Мобильная высоковольтная установка для испытаний силовых трансформаторов
MOBILE HIGH-VOLTAGE INSTALLATION FOR TESTING POWER TRANSFORMERS

Изобретение относится к области силовой электротехники и может найти применение при проведении испытаний мощных силовых трансформаторов и автотрансформаторов в удаленных, труднодоступных местах при их установке и проведении ремонтов, без демонтажа оборудования.
В последнее десятилетие важнейшими составляющими технической диагностики в электроэнергетике стали оперативная диагностика, в основе которой лежит непрерывный автоматический контроль (мониторинг) основных параметров оборудования в работе и в отключенном состоянии, а также, тестовая диагностика, выполняемая на месте монтажа после ремонтов, транспортировки и, периодически, в процессе эксплуатации. Важными являются исследования проблематики старения электротехнического оборудования на вновь создаваемых АЭС.
Эксплуатация электротехнического оборудования, отработавшего свой нормативный срок, требует проведения ремонтных операций с последующим выполнением контрольно-измерительных и испытательных мероприятий. Особенно критичными объектами в этом смысле являются мощные силовые трансформаторы и автотрансформаторы, массогабаритные параметры которых исключают возможность их перемещения к испытательным центрам. Тестовое диагностирование (высоковольтные испытания), в совокупности с диагностическими исследованиями, позволяет оценить состояние изоляции оборудования, определить оставшийся ресурс и возможность продления сроков службы. Информативность таких испытаний зависит от уровня прикладываемого испытательного напряжения, которое должно быть выше номинального рабочего. Эта проблема в наибольшей степени затрагивает оборудование высших классов напряжения.
Из-за отсутствия передвижных высоковольтных установок для испытаний оборудования на классы напряжения 110 кВ и выше на месте ремонта, испытания такого оборудования обычно проводятся только методом пробного включения в сеть под рабочее напряжение, что приводит к серьезному повреждению испытуемого оборудования.
Известна конструкция передвижная установка для диагностики силовых распределительных трансформаторов, защищенная патентом РФ №198361 «Передвижная установка для диагностики силовых распределительных трансформаторов», G01R 31/62, опубл. 02.07.2020. Известная передвижная установка относится к средствам диагностики силовых трансформаторов и предназначена для использования в местах их эксплуатации, а также при вводе в эксплуатацию новых силовых трансформаторов с целью контроля соответствия фактических значений потерь холостого хода и потерь короткого замыкания требуемому классу энергоэффективности. В известной передвижной установке на шасси транспортного средства смонтированы автономный генератор трехфазного напряжения промышленной частоты, блок измерительных трансформаторов тока, измерительный блок, регулятор трехфазного напряжения, при этом, регулятор выполнен с возможностью формирования выходного напряжения, превышающего его входное напряжение, по меньшей мере, на 10%, а генератор выполнен с возможностью генерации токов, превышающих, по меньшей мере, в три раза паспортное значение тока холостого хода диагностируемого силового трансформатора. Такое исполнение известной передвижной установки несколько расширяет ее функциональные возможности, однако, основным недостатком известной передвижной установки являются ограничения на уровень мощности от 0,063 до 2,5 МВА и напряжения от 6 до 10 кВ испытуемых трансформаторов, что связано с резким ростом массогабаритных параметров источника возбуждения при возрастании его мощностных характеристик. Также недостатком известной передвижной установки является относительно ограниченный (штатный) набор контролируемых параметров, который допустим для маломощных силовых трансформаторов, но недостаточен для трансформаторов сверхвысоких классов напряжений с мощностью выше 100 МВА.
