СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ НЕИСПРАВНОСТИ ВАКУУМНОГО ПРЕРЫВАТЕЛЯ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ ОТВЕТВЛЕНИЙ ПОД НАГРУЗКОЙ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTING OF MALFUNCTION OF VACUUM BREAKER OF LIVE TAP CHANGER

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для детектирования неисправности вакуумного прерывателя в переключателе ответвлений под нагрузкой, в котором переключатель ответвлений содержит: корпус, заполненный маслом, дивертерный переключатель (3), содержащий подвижный контакт (MC, RC) и, по меньшей мере, один вакуумный прерыватель (MVI, RVI), выполненный с возможностью прерывания тока, проходящего через подвижный контакт дивертерного выключателя.
Предшествующий уровень техники
Переключатель ответвлений является устройством, которое используется с трансформатрами для регулирования уровней напряжения. Это достигается путем изменения переключателем ответвлений числа витков в обмотке трансформатора.
Переключатели ответвлений под нагрузкой (устройство ПОПН) обычно содержат дивертерный переключатель и селектор ответвлений, работающий как блок для осуществления передачи тока с одного ответвления на следующее.
Дивертерный переключатель полностью осуществляет замыкание и размыкание цепи с током под нагрузкой, тогда как селектор ответвлений предварительно выбирает ответвление, на которое дивертерный переключатель передает ток нагрузки. Селектор ответвлений работает без нагрузки. Когда нужно изменить выходную мощность трансформатора с одного уровня напряжения на другой, это осуществляется сначала путем соединения селектора с тем ответвлением обмотки трансформатора, которое соответствует новому уровню напряжения, в то время как дивертерный переключатель все еще запитан от существующего уровня напряжения.
Соединение селектора, таким образом, происходит без токовой нагрузки. Когда селектор соединен с ответвлением для нового уровня напряжения, осуществляется операция переключения с помощью дивертерного переключателя так, что выходной ток выходит с новой точки ответвления трансформатора. Когда трансформатор имеет множество точек ответвления, переключение обычно осуществляется только между двумя точками ответвления, которые близки друг к другу с точки зрения напряжения. Если требуется регулирование на большее значение, оно осуществляется поэтапно. Дивертерный переключатель указанного выше типа обычно используется для управления силовыми или распределительными трансформаторами. Устройство ПОПН может также быть преимущественно использовано для управления другими типами электрических устройств, таких как изделия для передачи и распределения электроэнергии, такие как реакторы, промышленный трансформатор, фазосдвигающее устройство, конденсаторы или им подобное.
Работа дивертерного переключателя включает в себя коммутацию с одной цепи на другую при гарантированном возникновении электрической дуги. Дивертерный переключатель вместе со всеми подсистемами расположен в баке и погружен в масло. Переключатель ответвлений под нагрузкой содержит бак с маслом, дивертерные переключатели и подсистемы.
Масло в баке выступает в роле электрического изолятора и охладителя для отвода тепла, генерируемого в ПОПН. Масло также будет гасить дуги, возникающие при переключении. Горение дуги при работе ПОПН будет загрязнять изолирующее масло и приводить к износу контактов переключателя.
Известно, что для того, чтобы предотвратить горение дуги в масле, для операций переключения, при которых возникает дуга, используются вакуумные прерыватели или вакуумные выключатели. Износ электрического контакта и горение дуги будет происходить при этом только в вакуумном выключателе. Для соответствующей процедуры с электрической точки зрения дивертерный переключатель такого типа снабжается, по меньшей мере, одной основной ветвью и одной резистивной ветвью, каждая с вакуумным прерывателем.
Дивертерный переключатель указанного выше типа известен, например, из US 5786552 (D0). Описанный там дивертерный переключатель, таким образом, имеет одну основную ветвь и одну резистивную ветвь, в установившемся режиме включенную параллельно и соединенную с выходной линией. Каждая ветвь снабжена вакуумным выключателем и контактом, соединенным последовательно с ним. Они работают в определенной последовательности, когда происходит переключение дивертерного переключателя, при котором важно обеспечить работу основной ветви до работы резистивной ветви для устройства ПОПН, но для некоторых прерывателей нагрузки основная ветвь не работает до резистивной ветви. Таким образом, вакуумный выключатель основной ветви может быть рассчитан на прерывание только тока нагрузки, а вакуумный выключатель резистивной ветви - на прерывание возникающего циркулирующего тока. В случае обратной последовательности вакуумному выключателю основной ветви придется прерывать сумму этих токов, и, следовательно, он должен быть соответственно рассчитан.
US 3206569 (D1) иллюстрирует переключатель ответвлений (8), снабженный вакуумными выключателями. Переключатель ответвлений соединен (5) с основным трансформатором (1). Переключатель ответвлений отделен от трансформатора и предоставляется в том же самом корпусе и жидкости, что и трансформатор (фиг.2), или в отдельном корпусе и отдельной жидкости (фиг.3). Колпак (39), предоставленный для сбора газа, расположен над переключателем ответвлений, и колпак (39) выполнен с возможностью передачи газа к датчику (40) газа. Датчик (40) газа относится к типу, который воспринимает наличие водорода и углеводородного газа. Если вакуумный выключатель неисправен (см. столбец 5, строки 11-25), контакторы (9, 10) размыкаются, и возникает дуга, которая создает газовый пузырь. Наличие газа детектируется датчиком, который выдает предупреждение. Таким образом, предупреждение указывает на то, что вакуумный выключатель неисправен.
