СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ
METHOD FOR OPERATIVE CONTROL OF SHORT-CIRCUIT RESISTANCE IN SINGLE-PHASE DOUBLE-WINDING TRANSFORMER IN WORKING MODE

Изобретение относится к области электромеханики, а именно к применению средств обработки информации в электромеханике, и может быть использовано для оперативного контроля сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме.
Известен способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов [А.с. СССР №1221620, G01R 31/02, опубл. 30.03.1986. Бюл. №12], заключающийся в том, что измеряют векторы напряжений первичной и вторичной внутренних обмоток силового трансформатора, нормируют, определяют разность нормированных векторов напряжений этих обмоток, измеряют величину тока вторичной обмотки силового трансформатора, определяют отношение разности нормированных векторов напряжений первичной и вторичной обмоток к величине этого тока, измеряют частоту напряжения силового трансформатора, находят отношение измеренного значения частоты к эталонному и определяют величину сопротивления короткого замыкания как произведение отношений разности векторов напряжений обмоток к величине тока и измеренной частоты к эталонной.
Недостатки данного способа:
- для его реализации необходимо использование дополнительных промежуточных трансформаторов, что значительно усложняет монтаж устройства, реализующего данный способ, увеличивает его габариты и стоимость;
- использование промежуточных трансформаторов может приводить к появлению дополнительных инструментальных погрешностей, вызванных потерями в данных трансформаторах;
- при несинусоидальных токах и напряжениях на результат расчетов будет оказывать влияние тип используемых измерительных приборов (вольтметров и амперметра), что может привести к росту суммарной инструментальной погрешности.
Известен способ контроля состояния обмоток трансформатора [А.с. СССР №1742750, G01R 31/02, опубл. 23.06.1992. Бюл. №23], включающий одновременные измерения напряжений и токов каждой обмотки при ограниченной нагрузке трансформатора в фиксированные моменты времени, определение значений параметров контроля и их отклонений от эталонных значений параметров контроля. Одновременно с измерением напряжений и токов обмоток дополнительно измеряют частоту напряжения сети.
1
2
1
2
1
2
1
2
В качестве параметра контроля принимают полное сопротивление рассеяния трансформатора Z. Для двухобмоточного трансформатора полное сопротивление рассеяния определяют как сумму полных сопротивлений рассеяния первой Z и второй Z' обмоток. Для определения двух неизвестных параметров Z и Z' производят два измерения напряжений и токов в фиксированные моменты времени при различных значениях напряжений первой U и второй U' обмоток, токов первой I и второй I' обмоток. Получают два уравнения вида (1)
э
Одновременно с этим измеряют частоту напряжения. Если частота f в момент измерения напряжений и токов отличается от частоты f, при которой определены эталонные значения параметров контроля, то параметр контроля определяют по формуле
Недостатки данного способа:
1
2
1
2
- этот способ можно использовать только в ограниченном диапазоне изменения нагрузки, так как при значительном изменении величины и характера тока нагрузки расчет параметров Z и Z' по двум уравнениям вида (1), соответствующим двум режимам, будет невозможен, так как параметры Z и Z' изменяются при изменении тока нагрузки трансформатора;
1
2
- даже при незначительном изменении нагрузки будет существовать погрешность, вызванная тем, что значения сопротивлений Z и Z' при двух нагрузочных режимах будут различны.
Известен способ контроля сопротивления короткого замыкания трансформатора в рабочем режиме [TDM - система диагностического мониторинга трансформаторного оборудования. Техническое описание модулей системы TDM / Производственно-внедренческая фирма «Вибро-Центр». - Пермь, 2006, стр.10], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что после каждого воздействия на обмотки трансформатора токов короткого замыкания производят измерение напряжений на вводах одной фазы трансформатора, при этом синхронно регистрируют ток нагрузки этой же фазы. Полученную информацию используют для построения векторной диаграммы приведенного трансформатора и аналитического расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора как величины пропорциональной разности фазовых углов между током и напряжением первичной обмотки и током и напряжением вторичной обмотки. При этом используют допущение, что токи первичной и вторичной обмотки трансформатора совпадают по фазе.
