УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПУСТИМОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ ПЕРЕГРУЗКИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВОГО МАСЛОНАПОЛНЕННОГО ТРАНСФОРМАТОРА (ВАРИАНТЫ)

Область техники
Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована преимущественно в автоматизированных системах управления и диагностики трансформаторного оборудования электрических подстанций.
Уровень техники
Силовые трансформаторы и автотрансформаторы с масляно-воздушным или масляно-водяным охлаждением являются одним из самых дорогостоящих видов электротехнического оборудования электрических подстанций. В таких трансформаторах активная часть (магнитопровод и обмотки, имеющие целлюлозно-бумажную изоляцию) погружена в изолирующую жидкость - трансформаторное масло. В результате естественной конвекции или принудительной циркуляции масло проходит через охлаждающие каналы в обмотках и магнитопроводе трансформатора, обеспечивая отвод тепла, выделяемого потерями в обмотках и магнитопроводе. Для безопасной работы трансформатора важно, чтобы температура обмотки в самом горячем месте (так называемая «наиболее нагретая точка», ННТ) не превышала допустимых значений. Силовые трансформаторы проектируются таким образом, чтобы при электрической нагрузке, не превышающей номинальной мощности трансформатора, температура ННТ была ниже предельно допустимой. В то же время, условия эксплуатации энергосистем требуют в некоторых случаях передавать через трансформатор мощность, превышающую номинальное значение. Величина и длительность допустимой перегрузки определяется текущим (исходным) тепловым состоянием трансформатора, причем зависимость допустимого времени перегрузки от коэффициента перегрузки каждой обмотки, текущей температуры масла и температуры окружающей среды является достаточно сложной и нелинейной. При этом желательно, чтобы диспетчер энергосистемы при управлении перетоками мощности в системе, особенно в нештатных ситуациях, имел информацию о том, насколько и на какое время каждый трансформатор может быть перегружен без увеличения риска его повреждения или недопустимого снижения срока службы.
Предлагаемое устройство предназначено для получения и передачи оператору энергосистемы прогнозной информации о допустимых в каждый момент времени уровнях перегрузки трансформатора и допустимом времени перегрузки в зависимости от ее величины. В случае нарушения допустимых по тепловому состоянию трансформатора условий такое устройство должно выдавать предупредительную или аварийную сигнализацию.
Известны технические решения аналогичного назначения, например:
1. Патент RU 2242830, МПК Н02Н 7/04, Н02Н 6/00;
2. Патент ЕР 1085534 В1, МПК H01F 27/12;
3. Патент US 4148086, US C1. 361/37, МПК H01H 37/0, Н02Н 7/00;
4. Патент US 5225992, US C1. 364/483, МПК Н02Н 7/00;
5. Патент US 6424266, US C1. 340/588, МПК G08B 17/00;
6. Патент US 6727821 B2, US C1. 340/588, МПК G08B 17/00;
7. Патент US 6906630 B2, US C1. 340/646, МПК G08B 21/00;
8. Патент RU 2453859 C2, МПК G01R 31/02
9. Патент RU 118481 U1, МПК Н02Н 7/00
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели (его прототипом) является техническое решение по патенту RU 118481 U1.
Устройство-прототип содержит датчик температуры окружающей среды, датчик температуры верхних слоев масла (ВСМ), датчики тока, подключенные к разным обмоткам контролируемого силового трансформатора, датчик влажности масла, датчик температуры для измерения температуры масла в датчике влажности, аналого-цифровой преобразователь, к соответствующим входам которого подключены выходы указанных датчиков, и вычислительный блок, подключенный первым цифровым интерфейсом к выходу аналого-цифрового преобразователя, вторым цифровым интерфейсом к каналу связи с терминалом оператора. По третьему цифровому интерфейсу в вычислительное устройство из системы управления и мониторинга трансформатора передается информация о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей трансформатора, Вычислительное устройство рассчитывает и передает на терминал оператора значения допустимого времени перегрузки трансформатора в зависимости от его текущего теплового режима, уровня влажности масла в баке трансформатора, прогнозируемого уровня нагрузки всех обмоток, текущего и максимально располагаемого числа включенных охладителей и рассчитанного по этим данным прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки.