В случае неисправности вакуумного прерывателя вспомогательная контактная система в устройстве ПОПН может прервать ток ограниченное число раз, в зависимости от типа устройства ПОПН и нагрузки, возможно, между 10 и 500 раз.
Если вспомогательная контактная система, т.е. подвижный контакт дивертерного переключателя, вынуждена прерывать ток более этого ограниченного числа раз, износ вспомогательных контактов горением дуги приводит к тому, что контакты больше не могут замыкать цепь и проводить ток. Если вспомогательные основные контакты не могут замыкаться, могут случиться две вещи:
1. Основная цепь разомкнута, и нагрузка ложится на резистивную цепь. При продолжительной полной нагрузке на токоограничивающий резистор, резистор в итоге расплавится и разомкнет цепь, что приведет к горению дуги внутри устройства ПОПН. Следует надеяться, что эта дуга будет детектирована, и это должно привести к немедленному аварийному отключению системы ПОПН-трансформатор. Результатом будет длительный ремонт или замена дивертерного переключателя, и на протяжении ремонта трансформатор будет отключен.
2. Устойчивая дуга возникает между вспомогательными контактами, что может привести к короткому замыканию между двумя фазами, что приведет к серьезному повреждению, например, взрыву или пожару. Если повезет, устойчивая дуга погаснет, и тогда необходимо вернуться к пункту 1.
Таким образом, важно следить за работой вакуумных прерывателей, чтобы предотвратить возможные повреждения, указанные выше. На данный момент не существует простого и надежного способа детектирования неисправности вакуумного прерывателя в переключателе ответвлений и серьезности этой неисправности.
АВВ предоставляет систему мониторинга и обработки данных, называемую TEC (электронное управление трансформатором), которая следит за трансформаторами и переключателями ответвлений, такими как устройства ПОПН. Система с ТЕС снабжена датчиками и блоками измерений и выполнена с возможностью измерения и слежения за состоянием и работой переключателя ответвлений или трансформатора. Она также включает в себя вычислительный блок для вычислений при обработке данных измерений. Например, система ТЕС измеряет и следит за температурой масла в нижней и верхней части бака трансформатора и вычисляет температуры точек наибольшего нагрева обмоток трансформатора. Другими данными, которые отслеживаются, являются напряжения и токи на вводах высокого и низкого напряжения, температура окружающей среды, старение за время использования, термическое старение, относительное старение в зависимости от температуры, максимальная нагрузка, коэффициент загрузки, перегрузочная способность, содержание влаги в масле, содержание водорода в масле, выраженное в миллионной доле, состояние охлаждающего оборудования, положение переключателя ответвлений, состояния датчиков, например, неисправности, и т.д. ТЕС также выполнена с возможностью отображения опорных значений, таких как опорное значение верхней и нижней температуры.
Датчик водорода расположен в трансформаторном масле, и, соединенный с ТЕС, он обеспечивает измерение содержания водорода в трансформаторе, которое указывает на горение электрической дуги или искровые разряды в трансформаторной части устройства ПОПН.
http://www.abb.com/electricalcomponents
ТЕС описана более подробно в руководстве “Intelligent Monitoring System, Type TEC. User's manual”, которое опубликовано на сайте .
Более того, когда блок автоматического управления переключателя ответвлений отдает команду на переключение механизму электропривода переключателя ответвлений, что впоследствии приводит к изменению ответвления в переключателе ответвлений, это событие фиксируется вычислительной системой ТЕС.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей данного изобретения является предоставление способа детектирования неисправности вакуумных прерывателей переключателя ответвлений под нагрузкой (устройства ПОПН).
Эта задача решается с помощью способа, описанного в 1 пункте формулы изобретения.
Изобретение может быть использовано для улучшения работы системы ТЕС от АВВ и также аналогичных систем мониторинга и управления для переключателей ответвлений от других поставщиков.
Способ содержит повторяющееся измерение содержания водорода в масле корпуса переключателя ответвлений и определение, имеет ли место неисправность вакуумного прерывателя на основании измерения содержания водорода в масле. Предоставлен способ мониторинга содержания водорода, и это делает возможным мониторинг его изменений.
Кроме того, этап определения может включать в себя использование истории переключений переключателя ответвлений, например, сколько раз переключатель ответвлений переключался, или как часто он переключался, чтобы определить неисправность. Результат измерения содержания водорода сравнивается с расчетным содержанием, которое основано на истории переключений, и способ указывает на неисправность только в том случае, когда измеренное содержание отличается от расчетного содержания на определенную величину, т.е. когда разница больше порогового значения.