Недостатки данного способа:
- погрешность расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора, вызванная наличием угла сдвига фаз между токами первичной и вторичной обмоток трансформатора в нагрузочном режиме;
- погрешность, связанная с возможным изменением параметров режима работы сети при нестабильности ее частоты.
Задача предлагаемого изобретения - создание способа оперативного контроля сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме.
Поставленная задача решена за счет того, что способ оперативного контроля сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме, так же как в прототипе, заключается в том, что при работе трансформатора в режиме, когда его первичную обмотку подключают к источнику питания, а вторичную обмотку подключают к нагрузке, регистрируют для одних и тех же моментов времени массивы мгновенных значений тока вторичной обмотки и напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора. Далее по массивам мгновенных значений тока вторичной обмотки определяют его действующее значение. Затем по массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток определяют действующие значения этих напряжений.
В отличие от прототипа определяют величину отношения измеренной частоты сети к номинальному значению частоты. Далее по известным массивам мгновенных значений и действующим значениям напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора определяют величину угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора. Одновременно с этим приводят действующее значение напряжения первичной обмотки к вторичной цепи с помощью коэффициента приведения. Далее по величинам действующего значения напряжения вторичной обмотки, приведенного действующего значения напряжения первичной обмотки и углу сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток определяют действующее значение суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках. Затем по ранее определенной величине действующего значения тока вторичной обмотки, величине отношения измеренной частоты сети к номинальному значению частоты и действующему значению суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках определяют величину сопротивления короткого замыкания трансформатора.
Таким образом, предлагаемый способ может позволить оперативно получать информацию о величине сопротивления короткого замыкания трансформатора в его рабочих режимах с любой необходимой периодичностью, кратной периоду регистрируемых сигналов, а также учитывать изменение величины расчетного сопротивления короткого замыкания трансформатора при нестабильности частоты сети.
На фиг.1 представлена аппаратная схема устройства, реализующего рассматриваемый способ.
В таблице 1 приведены экспериментально полученные массивы мгновенных значений тока вторичной обмотки и напряжений первичной и вторичной обмоток однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочих режимах.
В таблице 2 приведены действующие значения тока вторичной обмотки, напряжений первичной и вторичной обмоток, приведенного напряжения первичной обмотки, угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток, действующее значение суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, а также полученные величины сопротивления короткого замыкания трансформатора для двух рабочих режимов при различной нагрузке трансформатора.
В таблице 3 приведены паспортные данные однофазного двухобмоточного трансформатора ОСМ-2У, использовавшегося для апробации данного способа.
Предлагаемый способ оперативного контроля сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме может быть реализован при помощи устройства, аппаратная схема которого приведена на фиг.1.
Выходы регистратора электрических сигналов 1 (РЭС), подключенного через коммутатор к трансформаторам тока и напряжения схемы измерений двухобмоточного трансформатора (на фиг.1 не показаны) последовательно соединены с входом блока расчета действующих значений тока вторичной обмотки 2 (БРТ) и входами блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН). Выход блока расчета действующих значений тока вторичной обмотки 2 (БРТ) связан с входом блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС). Один из выходов блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) соединен с входом блока приведения 5 (БПр) и третьим входом блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ). Другой выход блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) присоединен к входу блока расчета падения напряжения 7 (БРПН) и четвертому входу блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ). Первый и второй входы блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ) соединены с соответствующими выходами регистратора электрических сигналов 1 (РЭС). Выход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ) связан с одним из входов блока расчета падения напряжения 7 (БРПН). Выход блока приведения 5 (БПр) присоединен к входу блока расчета падения напряжения 7 (БРПН). Выход блока расчета падения напряжения 7 (БРПН) соединен с входом блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС), другой вход которого подключен к выходу блока контроля изменения частоты 8 (БКЧ). Вход блока контроля изменения частоты 8 (БКЧ) соединен с выходом устройства измерения частоты сети, не входящим в состав устройства (на фиг.1 не показано). Выход блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС) соединен с устройством сбора и передачи данных (на фиг.1 не показан).
