СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКАХ ТРЕХФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
METHOD FOR IDENTIFICATION OF WINDING SHORT CIRCUITS IN WINDINGS OF THREE-PHASE TRANSFORMERS

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для достоверного выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов при выполнении регламентных работ по диагностике состояния трансформаторов.
Известны различные способы выявления признаков витковых замыканий в трансформаторах и защиты их от такого аварийного состояния [1-4]. Например, в известном теоретическом обосновании [1] отмечаются характерные признаки виткового замыкания; ток в замкнутых витках обмотки может в сотни раз превосходить номинальное значение тока этой обмотки, что вызывает быстрый сильный нагрев и даже перегрев проводников и изоляции; между проводниками обмотки возникают большие силы взаимодействия. Оба эти признака могут быть причинами разрушения обмоток трансформатора при витковом замыкании.
Недостатком этого способа обоснования признаков виткового замыкания является то, что обнаружить разрушения возможно только при выходе трансформатора из строя.
Известен способ обнаружения витковых замыканий и защиты трансформаторов, основанный на контроле магнитного поля рассеяния, распределение которого зависит от распределения в пространстве намагничивающих сил обмоток [2]. Причем для более полного отражения влияния витковых замыканий на распределение индукции поля рассеяния предложено использовать поперечную составляющую поля рассеяния. Для реализации способа контроля витковых замыканий используют специальные датчики по одному на фазу. Их располагают максимально вблизи к обмотке в точке середины высоты обмотки.
Этот известный способ позволяет обнаружить витковые замыкания в трансформаторе. Однако он имеет существенный недостаток при применении для масляных силовых трансформаторов, так как имеются большие затруднения в размещении датчиков. Если даже размещать датчики в специальных карманах в стальных стенках бака, то из-за шунтирующего влияния стенок чувствительность датчиков сильно снижается (вдвое и более). Достоверность контроля витковых замыканий ухудшается.
Известен способ выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов по токовому принципу [1, 3]. Этот принцип основан на том, что при коротком замыкании некоторого числа витков обмотки ток в этой обмотке при неизменном напряжении увеличивается. На этом основании, если трехфазный трансформатор представляет собой симметричную систему в виде группы однофазных трансформаторов, то в режиме холостого хода путем измерения тока в трех фазах, а затем путем сравнения результатов измерений между собой по наибольшей величине тока можно выявить фазу трансформатора с витковым замыканием.
Однако известно, что у трансформаторов с трехстержневым магнитопроводом из-за несимметрии магнитной системы величина токов холостого хода по фазам неодинакова даже при отсутствии межвитковых замыканий. Возникновение виткового замыкания в обмотке любой из трех фаз изменит степень несимметрии токов холостого хода трансформатора. При этом достоверное заключение о поврежденной фазе сделать невозможно.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов [4], основанный на измерениях активной мощности и напряжений на холостом ходу с помощью устройства, описанного в патенте РФ №2282862. Измерения проводят путем поочередного подключения источника питания к каждой обмотке трансформатора. Затем сравнивают величины активной мощности между собой для трех фаз и по наибольшей из этих величин мощности делают заключение о факте наличия виткового замыкания в некоторой из обмоток соответствующей фазы трансформатора.
Известные способ и схема измерений предусматривают учет влияния несимметрии трехстержневой магнитной системы трансформатора на точность измерений токов и мощностей холостого хода. Для повышения точности предложено измерения проводить отдельно для каждой фазы трансформатора. Для повышения безопасности работ регулируемое оперативное напряжение подают на низковольтную вторичную обмотку, что особенно важно для трансформаторов напряжением 35 кВ и более.
Данный способ принят в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, измеряют активную мощность и напряжения на холостом ходу отдельно для каждой фазы трансформатора, регистрируют величины активной мощности и напряжений, сравнивают зарегистрированные величины активной мощности между собой для трех фаз и по наибольшей из этих величин мощности делают заключение о факте наличия виткового замыкания в некоторой из обмоток соответствующей фазы трансформатора.