Может использоваться сочетание датчика водорода и описанной выше системы ТЕС, но датчик должен быть расположен в масле переключателя ответвлений вместо трансформаторного масла (или как дополнение к датчику в трансформаторном масле), и должен быть осуществлен другой анализ, так как измеряется уже не характеристика трансформатора. Кроме того, использование переключателя ответвлений отслеживается путем мониторинга за количеством операций, которое используется для анализа содержания водорода и изменения содержания водорода в масле.
Другой задачей данного изобретения является предоставление устройства для детектирования неисправности вакуумных прерывателей переключателя ответвлений.
Эта задача достигается с помощью устройства по пункту 10 формулы изобретения.
Устройство содержит корпус переключателя ответвлений, заполненный маслом, снабженный датчиком (10) для повторяющегося измерения содержания водорода в масле, и вычислительный блок, сконфигурированный с возможностью анализа измерений содержания водорода в масле и определения наличия неисправности в вакуумных прерывателях (MVI, RVI).
Задача изобретения решена благодаря пониманию, что в случае неисправности вакуумного прерывателя ток прерывается не вакуумными прерывателями, а вспомогательной контактной системой. Вспомогательная контактная система вынуждена прерывать ток, тем самым создавая дуги в масле. Эти дуги сочетаются с известным фактом, что дуги в изолирующем масле увеличивают содержание водорода в изолирующем масле. С датчиком водорода, детектирующим абсолютное значение водорода в масле или степень изменения водорода в масле, можно детектировать, что вакуумный прерыватель не может прерывать ток, и, следовательно, можно детектировать неисправность вакуумного прерывателя.
В другом варианте осуществления данного изобретения способ дополнительно содержит этапы, на которых:
- сохраняют измерение содержания водорода в масле, и
- определяют неисправность в вакуумном выключателе (MVI, RVI) на основании измерения содержания водорода в масле и, по меньшей мере, одного сохраненного измерения содержания водорода в масле.
Определение наличия неисправности в вакуумном выключателе может быть осуществлено путем сравнения измеренного уровня содержания водорода в масле с фиксированным максимальным допустимым уровнем содержания водорода и/или сравнением увеличения содержания водорода в масле за промежуток времени путем использования сохраненных предыдущих измерений содержания водорода в масле.
В другом варианте осуществления данного изобретения способ дополнительно содержит этап, на котором:
- выполняют действие в случае определения неисправности в вакуумном выключателе.
Действие может заключаться в отправлении предупреждения в систему управления переключателя ответвлений трансформатора. Предупреждение может быть также отправлено в общую систему управления станцией. Действие может также заключаться в допущении только ограниченного числа критических срабатываний без перегрузки дивертерного переключателя. Действие также может заключаться в остановке перемещения дивертерного переключателя. Выбранное действие может зависеть от уровня содержания водорода в масле или от степени увеличения уровня содержания водорода в масле.
Когда детектируется серьезная неисправность вакуумного прерывателя, устройство ПОПН должно быть немедленно остановлено или ограничено определенным числом критических срабатываний без перегрузки, если это считается критичным для работы системы, в котором оно работает. Ограниченное число срабатываний дивертерного переключателя может быть меньше 200 или даже меньше 20 до проверки устройства ПОПН обслуживающим персоналом.
Когда устройство ПОПН остановлено, трансформатор все еще может использоваться, но уровень напряжения уже неуправляем, однако, это является предпочтительным состоянием по сравнению со случаем, когда ошибка не детектирована, и устройство ПОПН подвергается серьезному повреждению.
В другом варианте осуществления данного изобретения этап определения наличия неисправности в вакуумном выключателе содержит повторяющиеся этапы, на которых:
- получают данные операции переключателя ответвлений;
- вычисляют ожидаемое изменение содержания водорода на основании математической модели переключателя ответвлений и данных операции переключателя ответвлений, и
- определяют наличие неисправности вакуумного прерывателя на основании вычисленного ожидаемого изменения содержания водорода и, по меньшей мере, двух измерений содержания водорода.
Повторное осуществление этапов означает, что они осуществляются практически непрерывно, или через определенные интервалы времени с секундами между ними, или с большими временными интервалами в несколько минут между ними. Работа переключателя ответвлений заключается в определении времени переключения дивертерного переключателя и тока нагрузки во время переключений. Модель должна являться физической моделью, чтобы спрогнозировать высвобождение водорода на основании числа переключений и тока нагрузки, или модель может являться аналитической моделью, основанной на измерениях и/или полученных ранее данных, где среднее значение высвобождения водорода вычисляется на основании числа переключений и тока нагрузки.
Уровень содержания водорода в масле переключателя ответвлений обычно сильно зависит от того, как работает переключатель ответвлений, т.е. от того, как часто осуществляются переключения ответвлений, и какие токи нагрузки нужно прерывать.
Эта модель, основанная на определении наличия неисправности вакуумного прерывателя, имеет гораздо меньшую вероятность ошибок по сравнению с системой, которая только сравнивает измеренный уровень содержания водорода в масле с абсолютным значением уровня содержания водорода. Ложное определение наличия неисправности вакуумного прерывателя может привести к необязательному отключению системы трансформатор - переключатель ответвлений. Это необязательное отключение приведет к потенциальной потере мощности всех соединенных систем, например, промышленных установок или жилых зданий, что будет очень дорого.