Известно устройство для испытаний трансформаторов по патенту Германии №102007059289 «Устройство для проверки трансформаторов», G01R 31/12, опубл. 28.07.2011. Известное устройство содержит статический генератор частоты с фильтрующим устройством, имеющим также несколько выводов, связанных с согласующим трансформатором, к которому подключается испытуемый трансформатор. В известном устройстве одним из элементов фильтрующего устройства является заземленный экран в согласующем трансформаторе, вход которого связан с управляемым генератором частоты, а его выход вторичной обмотки соединен с фильтром высоких частот, образованных мало индуктивными конденсаторами с заземленной общей точкой, который электрически связан с обмоткой испытуемого трансформатора. Недостатком известного устройства является высокий уровень реактивной мощности, циркулирующей в цепях питания в процессе испытаний и, как следствие, значительные масса и габариты составляющих элементов известного устройства, препятствующие его исполнению в качестве мобильного устройства при мощностях испытуемых трансформаторов от нескольких сотен до нескольких тысяч МВА. Помимо этого, в известном устройстве так же отсутствует возможность получения информации о состоянии обмоток активной части трансформатора в опыте короткого замыкания из-за низкой чувствительности метода определения комплексного сопротивления обмотки.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является устройство для испытаний высоковольтных трансформаторов, защищенное патентом РФ №2522117 «Устройство для испытания аппаратов высоковольтной техники», G01R 31/62, опубл. 10.07.2014. Известное устройство для испытания высоким напряжением аппаратов высоковольтной техники, в частности, силовых трансформаторов или дросселей, содержит трансформатор, в котором между первичной стороной и вторичной стороной предусмотрен заземленный электростатический экран, статический преобразователь частоты, имеющий несколько выходов, подсоединенных к фильтровальному устройству, причем фильтровальное устройство содержит соединенные между собой конденсаторы фильтра с заземленной точкой звезды, причем несколько выходов фильтровального устройства соединены с согласующим трансформатором, а согласующий трансформатор, в свою очередь, соединен с испытуемым трансформатором, при этом, трансформатор подсоединен к нескольким входам статического преобразователя частоты таким образом, что трансформатор обеспечивает разделение потенциала между электросетью и конденсаторами фильтра и тем самым измерение частичного разряда. Согласно предпочтительному варианту выполнения известного устройства, в фильтровальном устройстве наряду с конденсаторами фильтра, соединенными по схеме звезды, предусмотрены дополнительные конденсаторы, соединенные по схеме треугольника, осуществляющие фильтрацию симметричных возмущающих воздействий между внешними проводниками. За счет того, что трансформатор для испытательной системы в известном устройстве перемещен на сторону сети, вся установка приобретает общую массу, явно уменьшенную по сравнению с уровнем техники. Однако, основным недостатком известного устройства является неэффективное использование его силовых элементов при испытаниях электрических аппаратов с индуктивной или емкостной нагрузкой из-за наличия реактивной составляющей, циркулирующей в цепях возбуждения испытуемого трансформатора. Следствием этого является уменьшение максимальной полной мощности, которую обеспечивает известное устройство при испытании в опыте холостого хода и короткого замыкания, а также низкая информативность результатов испытаний, в частности, при испытании в опыте короткого замыкания по определению состояния прессовки обмотки и ее устойчивости к воздействию токов короткого замыкания.
Задача изобретения - повышение эффективности использования силовых элементов испытательной установки, уменьшение потребной мощности возбуждающего трансформатора для снижения ее массогабаритных параметров и реализации установки в мобильном исполнении.
Техническим результатом изобретения является разработка высокоэффективной высоковольтной установки для испытаний мощных и нетранспортабельных трансформаторов в полевых условиях, мобильной, с увеличенной мощностью возбуждения, требуемой для реализации опыта холостого хода и короткого замыкания, с повышенной помехоустойчивостью и информативностью получаемых данных о техническом состоянии внутренней изоляции и уровня прессовки обмоток.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигаются за счет того, что мобильная высоковольтная установка для проведения электрических испытаний силовых трансформаторов реализована в блочном исполнении и содержит блок управления с функциями измерения, контроля и регулирования, питающий сетевой трансформатор, в котором между первичной обмоткой и вторичной обмоткой предусмотрен заземленный электростатический экран, выпрямитель с фильтрующим конденсатором, статический преобразователь частоты, регулируемый согласующий трансформатор, блок измерительных трансформаторов, испытуемый трансформатор, а также компенсирующие емкости и коммутаторы. Компенсирующие реактивную мощность емкости размещены на выходе согласующего трансформатора и образуют с обмоткой испытуемого трансформатора резонансный контур. В мобильной установке дополнительно подключены ударный генератор однократных импульсов с возможностью возбуждения механических колебаний магнитной системы испытуемого трансформатора до и после проведения опыта короткого замыкания, а также заградительный высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр. Ударный генератор однократных импульсов установлен на днище испытуемого трансформатора и подсоединен к блоку управления, а заградительный высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр подсоединен последовательно на линии подключения статического преобразователя частоты и согласующего трансформатора.
В разработанной мобильной высоковольтной установке применена идея использования резонансных эффектов и возможности компенсации реактивных потерь при выборе соответствующей частоты возбуждения параллельного и последовательного резонансов.