Существенным недостатком известного технического решения применительно к задаче достоверного выявления витковых замыканий является то, что в нем не учитываются возможные различные схемы соединения обмоток трансформатора и влияние этого фактора на конечные результаты. Например, при соединении вторичной обмотки по схеме "треугольник" и подаче оперативного напряжения на зажимы "а-b" (как приведено в описании патента №2282862), это же напряжение будет подаваться и на зажимы "z-b". Это повлияет на распределение магнитного потока по стержням магнитопровода, на мощность и ток холостого хода испытуемой фазы трансформатора. Другой существенный недостаток состоит в том, что при этом невозможно достоверно выявить конкретную поврежденную обмотку с витковым замыканием.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного и простого способа достоверного выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных силовых трансформаторов, повышение достоверности выявления конкретной поврежденной обмотки.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов, при котором измеряют активную мощность и напряжения на холостом ходу отдельно для каждой фазы трансформатора, регистрируют величины активной мощности и напряжений, сравнивают зарегистрированные величины активной мощности между собой для трех фаз и по наибольшей из этих величин мощности делают заключение о факте наличия виткового замыкания в некоторой из обмоток соответствующей фазы трансформатора. Согласно изобретению измерения проводят при отсутствии соединений между обмотками трансформатора, кроме общей точки в схеме "звезда", измерения выполняют поочередно путем подачи оперативного напряжения промышленной частоты от регулируемого источника питания только на одну первичную или вторичную обмотку в начале первой фазы трансформатора, например фазы A, при этом измеряют величину активной мощности, потребляемой от источника питания и регистрируют эту величину, одновременно измеряют и регистрируют значения напряжений на обеих обмотках первой фазы, затем подают оперативное напряжение прежней величины на первичную или вторичную обмотку второй фазы трансформатора, измеряют и регистрируют величину активной мощности для второй фазы и значения напряжений на обмотках второй фазы, далее аналогично измеряют и регистрируют активную мощность и напряжения для третьей фазы. После выявления поврежденной фазы по зарегистрированным величинам напряжений обмоток вычисляют значения фактического коэффициента трансформации между обмотками этой фазы для двух вероятных случаев виткового замыкания в первичной или во вторичной обмотке. Затем вычисленные значения этого фактического коэффициента сопоставляют с паспортным коэффициентом трансформации для данного трансформатора и, если фактический коэффициент меньше паспортного, то делают окончательное достоверное заключение о факте виткового замыкания в первичной обмотке, а если фактический коэффициент больше паспортного, то делают окончательное достоверное заключение о факте виткового замыкания во вторичной обмотке.
Признаки заявляемого способа, отличительные от способа по прототипу, измерения проводят при отсутствии соединений между обмотками трансформатора, кроме общей точки в схеме "звезда"; измерения выполняют поочередно путем подачи оперативного напряжения промышленной частоты от регулируемого источника питания только на одну первичную или вторичную обмотку вначале первой фазы трансформатора, например фазы A, при этом измеряют величину активной мощности, потребляемой от источника питания и регистрируют эту величину; одновременно измеряют, и регистрируют значения напряжений на обеих обмотках первой фазы; затем подают оперативное напряжение прежней величины на первичную или вторичную обмотку второй фазы трансформатора, измеряют и регистрируют величину активной мощности для второй фазы и значения напряжений на обмотках второй фазы; аналогично предыдущим операциям измеряют и регистрируют активную мощность и напряжения для третьей фазы; после выявления поврежденной фазы по зарегистрированным величинам напряжений обмоток вычисляют значения фактического коэффициента трансформации между обмотками этой фазы для двух вероятных случаев виткового замыкания в первичной или во вторичной обмотке; вычисленные значения этого фактического коэффициента сопоставляют с паспортным коэффициентом трансформации для данного трансформатора; если фактический коэффициент меньше паспортного, то делают окончательное достоверное заключение о факте виткового замыкания в первичной обмотке, а при обратном соотношении упомянутых коэффициентов, наоборот, во вторичной обмотке.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют создать эффективный способ достоверного выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных силовых трансформаторов, обеспечить повышение достоверности выявления конкретной поврежденной обмотки.
Способ выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов не требует применения сложной аппаратуры и специальных устройств. Для выполнения необходимых измерений можно использовать известные несложные приборы и типовую методику проведения электрических измерений.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-2.
На фиг. 1 показана схема подключения приборов для измерений для варианта подачи оперативного напряжения питания на первичную обмотку.
На фиг. 2 показана схема подключения приборов для измерений для варианта подачи оперативного напряжения питания на вторичную обмотку.
витк.
В основе предлагаемого способа учитывается известный из теории трансформаторов [1, стр. 65] факт, что в короткозамкнутом витке обмотки величина тока I может в сотни и более раз превышать номинальный ток этой обмотки. Следовательно, активная мощность потерь в короткозамкнутом контуре ,
витк.
где r - активное сопротивление короткозамкнутого контура обмотки, может быть весьма значительной.
x.x.
пр.
ст.ф
ст.ф.
х.х.ф.
Σ
витк.
х.х.ф.
При этом ток холостого хода I фазной обмотки увеличивается несущественно и мощность потерь в проводнике обмотки , где r - активное сопротивление проводника обмотки, пренебрежимо мала. Также известно, что мощность потерь в стали фазного магнитопровода P по существу принимается равной мощности холостого хода Р=Р По этим причинам в предлагаемом изобретении считается, что активная мощность, потребляемая фазной обмоткой от источника питания при наличии виткового замыкания в обмотке, будет равна сумме P=Р+Р Причем , особенно при большом числе замкнутых витков в обмотке.
Кроме того, в изобретении учитывается, что при отсутствии виткового замыкания мощности других фазных обмоток, например фаз B и C, будут намного меньшими, по сравнению с мощностью поврежденной фазы A. Причем, согласно теории трансформаторов [1, 3], величины мощностей фаз B и C могут быть существенно различными. Причиной этого является несимметрия магнитной системы трехстержневых трансформаторов. Эта негативная особенность проявляется, когда измерения величин и параметров холостого хода проводят при трехфазном питании трансформатора.
