладают уникальными электрическими, механическими, антикоррозионными свойствами. Применение полиимидно-фторопластовых пленок позволяет добиться гибкости и уменьшения веса изделия. Изоляция провода должна состоять из одного или нескольких материалов, один из которых несет электрическую нагрузку, а другие придают композиции необходимую механическую прочность (стойкость к продавливанию, истиранию и т.д.) и другие специфические свойства. Электрический экран защищает провод от воздействия электромагнитных полей. Для этого на изделие накладывается оплетка из медной, медной луженой, медной никелированной или медной посеребренной проволоки. Защитный покров провода выполнен из термостойких волокон или лент, которые пропитаны специальными составами. Провода стойки к воздействию атмосферных конденсированных осадков (инею и росе), солнечного излучения, масел, топлива и плесневых грибов и они не распространяют горение. Срок службы проводов составляет около 20 лет.
Температура наиболее нагретых точек изоляции обмотки определяет сокращение срока службы изоляции и потенциальный риск образования газовых пузырей во время перегрузки. Имея информацию о температуре наиболее нагретых точек в каждый момент времени работы трансформатора при различной нагрузке и постоянно изменяющихся условиях окружающей среды появляется возможность наиболее быстро и точно диагностировать состояние трансформатора.
Элемент измерения температуры наиболее нагретых точек 1, включающий блоки 2, 3, 4, 5. С амперметра, установленного на низкой стороне, подаются данные о токе с каждой из трех фаз. Блок 3 определяет коэффициент загрузки трансформатора или получает данные о нем. В большинстве современных автоматических выключателей или устройств релейной защиты, установленных на стороне высокого напряжения (ВН), имеется функция определения К. На основании данных о К из блоков 4 и 5 берутся значения номинальных токов и номинальных потерь вихревых токов в местоположении наиболее нагретой точки. В блоке 1 вычисляется температура наиболее нагретых точек. Вычисление производится для обмотки НН, т.к. температуры в ней значительно больше из-за худших условий охлаждения. Данные о температуре поступают в блок 25, на дисплей 9. В блоке 25 анализируются данные о температуре наиболее нагретых точек и подается соответствующий сигнал в систему охлаждения для усиления или ослабления ее интенсивности работы. Это позволит более эффективно ее использовать, увеличить срок службы систему охлаждения, снизить энергозатраты на ее работу.
Увеличение температуры верхних слоев масла по отношению к окружающей температуре, заключается в том, что увеличение тока в трансформаторе приведет к увеличению потерь в трансформаторе и это приведет к увеличению температуры в целом. Это изменение температуры зависит от массы основных конструктивных элементов трансформатора: магнитопровода, обмотки, масла, а так же инерционности теплопередачи элементов трансформатора.
Благодаря подобию между теплопередачей и передачей электрического заряда, эквивалентная электрическая схема может использоваться, чтобы решить проблему теплопередачи.
Тепло, выработанное потерями в трансформаторах, принимает на себя масло и проводит в теплообменник, который в большинстве случаев является масляным воздухоохладителем. Вентилятор, если он предусмотрен конструкцией, рассеивает теплоту в окружающую среду принудительным путем. Нелинейные свойства нагревостойкости связаны со многими физическими параметрами реального трансформатора.
Тепловое уравнение наиболее нагретой точки основано на схеме, показанной на фигуре 3.
Дифференциальное уравнение для эквивалентной схемы
w
где q - тепло, выработанное потерями в местоположении наиболее нагретой точки, Вт;
th-H B
C - обмоточная удельная теплоемкость в местоположении наиболее нагретой точки фазы В, Вт. мин/°С;
th-H C
C - обмоточная удельная теплоемкость в местоположении наиболее нагретой точки фазы С, Вт. мин/°С;
h-H B
R - нагревостойкость в местоположении наиболее нагретой точки фазы В, °С/Вт;
h-H C
R - нагревостойкость в местоположении наиболее нагретой точки фазы С, °С/Вт;
t - время, с;
n - общеизвестный параметр, который зависит от метода охлаждения;
H B
Θ - температура в местоположении наиболее нагретой точки фазы В, °С;
H C
Θ - температура в местоположении наиболее нагретой точки фазы С,°С;
H
Θ - температура наиболее нагретой точки;
oil B
Θ - температура верхних слоев масла фазы В, °С;
oil C
Θ - температура верхних слоев масла фазы С, °С.