В другом варианте осуществления данного изобретения определение наличия неисправности вакуумного прерывателя основано на выполнении условия
2
2
2
mes
mes
est
[H (new) - H (old)] - ∆H  > eps
2
mes
H (new) является параметром, описывающим текущее измерение содержания водорода в масле, причем он может являться одним измерением или средним значением или средней величиной определенного числа результатов измерения;
2
mes
H (old) является параметром, описывающим предыдущее измерение содержания водорода в масле, причем он может являться результатом одного измерения или средним значением или средней величиной определенного числа предыдущих результатов измерения;
2
est
∆H  является ожидаемым изменением содержания водорода в масле на основании работы переключателя ответвлений. Работа переключателя ответвлений заключается в определении времени переключений дивертерного переключателя и тока нагрузки во время переключений;
eps является параметром безопасности, который гарантирует, что неисправность вакуумного прерывателя не определена до тех пор, пока измеренное увеличение содержания водорода не будет больше eps. eps может быть равен порядка от нескольких миллионных долей до нескольких сотен миллионных долей содержания водорода в масле, в зависимости от типа переключателя ответвлений, нагрузки, свежести масла и риска ложного срабатывания сигнализации.
Детектирование содержания водорода и слежение в переключателе ответвлений имеют дополнительные преимущества, которые заключаются в том, что их можно применять также для детектирования наличия:
- коммутационных искровых разрядов, которые создадут гораздо меньше водорода в масле по сравнению с полной дугой;
- частичных разрядов, которые будут создавать постоянное медленное увеличение содержания водорода в масле, и приводить к сигналу наличия водорода, отличному от сигнала наличия водорода в случае горения дуги;
- серьезного перегревания со связанными с ним дугами, которые приведут к сигналу наличия водорода, отличному от сигнала наличия водорода в случае горения дуги в переключателе ответвлений.
В другом варианте осуществления данного изобретения вычислительный блок сконфигурирован с возможностью отправлять предупреждение в систему управления в случае детектирования наличия неисправности вакуумных прерывателей (MVI, RVI).
В другом варианте осуществления вычислительные средства являются интегрированной частью системы управления, что может быть обеспечено с помощью компьютерного программного продукта, улучшающего существующую программу управления.
В другом варианте осуществления данного изобретения вычислительный блок сконфигурирован с возможностью отправлять сигнал в систему управления для остановки или ограничения перемещения дивертерного переключателя в случае детектирования наличия неисправности вакуумных прерывателей (MVI, RVI).
В другом варианте осуществления данного изобретения вычислительный блок сконфигурирован с возможностью получать данные операции переключателя ответвлений, и вычислительный блок сконфигурирован с возможностью вычислять ожидаемое изменение содержания водорода и сравнивать ожидаемое изменение содержания водорода с проанализированными результатами измерения содержания водорода в масле, чтобы определить наличие неисправности вакуумных прерывателей (MVI, RVI).
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 схематически изображает переключатель ответвлений под нагрузкой в трансформаторе в варианте осуществления согласно изобретению;
Фиг.2а-2е схематически изображают переключение переключателя ответвлений под нагрузкой без вакуумных прерывателей;
Фиг.3а-3h схематически изображают переключение переключателя ответвлений под нагрузкой с вакуумными выключателями;
Фиг.4 изображает одну ситуацию, в которой будет гореть дуга во вспомогательных выключателях в переключателе ответвлений под нагрузкой с вакуумными прерывателями;
Фиг.5 является схематическим видом переключателя ответвлений под нагрузкой;
Фиг.6-8 являются схематическим видом изменения содержания водорода в масле в зависимости от времени в переключателе ответвлений, а также различных уровней предупреждения и тревоги;
Фиг.9 изображает вариант осуществления изобретения, предоставляющий альтернативу компоновке переключателя ответвлений под нагрузкой на фиг.1.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения предоставлено ниже. Следует, тем не менее, понимать, что данное изобретение может быть реализовано различными способами. Таким образом, отдельные особенности, раскрытые здесь, следует интерпретировать не как ограничивающие, а, скорее, как основание для формулы изобретения и как характерную основу для обучения специалиста в данной области техники для применения данного изобретения в практически любой подходящей схеме, компоновке или способе.
Фиг.1 схематически изображает переключатель 2 ответвлений под нагрузкой в трансформаторе 8 в варианте изобретения по данному изобретению. Селектор 1 ответвлений установлен после дивертерного переключателя 3. Перемещения устройства ПОПН осуществляются с помощью энергии, получаемой от электроприводного механизма 9, установленного на стенке трансформатора 8. Движение от двигателя 9 передается с помощью валов 6' и 6” и конического редуктора 7. Расширительный бак 5 гарантирует достаточное количество масла в устройстве ПОПН при любых температурах.
Устройство 10 датчика водорода погружено в масло переключателя ответвлений, причем положение на чертеже только примерное, оно может быть расположено где угодно в корпусе.