A
A1
A2
B
B1
B2
C
C1
C2
Для повышения точности измерений и достоверности выявления витковых замыканий в предлагаемом изобретении предусматривается, прежде всего, преднамеренное рассоединение выводов первичных и вторичных обмоток разных фаз, исключающее взаимную электрическую связь обмоток (для случаев применения схем "треугольник", "зигзаг" и др.), кроме общей нулевой точки схемы "звезда". Кроме того, при выполнении измерений обязательно применяется поочередное пофазное питание исследуемых фаз трансформатора. Схемы подключения приборов для измерений для двух вариантов подачи оперативного напряжения питания изображены на фиг. 1-2. Вначале оперативное напряжение от источника питания подают на первичную (или вторичную) обмотку только первой фазы, например фазы A. С помощью приборов измеряют и затем регистрируют величину активной мощности P, потребляемой от источника питания. Одновременно измеряют и регистрируют значения напряжений на обмотках этой фазы трансформатора U и U. Далее подают оперативное напряжение прежней величины на первичную (или вторичную) обмотку второй фазы трансформатора. Измеряют и регистрируют активную мощность для второй фазы P, а также и напряжения для второй фазы U и U. Затем, повторяя аналогичные предыдущие операции, измеряют и регистрируют активную мощность для третьей фазы P, а также и напряжения U и U.
A
B
C
После завершения измерений для трех фаз трансформатора, во-первых, сопоставляют между собой значения мощностей P, P, P и по наибольшей из этих трех значений мощности делают заключение о факте наличия виткового замыкания в некоторой из обмоток соответствующей фазы трансформатора, например фазы A.
Далее для определения конкретной поврежденной обмотки этой фазы по зарегистрированным величинам напряжений обмоток вычисляют значение фактического коэффициента трансформации для двух возможных вероятных случаев виткового замыкания:
- в первичной обмотке (случай I);
- замыкания во вторичной обмотке (случай II). Эти вычисления производят с учетом вариантов подачи оперативного напряжения питания со стороны первичной обмотки трансформатора (фиг. 1) или подачи напряжения питания со стороны вторичной обмотки (фиг. 2).
Для случая I:
1) ; или .
Для случая II:
1) ; или .
В этих выражениях обозначены:
1
2
W, W - паспортные числа витков, соответственно, первичной и вторичной обмоток;
витк.1
витк.2
W, W - вероятные числа короткозамкнутых витков, соответственно, в первичной или во вторичной обмотке.
факт.I
факт.II
пасп
Вычисленное значение К и К сопоставляют с паспортным коэффициентом трансформации для данного трансформатора К.
факт.I
пасп.
факт.I
пасп.
факт.II
пасп.
В первом случае фактический коэффициент трансформации будет меньше паспортного, т.е. К < К Это означает, что витковое замыкание произошло именно в первичной обмотке фазы A. Если условие К < К не будет выполнятся, то во втором случае окажется, что К > К, а это указывает на факт виткового замыкания во вторичной обмотке фазы А.
факт.2
пасп.
При малом числе короткозамкнутых витков в той или иной обмотке значения коэффициентов трансформации, возможно, будут отличаться, незначительно, т.е. К ≈ К Поэтому практические измерения напряжений на обмотках требуется выполнять с большой точностью.
Таким образом, в предлагаемом способе выявления витковых замыканий первым и основным признаком для достоверного выявления поврежденной фазы трансформатора является существенное отличие величин активной мощности по фазам. Второй признак, а именно - отличие фактического коэффициента трансформации от паспортного, является дополнительным признаком. Однако именно он позволяет сделать окончательное достоверное заключение о конкретной обмотке с витковым замыканием.
Предлагаемый способ выявления витковых замыканий предназначен, прежде всего, для двухобмоточных трехстержневых трансформаторов, но его можно будет применять и для многообмоточных трансформаторов. Для осуществления способа можно использовать известные приборы и устройства, предпочтительно, с высоким классом точности. Проведение необходимых измерений может основываться на применении типовых методик электрических измерений.
Источники информации
1. Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч. 1. Трансформаторы. - М. Энергия, 1974. - 240 с.
2. Гаген А.Ф., Комиссаров Г.А., Чечушков Г.А. Защита трансформаторов от витковых замыканий. - Журнал "Электричество", 1974. - №2.
3. Вольдек А. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с.
4. Методы контроля состояния силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих и дугогасящих реакторов. Раздел 2. – М.: ОРГРЭС, 1997, с. 100.
5. Патент РФ №2282862. Устройство для измерения тока и потерь холостого хода силовых трансформаторов при малом напряжении / Михеев Г.М., Федоров Ю.С., Баталыгин С.Н., опубл. 27.08.2006. Бюл. №24.