В качестве регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) может быть выбран цифровой регистратор электрических сигналов типа «Парма» или «Черный ящик». Блок расчета действующих значений тока вторичной обмотки 2 (БРТ), блок расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН), блок расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС), блок приведения 5 (БПр), блок расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ), блок расчета падения напряжения 7 (БРПН) и блок контроля изменения частоты 8 (БКЧ) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя Atmel AT89S8253.
В качестве примера приведена апробация предлагаемого способа оперативного контроля сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме для однофазного двухобмоточного трансформатора ОСМ-2У, паспортные данные которого приведены в табл.3.
Первичная обмотка трансформатора номинальным напряжением 220 В подключена к источнику питания с частотой 50 Гц, а к его вторичной обмотке подключена активно-индуктивная нагрузка.
Для данного трансформатора при помощи регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) в рабочем режиме для одних и тех же моментов времени регистрируют массивы мгновенных значений тока вторичной обмотки и напряжений первичной и вторичной обмоток с дискретностью по времени Δt=0,0005 с, что соответствует числу отсчетов на периоде N=40.
2
j
Далее с выхода регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) массив мгновенных значений тока вторичной обмотки |i(t)| поступает на вход блока расчета действующих значений тока вторичной обмотки 2 (БРТ), в котором по массиву мгновенных значений тока определяют действующее значение тока вторичной обмотки
где N - число отсчетов мгновенных значений на периоде тока.
2
С выхода блока расчета действующих значений тока вторичной обмотки 2 (БРТ) действующее значение тока вторичной обмотки I поступает на вход блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС).
1
j
2
j
Одновременно с этим с другого выхода аналого-цифрового преобразователя регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) массив мгновенных значений напряжения первичной обмотки |u(t)| поступает на один из входов блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) и первый вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ), а массив мгновенных значений напряжения вторичной обмотки |u(t)| с соответствующего выхода регистратора электрических сигналов 1 (РЭС) поступает на другой вход блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) и на второй вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ).
1
j
2
j
Затем в блоке расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) по массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток |u(t)|,|u(t)| определяют:
- действующее значение напряжения первичной обмотки:
где N - число отсчетов мгновенных значений на периоде напряжения;
- действующее значение напряжения вторичной обмотки:
1
2
С выходов блока расчета действующих значений напряжений первичной и вторичной обмоток 3 (БРН) действующее значение напряжения первичной обмотки U поступает на вход блока приведения 5 (БПр) и третий вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ), а действующее значение напряжения вторичной обмотки U поступает на вход блока расчета падения напряжения 7 (БРПН) и на четвертый вход блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ).
m
2
j
1
j
2
j
Одновременно с этим с выхода устройства измерения частоты сети на вход блока контроля изменения частоты 8 (БКЧ) поступает информация о значении частоты сети f, измеренной в период регистрации массивов мгновенных значений токов и напряжений |i(t)|, |u(t)|, |u(t)|.
nom
В блоке контроля изменения частоты 8 (БКЧ) определяют отношение измеренной частоты сети к номинальному значению частоты f:
С выхода блока контроля изменения частоты 8 (БКЧ) значение величины отношения измеренной частоты сети к номинальному значению частоты  поступает на один из входов блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС).
1
j
2
j
l
2
Далее в блоке расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ) по массивам мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток |u(t)|,|u(t)| и действующим значениям напряжений первичной и вторичной обмоток U, U определяют величину угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора:
U1_U2
С выхода блока расчета угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток 6 (БРФ) значение угла сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора φ поступает на соответствующий вход блока расчета падения напряжения 7 (БРПН).