Устройство 10 датчика водорода посылает сигнал на блок 11 управления приводом, который управляет движением двигателя 9, приводящего в действие дивертерный переключатель 3.
Как вариант, устройство 10 датчика водорода посылает сигнал на вычислительный блок, причем этот вычислительный блок также получает сигналы, указывающие перемещение дивертерного переключателя, такие как сигналы команды работы для двигателя 9, причем сигнал команды работы принимается, например, от двигателя 9. И трансформатор 8, и устройство ПОПН 2 заполнены маслом, но имеют различные корпусы, и масло в устройстве ПОПН и масло в трансформаторе никогда не контактируют. Также можно расположить устройство ПОПН снаружи трансформаторного бака.
Фиг.1 изображает первый вариант осуществления, в котором датчик 10 соединен с блоком 11 управления приводом, который включает в себя средство для определения наличия неисправности на основании измерений содержания водорода. Блок 11 управления может быть включен в систему управления подстанции, передающей электроэнергию.
Фиг.9 изображает альтернативный вариант осуществления, в котором датчик 10 соединен с вычислительным блоком 12, включающим в себя средство определения наличия неисправности на основании содержания водорода. Вычислительный блок 12 на фиг.9 также соединен с механизмом электропривода и принимает сигналы от механизма электропривода, когда переключатель ответвлений перемещается. Эти сигналы могут являться сигналами команды, которые механизм 9 электропривода принимает от блока 11 управления приводом через соединение управления приводом, которое соединяет блок 11 управления приводом с двигателем 9. Варианты осуществления с фиг.1 и 9 включают в себя расположение датчика 10 в масле переключателя ответвлений, причем этот датчик передает результаты измерений на вычислительный блок 11, 12. Связь может быть обеспечена путем передачи аналоговых сигналов от датчика, причем эти аналоговые сигналы преобразуются в цифровые данные, например, с помощью модуля ввода/вывода (I/O), отбирающего аналоговые данные обработки и включающего в себя преобразователь переменного тока в постоянный ток и средство для цифровой связи, такие как возможности Ethernet связи, причем этот модуль принимает электрические аналоговые сигналы измерений от датчика, преобразовывает сигналы в цифровые данные, которые он далее передает с помощью Ethernet в компьютерную систему управления, например, подстанции. Как вариант, датчик 10 включает в себя цифровые средства обработки и связи и отбирает результаты измерений в данные, которые передаются на вычислительный блок системы управления подстанции с помощью, например, шины цифровых данных. Таким образом, устройство 10 датчика водорода подает сигнал на вычислительные средства 11, 12, которые выполнены с возможностью определения наличия неисправности вакуумного прерывателя на основании содержания водорода, предпочтительно, истории этого содержания, или изменений содержания водорода. Вычислительные средства подходящим образом также выполнены с возможностью использования данных по работе переключателя ответвлений, и используют эти данные для улучшения анализа для лучшего определения наличия неисправности вакуумного прерывателя. Таким образом, результат переключения переключателя ответвлений может быть оценен при оценке содержания водорода, так что ожидаемый уровень содержания водорода на основании нормального изменения содержания водорода и также увеличения содержания водорода, которое возникает при переключении, может быть использован вместо только фиксированного опасного уровня содержания водорода. Вычислительное средство может быть обеспечено с помощью компьютерной программы, которая, когда она установлена на управляющий компьютер подстанции для передачи электроэнергии, улучшает производительность системы управления путем добавления функции определения наличия неисправности вакуумного прерывателя в соответствии с изобретением. Таким образом, компьютерная программа сделает возможным использование сигналов от датчика водорода, подходящим образом установленных внутри заполненного маслом устройства ПОПН, для определения наличия неисправности вакуумного прерывателя. Компьютерная программа также обеспечивает средство использования сигналов, указывающих перемещение устройства ПОПН для дополнительного улучшения определения. Сигналы, которые указывают перемещение, могут обеспечиваться сигналами работы механизма 9 электропривода, уже присутствующими в системе управления, или могут быть предприняты действия для обеспечения соответствующих сигналов в системах, ранее их не использовавших. Сигналы подходящим образом принимаются от механизма 9 электропривода, когда он работает, или от блока 11 управления приводом, который подает эти командные сигналы на двигатель 9.
Фиг.2а-2е схематически изображают последовательность переключения переключателя ответвлений под нагрузкой с положения 6 в положение 5 на обмотке трансформатора.
Протекания основных электрических токов указаны серыми стрелками.
Последовательность отображает симметричный флажковый цикл. Это означает, что основной переключающий контакт дивертерного переключателя размыкается до того, как токоограничивающий резистор включается на этапе регулирования. Это гарантирует максимальную надежность при работе переключателя в условиях перегрузки.
При номинальной нагрузке прерывание происходит при первом нулевом значении тока после отделения контактов, что означает среднее время горения дуги порядка 4-6 мс. Общее время полной последовательности составляет порядка 50 миллисекунд. Время работы переключателя ответвлений механизма электропривода примерно равно 5 с/этап.