Недостаток прототипа состоит в следующем.
a
a
При выполнении прогнозного расчета температуры ВСМ используется текущее значение температуры окружающей среды. В то же время эта температура в течение суток претерпевает значительные изменения, размах которых может достигать 10-15 градусов и более. Поскольку постоянная времени трансформатора по маслу сопоставима с темпом суточного изменения температуры θ окружающей среды, а постоянная времени обмотки существенно меньше, ошибки прогнозного расчета температуры ВСМ и температуры наиболее нагретой точки обмотки будут иметь величину, близкую к указанному диапазону изменения θ. При этом расчетное время достижения предельно-допустимой температуры ННТ будет определяться с большой погрешностью.
Раскрытие существа полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение эксплуатационной надежности трансформаторного оборудования за счет более достоверного определения допустимых величины и длительности перегрузки силового маслонаполненного трансформатора с учетом суточных изменений температуры окружающей среды.
Предметом групповой полезной модели по первому варианту является устройство для определения допустимой длительности перегрузки и эффективности охлаждения силового маслонаполненного трансформатора, содержащее датчики тока обмоток трансформатора, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры верхних слоев масла, датчик влажности масла, датчик температуры масла в датчике влажности, аналого-цифровой преобразователь, к входам которого подключены выходы указанных датчиков, и вычислительный блок, подключенный первым интерфейсом к выходу аналого-цифрового преобразователя и снабженный вторым, третьим и четвертым цифровыми интерфейсами для связи с терминалом оператора и с системой управления и мониторинга трансформатора и информационной сетью соответственно. Вычислительный блок выполнен с возможностью приема по третьему цифровому интерфейсу информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей, приема по четвертому цифровому интерфейсу данных о прогнозируемых температурах окружающей среды, расчета с учетом принятой информации текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и передачи в систему управления и мониторинга трансформатора всех указанных рассчитанных значений, а на терминал оператора - рассчитанного прогнозного значения допустимой длительности перегрузки.
В полезной модели по первому варианту указанный технический результат достигается введением в устройство четвертого цифрового интерфейса для связи с глобальной информационной сетью и выполнением вычислительного блока с возможностью приема по четвертому цифровому интерфейсу данных о прогнозируемых температурах окружающей среды на ближайшие сутки для данной местности и учета этих данных при расчете значений, предназначенных для передачи в систему управления и мониторинга трансформатора и на терминал оператора.
Предметом групповой полезной модели по второму варианту является устройство для определения допустимой длительности перегрузки и эффективности охлаждения силового маслонаполненного трансформатора, содержащее датчик тока трансформаторной обмотки, датчик температуры верхних слоев масла, датчик влажности масла, датчик температуры масла в датчике влажности, аналого-цифровой преобразователь, к соответствующим входам которого подключены выходы указанных датчиков, и вычислительный блок, подключенный первым интерфейсом к выходу аналого-цифрового преобразователя и снабженный вторым и третьим цифровыми интерфейсами для связи с терминалом оператора, подключенным к информационной сети, и системой управления и мониторинга трансформатора соответственно, при этом вычислительный блок выполнен с возможностью приема по третьему цифровому интерфейсу информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей, приема по второму цифровому интерфейсу данных о прогнозируемой температуре окружающей среды, расчета с учетом принятой информации текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и передачи в систему управления и мониторинга трансформатора всех указанных рассчитанных значений, а на терминал оператора - рассчитанного прогнозного значения допустимой длительности перегрузки.
В полезной модели по второму варианту указанный технический результат достигается подключением терминала оператора к информационной сети и выполнением вычислительного блока с возможностью приема по второму цифровому интерфейсу данных о прогнозируемых температурах окружающей среды на ближайшие сутки для данной местности и учета этих данных при расчете значений, предназначенных для передачи в систему управления и мониторинга трансформатора и на терминал оператора.
Осуществление полезной модели
На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства.
На чертеже показаны датчик 1 температуры окружающей среды, датчик 2 температуры верхних слоев масла, датчики 3 тока в разных обмотках контролируемого силового трансформатора, датчик 4 влажности масла, датчик 5 температуры для измерения температуры масла в датчике 4 влажности, аналого-цифровой преобразователь 6, к входам которого подключены выходы указанных датчиков, и программируемый вычислительный блок 7, к которому по первому цифровому интерфейсу 8 подключен аналого-цифровой преобразователь 6. Блок 7 снабжен дискретными выходами 9 и 10 для выдачи соответственно предупредительного и аварийного сигналов о недопустимой перегрузке контролируемого трансформатора и имеет второй цифровой интерфейс 11 для связи через линию 12 с терминалом 13 оператора, третий цифровой интерфейс 14 для связи с системой 15 управления и мониторинга трансформатора. В полезной модели по первому варианту блок 7 имеет четвертый цифровой интерфейс 16 для связи с глобальной или корпоративной информационной сетью, обеспечивающей доступ к прогнозу погоды (например - сетью Internet). В полезной модели по второму варианту такую связь обеспечивает терминал 13.