ПР
Одновременно с этим в блоке приведения 5 (БПр) действующее значение напряжения первичной обмотки приводят к вторичной цепи с помощью коэффициента приведения К, принимаемого равным коэффициенту трансформации из технического паспорта трансформатора или протокола испытаний трансформатора
С выхода блока приведения 5 (БПр) приведенное значение действующего напряжения первичной обмотки  поступает на вход блока расчета падения напряжения 7 (БРПН).
2
U1_U2
Далее по величинам действующего значения напряжения вторичной обмотки U, приведенного действующего значения напряжения первичной обмотки  и углу сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток φ в блоке расчета падения напряжения 7 (БРПН) определяют действующее значение суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках
12
С выхода блока расчета падения напряжения 7 (БРПН) действующее значение суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках ΔU поступает на вход блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС).
2
12
Затем в блоке расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС) по ранее определенной величине действующего значения тока вторичной обмотки I, величине отношения измеренной частоты сети к номинальному значению частоты  и действующему значению суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках ΔU определяют величину сопротивления короткого замыкания трансформатора
K
В качестве окончательного результата на выходе блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС) получают значение сопротивления короткого замыкания Z однофазного двухобмоточного трансформатора.
K
С выхода блока расчета сопротивления короткого замыкания трансформатора 4 (БРС) данные о величине сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора Z поступают на вход устройства сбора и передачи данных.
Определенные по такому способу при двух нагрузочных режимах сопротивления короткого замыкания трансформатора приведены в табл.2 и имеют следующие значения:
K
для режима №1 Z=4,894 Ом;
K
для режима №2 Z=4,919 Ом.
Определение величины короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме через определенные интервалы времени, задаваемые оператором, позволяет осуществлять оперативный контроль сопротивления короткого замыкания однофазного двухобмоточного трансформатора и фиксировать динамику его изменения во времени, что в свою очередь может служить источником информации об изменении технического состояния контролируемого однофазного двухобмоточного трансформатора.
СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ
Таблица 1
Время t, c
Режим №1
Режим №2
i<sub>2</sub>(t<sub>j</sub>)
u<sub>1</sub>(t<sub>j</sub>)
u<sub>2</sub>(t<sub>j</sub>)
i<sub>2</sub>(t<sub>j</sub>)
u<sub>1</sub>(t<sub>j</sub>)
u<sub>2</sub>(t<sub>j</sub>)
1
2
3
4
5
6
7
0
0,6477
252,241
306,623
-4,11825
-263,753
-329,443
0,0005
1,16535
270,456
328,645
-4,2942
-244,908
-307,98
0,001
1,66515
279,76
341,81
-4,3911
-222,83
-282,129
0,0015
2,1114
278,814
342,767
-4,42425
-198,071
-254,043
0,002
2,47605
265,803
330,001
-4,36815
-172,051
-221,809
0,0025
2,75145
246,879
307,182
-4,24575
-142,719
-187,181
0,003
2,96565
224,486
279,815
-4,00095
-108,182
-145,772
0,0035
3,15435
203,196
253,724
-3,60825
-64,1839
-94,0695
0,004
3,2538
173,707
218,458
-3,08805
-16,8739
-38,298
0,0045
3,28695
143,27
181,437
-2,5041
28,386
19,5479
0,005
3,2487
108,34
139,07
-1,9176
72,3055
71,6492
0,0055
3,09825
62,3703
84,6545