Мобильная высоковольтная установка имеет усиленную систему подавления высокочастотных помех, создаваемых питающей сетью и статическим генератором частоты и позволяет расширить информационную результативность испытаний, оценку технического состояния объекта контроля за счет определения электрической изоляции и прессовки обмоток индуктированным напряжением при проведении опытов холостого хода и короткого замыкания.
Применение ударного устройства (генератора однократных импульсов), которое устанавливают на днище корпуса объекта испытаний и включают перед и после проведения опыта короткого замыкания, позволяет увеличить мощность возбуждения, требуемую для реализации опыта холостого хода и короткого замыкания, повысить помехоустойчивость и информативность получаемых данных о техническом состоянии внутренней изоляции по измерению характеристик частичных разрядов изоляции и уровня прессовки обмоток, по частотным характеристикам наведенной ЭДС в обмотке объекта испытаний. Применение емкостного компенсатора, установленного перед обмоткой контролируемого объекта и образующего с ней резонансный контур, позволяет устранить реактивную составляющую тока в обмотках испытуемого трансформатора и снизить потребную мощность источника возбуждения до допустимых массогабаритных параметров высоковольтной установки, реализовать созданную новую высоковольтную установку в мобильном исполнении и решить актуальную задачу испытаний мощных и нетранспортабельных трансформаторов в полевых условиях.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более понятны путем ссылки на последующее описание и прилагаемые чертежи. На фиг. 1 представлена функциональная схема мобильной высоковольтной установки для испытаний силовых трансформаторов. На фиг. 2 показан график зависимости потребления реактивной мощности от частоты возбуждения.
Мобильная высоковольтная установка (фиг. 1) для испытаний силовых трансформаторов, в блочном исполнении, содержит блок 6 управления с функциями измерения, контроля и регулирования, питающий сетевой трансформатор 1, в котором между первичной обмоткой и вторичной обмоткой предусмотрен заземленный электростатический экран 2, выпрямитель 3 с фильтрующим конденсатором 4, статический преобразователь частоты 5, регулируемый согласующий трансформатор 9, блок измерительных трансформаторов 11, испытуемый трансформатор 13, компенсирующие емкости 10, коммутаторы 12, 14, ударный генератор однократных импульсов 15 с возможностью возбуждения механических колебаний магнитной системы испытуемого трансформатора 13 до и после проведения опыта короткого замыкания, а также заградительный высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр 8, линии подсоединения 7, 18, 19, шина 16, выводы 17 вторичной обмотки испытуемого трансформатора 13.
Принцип действия мобильной высоковольтной установки для испытаний силовых трансформаторов индуцированным напряжением основан на изменении частоты возбуждения и достижения внутренней компенсации реактивной мощности объекта испытаний за счет резонанса токов. Зависимость потребления реактивной мощности от частоты возбуждения показана на графике фиг. 2. Из графика на рисунке 2 следует, что при частоте возбуждения равной частоте резонанса параллельного контура, образованного вспомогательной емкостью и индуктивностью обмотки испытуемого трансформатора 13, уровень потребной мощности для его испытания снижается, в свою очередь, ее уровень зависит от добротности элементов, образующих резонансный контур. При существующей технологии изготовления конденсаторов и обмотки испытуемых силовых трансформаторов добротность параллельного резонансного контура может достигать уровня от 80 до 90. Это позволяет пропорционально снизить мощность источника возбуждения и уменьшить массогабаритные характеристики мобильной установки в целом.
Мобильная высоковольтная установка для испытаний силовых трансформаторов работает следующим образом.
Питание подается на питающий сетевой трансформатор 1. Для уменьшения проникновения высокочастотных помех из сети и в сеть собственных нужд между первичной и вторичной обмоткой трансформатора 1 выполнен заземленный электростатический экран 2. Напряжение с вторичной обмотки трансформатора 1 подается на выпрямитель 3 с фильтрующим конденсатором 4, который шунтирует высокочастотные помехи, поступающие из питающей сети. Далее напряжение поступает в статический преобразователь частоты 5, выходы которого через индуктивные и емкостные элементы, соединенные в звезду, связаны с регулируемым согласующим трансформатором 9. Статический преобразователь частоты 5 посредством линии подсоединения 7 связан с блоком 6 управления, который предназначен для автоматизации подготовки и проведения испытаний, управления испытаниями, а также, для регистрации их результатов. Заградительный высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр 8, подсоединенный последовательно на линии подключения статического преобразователя частоты 5 и согласующего трансформатора 9 и образованный индуктивностями и соединенными в звезду и заземленными емкостями, снижает присутствие высокочастотных гармоник в цепи возбуждения испытуемого трансформатора 13 от статического преобразователя частоты 5.