Блок 7 выполнен с возможностью приема по интерфейсу 14 информации о текущем и максимально располагаемом числе включенных охладителей и приема информации о прогнозе температуры воздуха по интерфейсу 16 (первый вариант) или по интерфейсу 11 (второй вариант).
Вычислительный блок 7 выполнен с возможностью расчета с учетом информации, принятой по интерфейсам 8 и 14, а также прогнозных температур, принятых по интерфейсу 16 (первый вариант) или по интерфейсу 11 (второй вариант), текущих значений коэффициента эффективности охладителей, прогнозного значения коэффициента эффективности охлаждения для режима перегрузки, прогнозного значения допустимой длительности перегрузки и с возможностью передачи всех рассчитанных значений по интерфейсу 14 в систему 15, а прогнозного значения допустимой длительности перегрузки еще и по интерфейсу 11 на терминал 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
o
o1
o2
o1
o2
Через заданные интервалы времени вычислительный блок 7 снимает с блока 6 показания датчиков 1, 2, 3, 4 и 5. Измеренное значение θ температуры ВСМ сравнивается с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями θ и θ. Если значение θo превышает первый предельный уровень θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9. Если значение θo превышает второй предельный уровень θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
H
С использованием измеренных значений температуры ВСМ и коэффициентов нагрузки (равных отношению текущей нагрузки к номинальной) отдельных обмоток рассчитывают текущие значения Θ температуры ННТ всех обмоток.
H1
H2
H
H1
H
H2
Полученные значения температур ННТ всех обмоток сравниваются с заданными пользователем первым и вторым предельными уровнями Θ и Θ. Если значение Θ превышает первый предельный уровень Θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9. Если значение Θ превышает второй предельный уровень Θ, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
и
и
По измеренным значениям относительной влажности W масла и температуре Θ масла в измерителе влажности определяется абсолютная влажность масла в баке трансформатора
и
a
и
W=w*С(Θ),
a
где C(Θ) - предельная растворимость влаги в используемом масле при температуре Θ.
Определяется относительная влажность масла в зоне ННТ для всех контролируемых обмоток:
H
a
H
W=W/C(Θ).
H
Hмакс
Hмакс
По рассчитанному с использованием W значению относительной влажности твердой изоляции рассчитываются критические температуры ННТ Θ по условию образования пузырьков. При влажности твердой изоляции в зоне ННТ 0.5% и менее критическая температура составляет 160°С, при влажности 7% и более - 80°С. Между этими двумя точками зависимость Θ от влажности кусочно-линейная.
H
Hмакс
Сравниваются рассчитанные значения Θ температур ННТ всех обмоток и полученные для них значения критических температур Θ.
Hмакс
1
Если температура ННТ любой из обмоток превышает критическое значение Θ, выдается предупредительный сигнал на дискретный выход 9 и начинается отсчет первой выдержки времени Т.
Hмакс
2
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+10°С), начинается отсчет второй выдержки времени T.
Hмакс
1макс
2
1макс
Если температура ННТ любой из обмоток превышает значение (Θ+30°С) или время T1 достигает заданного уровня T,, например 30 минут, или время T достигает заданного уровня T,, например 10 минут, выдается аварийный сигнал на дискретный выход 10.
С использованием полученного по интерфейсу 14 текущего числа включенных охладителей, его номинального значения и максимально располагаемого количества охладителей определяется коэффициент снижения эффективности охлаждения, который по интерфейсу 14 передается в систему 15 управления и мониторинга трансформатора.
Для каждого значения коэффициента перегрузки (из ряда дискретных значений) рассчитывается значение оставшегося времени допустимой перегрузки, и соответствующая таблица передается на терминал 13 оператору.
Как видно из изложенного в устройстве, выполненном по любому из двух предлагаемых вариантов прогнозные значения температуры верхних слоев масла и температуры наиболее нагретых точек обмоток вырабатываются с учетом актуального метеопрогноза температуры окружающей среды в реальном времени и, следовательно, являются более достоверными.