-1,2342
112,913
121,995
0,006
2,8611
15,1392
26,8884
-0,57375
146,109
165,878
0,0065
2,54235
-29,8053
-28,8831
0,08415
176,072
203,777
0,007
2,2185
-72,3055
-78,9896
0,76245
204,3
240,001
0,0075
1,78755
-113,071
-130,931
1,43055
229,059
271,756
0,008
1,33875
-147,607
-174,735
2,09355
249,797
298,964
0,0085
0,88485
-174,653
-210,001
2,7336
266,986
321,783
0,009
0,39015
-204,773
-247,182
3,315
277,552
336,703
0,0095
-0,13005
-231,582
-280,214
3,79185
277,237
340,214
0,01
-0,65025
-252,241
-306,703
4,1106
264,384
329,443
0,0105
-1,17045
-270,219
-329,283
4,29165
245,46
308,379
0,011
-1,6779
-279,287
-341,969
4,37325
222,357
281,57
0,0115
-2,11395
-277,71
-342,368
4,41405
198,939
253,964
0,012
-2,48115
-265,725
-330,081
4,36305
172,366
221,969
0,0125
-2,7591
-246,801
-307,74
4,23045
142,561
186,384
0,013
-2,9784
-223,934
-279,815
4,00095
109,128
145,931
0,0135
-3,1569
-203,039
-253,804
3,5904
63,3954
93,5907
0,014
-3,25635
-173,628
-218,538
3,06765
17,0316
37,4203
0,0145
-3,30735
-143,192
-181,756
2,5092
-27,8341
-18,1915
0,015
-3,2691
-108,892
-140,266
1,8921
-73,3305
-72,2077
0,0155
-3,1161
-62,4492
-85,2131
1,24185
-110,705
-120,559
0,016
-2,8662
-14,9026
-27,4469
0,57375
-145,794
-165,16
0,0165
-2,5653
29,8053
28,165
-0,0867
-176,466
-204,017
0,017
-2,22615
72,6997
79,8673
-0,7497
-202,96
-238,804
0,0175
-1,7901
113,781
131,25
-1,428
-229,059
-271,597
0,018
-1,35405
148,001
175,134
-2,1012
-249,403
-299,123
0,0185
-0,8874
175,047
210,16
-2,7285
-266,434
-321,384
0,019
-0,39015
205,01
246,863
-3,32775
-277,394
-337,421
0,0195
0,1275
231,74
279,974
-3,7944
-276,763
-340,453
0,02
0,6528
252,241
306,304
-4,11315
-264,147
-330,001
СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕТаблица 2
№ рабочего режима трансформатора
1
2
Полное сопротивление нагрузки трансформатора, Z<sub>нагр</sub>, Ом
58+j91
62+j49
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора, I<sub>2</sub>, А
2,334
3,172
Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора, U<sub>1</sub>, B
193,524
191,966
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора, U<sub>2</sub>, B
237,629
235,129
Действующее значение приведенного напряжения первичной обмотки трансформатора, U<sup>'</sup> <sub>1</sub>,B
247,412
245,420
Угол сдвига фаз между напряжениями первичной и вторичной обмоток трансформатора, φ<sub>U1</sub>_<sub>U2</sub>, эл. град.
1,394
2,797
Действующее значение суммарного падения напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора, ΔU<sub>12</sub>, В
11,423
15,602
Сопротивления короткого замыкания трансформатора, Z<sub>K</sub>, Ом
4,894
4,919
СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ОДНОФАЗНОГО ДВУХОБМОТОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕТаблица 3
Номинальное напряжение первичной обмотки,U<sub>1ном</sub>, В
220
Номинальное напряжение вторичной обмотки, U<sub>2ном</sub>, В
280
Число витков первичной обмотки, w<sub>1</sub>
176
Число витков первичной обмотки, w<sub>2</sub>
224
Приведенное индуктивное сопротивление первичной обмотки, <img file="00000014.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />, Ом
2,45
Приведенное активное сопротивление первичной обмотки, <img file="00000015.tif" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, Ом
0,3
Индуктивное сопротивление вторичной обмотки, Х<sub>2</sub>, Ом
2,25
Активное сопротивление вторичной обмотки, R<sub>2</sub>, Ом
0,2
Сопротивление короткого замыкания, Z<sub>K</sub>, Ом
4,73