Выходное напряжение со статического преобразователя частоты 5 через высокочастотный индуктивно-емкостной фильтр 8 подается на регулируемый согласующий трансформатор 9. С выхода вторичной регулировочной обмотки трансформатора 9 напряжение возбуждения поступает на компенсирующие емкости 10 в виде высокодобротных конденсаторов, соединенных в треугольник, выход которого связан с блоком измерительных трансформаторов 11 и далее через коммутатор 12 подключен к обмоткам испытуемого трансформатора 13.
Компенсация реактивной мощности на стороне высокого напряжения достигается применением высокодобротных конденсаторов в компенсирующих емкостях 10, связанных с обмоткой испытуемого трансформатора 13 и образующих с ней параллельный резонансный контур, что позволяет обеспечить проведение опытов холостого хода и короткого замыкания с минимальной потерей мощности источника возбуждения.
В состав блока 6 управления входит диагностическая аппаратура для измерения активных и комплексных сопротивлений обмоток, емкости, индуктивности, тангенса угла диэлектрических потерь и сопротивления изоляции, спектральным измерителем состояния прессовки и геометрического состояния обмоток, а также характеристик частичных разрядов. Блок 6 управления также связан с блоком 11 измерительных трансформаторов, включающим в себя делители напряжения и трансформаторы тока.
В мобильной установке дополнительно подключен установленный на днище испытуемого трансформатора 13 и подсоединенный к блоку управления 6, ударный генератор однократных импульсов 15 с возможностью возбуждения механических колебаний магнитной системы испытуемого трансформатора 13 до и после проведения опыта короткого замыкания. При контроле состояния обмоток блок 6 управления подает сигнал, который отключает обмотку испытуемого трансформатора 13 от системы возбуждения посредством коммутатора 12. Одновременно, по линии подсоединения 18 через коммутатор 14 с блока 6 управления поступает сигнал на генератор однократных импульсов 15, а по линии подсоединения 19 в блок 6 управления с обмотки испытуемого трансформатора 13 поступает измерительный сигнал ЭДС, развиваемый в обмотке трансформатора 13, который дает информацию о состоянии прессовки обмотки, характеризующий ее техническое состояние. Подача импульса по линии подсоединения 18 на генератор однократных импульсов 15 и регистрация наведенной ЭДС по линии подсоединения 19 производится при одновременном отключении коммутатором 12 цепей испытуемого трансформатора 13 до опыта короткого замыкания и после него, при этом шина 16 выводов 17 вторичной обмотки испытуемого трансформатора 13 размыкается.
Один из вариантов реализации мобильной установки, в блочном (модульном) контейнерном исполнении, позволяет транспортировать ее по частям различными видами транспорта, эксплуатировать при отрицательных температурах и размещать на подстанциях вблизи объектов испытаний в условиях ограниченного свободного пространства. Возможна также реализация мобильной установки как одномодульный вариант исполнения в отдельном контейнере.
Мобильная высоковольтная установка для испытаний силовых трансформаторов удовлетворяет требованиям мобильности и обеспечивает техническую возможность проведения испытаний силовых трансформаторов и автотрансформаторов в объеме приемо-сдаточных испытаний на месте их размещения, что дает возможность удовлетворить существующим нормативным требованиям и осуществить: проверку коэффициента трансформации; проверку группы соединения обмоток трансформаторов; измерение сопротивления обмоток постоянному току; проверку потерь и напряжения короткого замыкания (опыт короткого замыкания); проверку потерь и измерения тока опыта холостого хода; определение диэлектрических параметров внутренней изоляции по уровню интенсивности частичных разрядов; определение степени прессовки обмотки; испытание электрической прочности изоляции линейных вводов и присоединенных к ним обмоток относительно земли и других обмоток; испытание электрической прочности изоляции между фазами и продольной изоляции испытываемых обмоток.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании данного изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее данное изобретение при его осуществлении, относится к области силовой электротехники и может найти применение при проведении испытаний мощных силовых трансформаторов и автотрансформаторов в удаленных, труднодоступных местах при их установке и проведении ремонтов;
- для вышеприведенной установки в том виде, как она охарактеризована в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность ее практического осуществления;
- средство, воплощающее изобретение при его осуществлении обеспечивает повышение эффективности использования силовых элементов испытательной установки, уменьшение потребной мощности возбуждающего трансформатора для снижения массогабаритных параметров испытательной установки и ее реализации в мобильном исполнении.
Следовательно, данное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».