Уравнение (1) приводится к следующему уравнению:
EC-R
где P - номинальные потери вихревых токов в местоположении наиболее нагретой точки (определяются на заводе изготовителе оборудования);
h
I - среднеквадратический ток в гармонике порядка h;
R
I - среднеквадратический ток при номинальной частоте и номинальной нагрузке;
h - порядок гармоники;
pu
I - ток нагрузки в единицу величины;
К - коэффициент загрузки трансформатора.
Нелинейная нагревостойкость связана со многими физическими параметрами реального трансформатора:
где ΔΘ - изменение температуры наиболее нагретой точки в определенный период времени.
Диагностирование происходит по следующим признакам.
Процент содержания влаги в пределах нормы составляет 0,6% от массы твердой изоляции. Свыше 1,8% начинает снижаться электрическая прочность, усиливается старение бумажной изоляции, усиливается скорость окисления масла. Более 3,5% бумага начинает расслаиваться. Более 8% - необходим срочный вывод трансформатора в ремонт.
Существенное старение происходит при температуре выше 130°С. В связи с этим в устройстве был определен ряд температур, по достижению которых система охлаждения функционировала с усиленной мощностью. Начиная с 90°С подавался первый сигнал. При достижении 115-120°С система охлаждения работает на полную мощность. При достижении 135°С подается сигнал оператору. При 140°С происходит отключение трансформатора.
Газ выделяется при температуре свыше 140°С. Пузырьки снижают электрическую прочность на 25-40%. Но увеличение влаги до 3,5% приводит к уменьшению температуры возникновения пузырьков до 120°С.
Выявлены критические температуры наиболее нагретых точек изоляции обмотки при отсутствии перегрузки - 120°С, при кратковременной 160°С, при длительной 130°С.
При мониторинге и диагностики учитывается и соотношение контролируемых устройством параметров между собой, что позволяет избежать ложных срабатывания и повысить точность устройства.
Достоинства вышеописанного устройства.
Приведенное выше устройство позволит осуществлять мониторинг, диагностику и защиту силового трансформатора по ряду параметров, таких как температура наиболее нагретой точки, сопротивление изоляции, увлажненности изоляции без отключения трансформатора от сети (но предварительно в него установлено данное устройство) с учетом нелинейности нагрузки, изменяющейся температуры окружающей среды, с подачей сигнала в систему охлаждения на основе датчиков из электропроводящей фольги, соединенных с устройством по средством провода стойким ко всем агрессивным воздействиям, а так же устройство способно защитить себя в случае попадания высокого напряжения на чувствительный датчик. Устройство позволяет получить достоверную картину о ресурсе оборудования, защищает трансформатор путем подачи сигнала на отключения вводного автоматического выключателя, а так же отличается низкой стоимостью и простотой. Это повышает бесперебойность электроснабжения потребителей электрической энергии.
Список источников для рассмотрения в ходе экспертизы
1) Козлов В.К., Сабитов А.Х., Сабитов И.Х. Способ контроля качества бумажной изоляции трансформатора. Патент на изобретение RU 2392684, кл. H01F 41/12, G01R 31/12, 2009
2) Поляков B.C. Устройство непрерывного контроля сигнала частичных разрядов в изоляции трехфазных высоковольтных аппаратов в условиях эксплуатации. Патент на изобретение RU 2393494, кл. G01R 31/02, 2009.
3) Ming Dong, Shiqiang Wang, Jianlin Wei, Shuangsuo Yang, Zheng Yu, Guanjun Zhang, Xiangquan Zhang. Oil-immersed type transformer solid insulation moisture content assessment method based on return voltage. Патент CN 101726514 (A), кл. G01N 27/00: G01R 31/00, 2009.