Фиг.2а: Селекторный контакт V соединен с ответвлением 6, а селекторный контакт Н с ответвлением 5. Основной контакт x пропускает ток нагрузки.
Фиг 2b: Основной контакт x разомкнулся. Ток нагрузки проходит через резистор Ry и резисторный контакт y.
Фиг.2с: Резисторный контакт u замкнулся. Ток нагрузки распределен между Ry и Ru. Циркулирующий ток ограничен сопротивлением, равным Ry плюс Ru.
Фиг.2d: Резисторный контакт y разомкнулся. Ток нагрузки проходит через Ru и контакт u.
Фиг.2е: Основной контакт v замкнулся, резистор Ru шунтирован, и ток нагрузки проходит через основной контакт v. Переключатель ответвлений под нагрузкой теперь в положении 5.
Дуги возникают при любом переключении, когда размыкается контакт.
Фиг.3а-3g схематически изображают переключение переключателя ответвлений под нагрузкой с вакуумными прерывателями. Путем использования вспомогательной контактной системы (MC, RC) в сочетании с вакуумными прерывателями (MVI, RVI), требуется только по два вакуумных прерывателя на фазу.
Фиг.3а изображает протекание тока в нормальном режиме работы, от х до нейтральной точки звезды (может также быть до следующей фазы). Основной путь прохождения тока обозначен серыми стрелками.
При передаче нагрузки от х к v этапы последовательности работы следующие:
Фиг.3b - размыкание основного вакуумного прерывателя (MVI) и, следовательно, предоставление току возможности течь через токоограничивающий резистор (TR).
Фиг.3с, 3d - основной контакт (MC) затем поворачивается для соединения с v.
Фиг.3е - основной вакуумный прерыватель затем замыкается, что означает подключение нового ответвления, что приводит к связанному с этим циркулирующему току, возникающему из-за разности потенциалов.
Фиг.3f - токоограничивающий резистор отсоединяется при размыкании резисторных вакуумных прерывателей (RVI). Ток нагрузки теперь проходит по нормальному пути от v до нейтральной точки звезды.
Фиг.3g - резисторный контакт (RC) затем поворачивается и устанавливается на место.
Фиг.3h - наконец, последовательность завершена и следующее рабочее положение достигнуто, когда резисторный вакуумный прерыватель замкнут.
Фиг.4 является изображением того же этапа, что и фиг.3, с той разницей, что основной вакуумный прерыватель (MVI) в результате не разомкнул цепь или не прервал ток в основном вспомогательном контакте (MC). Когда основной контакт (МС) вращается для соединения с v, ток прерывается в результате перемещения основного вспомогательного контакта (МС). Возникающая дуга гасится в масле, но так как вспомогательные контакты не рассчитаны на повторяющееся воздействие дуги, может иметь место повреждение. Если это происходит более 10-500 раз, в зависимости от тока нагрузки, существует опасность отказа вспомогательных контактов, и устройство ПОПН будет отключено. Если ток прерывается вспомогательными контактами и гасится в масле, концентрация водорода в масле быстро увеличится, и детектирование этого увеличения будет надежным способом указания этого неисправного состояния.
Фиг.5 является схематическим видом переключателя ответвлений под нагрузкой, который используется с вариантами осуществления данного изобретения. Изображенный переключатель 12 ответвлений сформирован из двух основных частей, дивертерного переключателя 24 и селектора 26 ответвлений, связанных друг с другом соединениями 30. Дивертерный переключатель 24 может включать в себя обычную крышку 28 корпуса.
Фиг.6 изображает схематический вид возможной зависимости содержания/концентрации 46 водорода в масле от времени в переключателе ответвлений. Датчик водорода измеряет содержание/концентрацию 46 водорода в масле, и в процессе анализа измерений сравниваются измеренные данные с различными уровнями предупреждения или тревоги, например, с уровнем 40 предупреждения, с первым уровнем 41 тревоги и со вторым уровнем 42 тревоги.
Каждый уровень может быть связан с различными действиями. Например, когда концентрация водорода превышает 43 уровень 40 предупреждения, система управления предупреждает операторов системы мониторинга трансформатора или системы оповещения общей системы управления станцией, что что-то может быть не так с переключателем ответвлений. Когда концентрация водорода превышает 44, первый уровень тревоги 41, система управления предупреждает операторов системы мониторинга трансформатора или системы оповещения общей системы управления станцией, и будет осуществлять только самые необходимые переключения ответвлений. Когда концентрация водорода превышает 45 второй уровень тревоги 42, система управления предупреждает операторов системы мониторинга трансформатора или системы оповещения общей системы управления станцией, и прекращает все переключения ответвлений.
Фиг.7 изображает схематический вид возможной зависимости содержания/концентрации 46 водорода в масле от времени в переключателе ответвлений. Датчик водорода измеряет содержание/концентрацию 46 водорода в масле, и в процессе анализа измерений, осуществленного с помощью средств обработки данных, сравниваются измеренные последовательности данных с различными уровнями предупреждения или тревоги увеличения концентрации водорода.
В области 52 степень увеличения измеренной концентрации водорода больше возможного увеличения, требующего предупреждения, 50. В области 53 степень увеличения измеренной концентрации водорода больше возможного увеличения, требующего тревоги, 51. Анализ последовательностей 46 данных может включать в себя сглаживание или фильтрование измеренных значений.
Фиг.8 изображает схематический вид возможного изменения содержания/концентрации водорода 46 в масле от времени в переключателе ответвлений, в котором каждое переключение связано со скачкообразным увеличением концентрации водорода. Это приведено для иллюстрации того, что анализ системы также должен включать в себя частоту переключений ответвлений или время между переключениями ответвлений. Большое число переключений 51 ответвлений может вызвать большее увеличение водорода по сравнению с более редкими переключениями 50 ответвлений. Но рост кривой 50 с несколькими переключениями ответвлений может указать на наличие проблемы. Система должна быть способна, и должным образом выполнена для различения случаев 50, 51, и должна выдавать предупреждение/тревогу для случая 50, но не для случая 51. Относительный размер кривых и уровней тревоги на фиг.6-8 приведен только с целью иллюстрации.
Известно, что горение дуги в изолирующем масле приводит к образованию водорода в масле. Этот эффект иногда используется для наблюдения за работой трансформатора. Он не был использован для наблюдения за устройством ПОПН без вакуумных прерывателей, так как горение дуги в масле происходит в нормальном режиме работы.
С введением устройств ПОПН с вакуумными прерывателями горение дуги в масле в нормальном режиме было исключено, все дуги возникают в вакуумных прерывателях. Если дуга в масле возникает в устройстве ПОПН с вакуумными выключателями, это указывает на то, что имеется серьезное повреждение.
Для традиционных устройств ПОПН с гашением дуги в масле, работающих в соответствии с принципом флажкового цикла, как изображено на фиг.2, осуществляются два прерывания с возникновением дуг при каждой операции переключения. Одна дуга возникает при размыкании основного контакта (т.е. между фиг.2а и фиг.2b), и одна дуга возникает при размыкании промежуточных контактов (т.е. между фиг.2с и фиг.2d).
Дуга в основных контактах имеет ток, равный току нагрузки, в то время как ток в промежуточных контактах равен сумме половины тока нагрузки и циркулирующего тока. Циркулирующий ток зависит от уровня напряжения и сопротивления токоограничивающего резистора, и, таким образом, не зависит от нагрузки.
Каждая из этих дуг продолжается обычно максимум в течение половины периода, и средняя продолжительность составит половину периода, что равно 5 мс для 50 Гц. Энергия в этих дугах определяет количество генерируемого газа. Можно принять, что образование газа линейно зависит от рассеяния энергии при горении дуг.
Основной задачей устройства ПОПН с гашением дуги в вакуумных прерывателях является предотвращение горения дуги в масле. Горение дуги в масле приводит к нескольким недостаткам, таким как повышенная эрозия материала контактов в размыкающих контактах и ухудшение качества масла в связи с высокими температурами при горении дуги. Ухудшение качества масла приводит к образованию веществ, которые уменьшают диэлектрическую прочность масла, особенно в присутствии влаги, и также увеличивают износ механизма.
Дивертерный переключатель прерывает ток от одного ответвления до того, как он соединяется с другим. Для того чтобы не создавать разрывов в цепи, ток нагрузки проходит через промежуточные контакты в течение времени, которое требуется основным контактам для безопасного прерывания тока от ответвления 1, до тех пор, пока не соединится с ответвлением 2.
Если прерывание нагрузки в устройстве ПОПН не получится, например, в результате неисправности вакуумного прерывателя, существует опасность соединения с ответвлением 2 до отсоединения ответвления 1. В связи с электрическими свойствами трансформатора, короткое замыкание одной ступени регулирования приведет к большим токам, которые уничтожат не только устройство ПОПН, но и также обмотку/обмотки трансформатора. Также возникает серьезная угроза еще больших повреждений в связи с возникновением пожара, взрывов и т.д.
В результате того, что коммутация токов осуществляется вакуумными прерывателями, они становятся основными компонентами. Если они не смогут прервать ток, могут произойти серьезные повреждения, описанные выше.
Путем проектирования вспомогательных контактов таким образом, что они могут прервать ток нагрузки или циркулирующий ток в случае неисправности вакуумного прерывателя, достигается более высокий запас надежности, что позволяет избежать таких серьезных повреждений.
Так как вспомогательные контакты сделаны, в первую очередь, для проведения тока, выбираются материалы с низким сопротивлением, а не с хорошей устойчивостью к горению дуги. Задачей является их возможность осуществить половину цикла работы, при этом прерывая максимум номинального тока нагрузки, осуществляя функцию как проводника тока, так и прерывающего контакта.
Таким образом, детектированное устройство наблюдения должно объявить тревогу до того, как контакты будут уничтожены горением дуг до той степени, когда они уже не смогут полностью выполнять своих функций. Целью является объявление тревоги для предотвращения отключения трансформатора. Так как возможны определенные операции, нет необходимости отключать трансформатор. Возможно определенное число способов детектирования, таких как детектирование с помощью давления, детектирование с помощью расхода масла (в трубе маслорасширителя), детектирование по свечению, детектирование по радиоизлучению, и т.д.
Это изобретение реализует возможность использования изменений концентрации водорода в изолирующем масле в качестве параметра для детектирования наличия горения дуг в масле.
Это основано на том факте, что горение дуг в вакуумном прерывателе не генерирует газ в масле. Тем не менее, устройства ПОПН с вакуумными прерывателями для высоких токов обычно имеют шунтирующие контакты, которые шунтируют цепь вакуумного прерывателя, когда устройство ПОПН находится на месте, чтобы не допустить длительное пропускание токов вакуумными выключателями, так же как и для того, чтобы защитить их от токов короткого замыкания.
Шунтирующий контакт будет генерировать коммутационные искровые разряды, когда ток будет коммутироваться от шунтирующей цепи на цепь вакуумного прерывателя в связи с малой индуктивностью в цепи. Эти искровые разряды будут генерировать малое количество водорода. Высвобожденная энергия, тем не менее, составляет только несколько процентов от энергии настоящей дуги в масле, и генерация газа соответствует этому соотношению.
Те устройства ПОПН, которые не имеют шунтирующих контактов, все же имеют вспомогательные контакты. Они не коммутируют какой-либо ток, но в процессе переключения они потенциально быстро размыкаются, в результате чего они имеют высокое напряжение, которое вызывает искровые разряды малой емкости. Энергия в этих дуговых разрядах меньше даже по сравнению с коммутационными искровыми разрядами в шунтирующих контактах, но, все же, они приведут к образованию небольшого количества водорода в масле после большого количества срабатываний под напряжением.
Таким образом, изобретение может быть применено в различных типах устройств ПОПН, например, в устройствах ПОПН, имеющих шунтирующие контакты, и в устройствах ПОПН без шунтирующих контактов. Анализ, осуществляемый с помощью вычислительного средства, должен быть выполнен соответствующим образом, но его основные особенности останутся прежними.
2
2
2
Составы этих газов соответствуют порядка 75% водорода (Н) и порядка 20% ацетилена (СН). Для искровых разрядов малой емкости состав будет ближе к 100% водорода. Ацетилен легко растворяется в масле в связи с его схожестью с углеводородами в масле, в то время как водород растворяется плохо.
Благодаря анализу содержания водорода в масле, доступны более дешевые и надежные измерительные устройства по сравнению с ситуацией, когда необходим анализ углеводородов. Непрерывные измерения содержания водорода в трансформаторном масле являются также хорошо зарекомендовавшим себя способом, который практикуется в течение уже довольно длительного времени.
Таким образом, измерение водорода в трансформаторном масле не представляет из себя ничего нового. Результаты должны интерпретироваться таким образом, чтобы получился надежный способ наблюдения. Интерпретация должна работать, по меньшей мере, для большинства различных вариантов применения, при малом токе, при малой рабочей частоте, при использовании другой системы выпуска газа, и т.д.
Существует два возможных пути интерпретации результатов измерения содержания водорода:
1. Объявить тревогу при определенной концентрации водорода в масле;
2. Определить степень увеличения содержания водорода относительно как количества операций на единицу времени, так и тока нагрузки при переключении.
Интерпретация 1. Так как со временем определенное количество водорода будет уходить в окружающую среду, малая генерация скоро приведет к равенству образования и удаления, что приведет к низкой и достаточно постоянной концентрации. Уровень тревоги может быть установлен настолько высоким, чтобы работа осуществлялась во всем диапазоне токов нагрузки, так как образование водорода при горении дуг в масле гораздо сильнее. Горение дуг в масле приведет к быстрому увеличению концентрации, что приведет к превышению уровня тревоги даже при малых нагрузочных токах. Это устройство не требует сложной логики, и поэтому является простым и дешевым способом.
Интерпретация 2. Этот способ требует определенной логики и доступа к информации о том, когда происходят операции, и о нагрузке трансформатора. Но он обладает преимуществом, которое заключается в том, что он более чувствительный, и реагирует быстрее, особенно в вариантах применения с низкими токами и/или низкой рабочей частотой. Этот способ, предпочтительно, используется в сочетании с системой управления и защиты трансформатора, такой как АВВ ТЕС или аналогичной, которая уже имеет доступ к необходимым данным. Конечно же, он может быть реализован и с помощью отдельного блока.
Интерпретация реализована в виде специальной программы в системе управления. Интерпретация реализована таким образом, что изменение концентрации водорода связано с энергией искровых разрядов, высвобождаемой за единицу времени. Ток нагрузки доступен, так же как и число операций за единицу времени. Энергия горения дуги, таким образом, может быть легко вычислена, а концентрация водорода соотнесена с ней.
Если нагрузка изменяется и/или рабочая частота изменяется, способ должен быть выполнен с возможностью автоматического вычисления ожидаемых значений в определенном допустимом интервале. Этот интервал может быть довольно большим, так как различие между генерацией водорода в нормальном режиме работы и при горении дуги в масле очень велико. Таким образом, вычисление не обязательно должно быть очень точным.