УСТРОЙСТВО ДЛЯ СУШКИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
DEVICE FOR DRYING POWER TRANSFORMERS IN FIELD CONDITIONS OF RURAL ELECTRIC NETWORKS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для интенсивной сушки изоляции обмоток и масла, повышающих их сопротивление при эксплуатации силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей.
Известен способ прогрева силового трансформатора (SU 1365149, H01F 27/14; опубликовано 07.01.88; Бюл. №1).
Этот способ прогрева силового трансформатора заключается в пропускании электрического тока по фазам одной обмотки при замкнутой накоротко другой обмотки путем подключения фаз обмотки к источнику постоянного тока с целью равномерного нагрева обмоток, повышения мощности нагрева и снижения температуры обмоток при форсировании нагрева, подключение каждой фазы обмотки к источнику постоянного тока чередуют со сменой полярности импульсов через определенное время.
В этом изобретении показана схема подключения двухобмоточного трехфазного трансформатора к источнику постоянного тока через коммутатор. В этой схеме поочередно, подключают фазы обмотки высокого (или низкого) напряжения на время, определяемое приведенной формулой, в результате чего поочередно в фазах обмоток высокого и низкого напряжения протекают токи, которые и нагревают трансформатор. Изменение полярности прикладываемых импульсов перемагничивает магнитопровод трансформатора. Создаются потери в стали, что приводит к равномерному нагреву активной части трансформатора.
Недостаток известного способа прогрева силовых трансформаторов заключается в следующем:
1. Большая потребляемая мощность и длительное время прогрева, что затрудняет его применение в полевых условиях, когда необходимо отключать трансформатор и лишить потребителей электрической энергии.
2. Этот способ может быть применен только в стационарных условиях, так как необходим мощный регулируемый источник напряжения типа автотрансформатора или индукционного регулятора для изменения амплитуды импульсов.
Известен способ сушки твердой изоляции силовых трансформаторов, включающий нагрев твердой изоляции путем контакта с нагретым маслом с одновременным вакуумированием, отключение нагрева, продолжение вакуумирования до достижения температуры изоляции 40-50°C, причем в течение всего цикла остаточное давление поддерживают на уровне, не превышающем 5 мм рт. ст., а цикл может быть многократно повторен (SU 671664, Н02К 15/12, опубликовано 15.08.80; Бюл. №10).
Известный способ обеспечивает достаточно быструю сушку за счет интенсификации процесса. Однако известный способ сушки применим только при очень малом остаточном давлении в баке. Кроме того, этот способ достаточно энергоемок и может применяться только в стационарных условиях.
Известен способ сушки твердой изоляции обмоток силовых трансформаторов в герметичном баке путем повторения циклов, включающих создание электрического поля путем прикладывания постоянного напряжения между проводниками, по меньшей мере, одной обмотки и корпусом трансформатора при поддержании электрического поля в течение 2-4 ч, циркуляцию трансформаторного масла, контактирующего с твердой изоляцией обмоток трансформатора, и последующее удаление влаги из масла путем его центрифугирования или вымораживания (RU 2174281, МПК Н02К 15/12, 27.09.2001). Его трудно применять в полевых условиях. Прежде всего, за счет сложности выполнять удаление влаги из масла путем его центрифугирования или вымораживания.
Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является «Способ сушки твердой изоляции обмоток электрических машин и аппаратов» (патент RU 2381613, МПК Н02К 15/12, H01F 41/12; Опубл. 10.02.2010. Бюл. №4.
Согласно предлагаемому способу, нагрев изоляции в баке трансформатора производится воздушным теплоносителем и токами низкой частоты при подаче напряжения низкой частоты 1,0 Гц на высоковольтную обмотку при закороченной низковольтной обмотке, а цикличное вакуумирование бака проводят одно- или многоступенчатым скоростным вакуумированием с помощью ресивера и быстродействующего электрического клапана за время до 10 секунд с последующей выдержкой под вакуумом до 10,0 минут и одно- или многоступенчатым сбросом вакуума до атмосферного давления напуском осушенного воздуха в бак трансформатора, а циклы повторяют до получения требуемого количества влаги в твердой изоляции.
В описании изобретения авторы приводят три схемы на фигурах 1-3 для реализации предлагаемого метода сушки изоляции.
На фиг. 1 приведена схема установки сушки твердой изоляции трансформатора с использованием нагрева воздушным теплоносителем и токами низкой частоты со скоростным вакуумированием бака трансформатора, находящегося внутри шкафа-ресивера.
На фиг. 2 приведена схема установки сушки твердой изоляции трансформатора с баком, выдерживающим перепад давления (внешнего) не менее одной атмосферы, нагревом воздушным теплоносителем и токами низкой частоты со скоростным вакуумированием.
На фиг. 3 приведена схема установки «колпак» для сушки твердой изоляции трансформатора с баком, выдерживающим перепад внешнего давления менее одной атмосферы, нагревом воздушным теплоносителем и токами низкой частоты со скоростным вакуумированием.
Схемы на фигурах 1 и 3 не приемлемы в полевых условиях сушки, т.к. требуют демонтажа трансформатора и наличие шкафа-ресивера или «колпака». Это требует отключение трансформатора, что лишать потребителей электрической энергии.
Наиболее близка схема на фигуре 2, взятая авторами за аналог.
На фиг. 2 приведена схема установки сушки твердой изоляции трансформатора 1 с баком, выдерживающим перепад давления (внешнего) не менее одной атмосферы, нагревом воздушным теплоносителем и токами низкой частоты со скоростным вакуумированием.
Подключение источника низкочастотного напряжения 4 и воздушного теплоносителя для нагрева изоляции обмоток, а также установку датчиков для замера температуры и давления проводят, как в предыдущих схемах. Герметичный бак трансформатора 1 соединяется трубопроводом через быстродействующий электрический клапан 3 с конденсатором 9 и через электрический клапан 12 с отдельным (стандартным) вакуумным ресивером 2. Откачка ресивера производится вакуумным насосом 13 при открытии необходимых вакуумных электрических затворов 14 или 15. К другому патрубку на баке трансформатора подсоединяется система подачи воздушного теплоносителя, состоящая из электрического клапана 5, нагревателя 6, осушителя воздуха 7 и электрического клапана 8, соединенного с конденсатором 9. При закрытых электрических клапанах 8, 16 и открытом электрическом клапане 11 нагретый воздух будет циркулировать без прохождения через осушитель, тем самым увеличивается ресурс его эксплуатации.
Недостаток этой схемы для применения в полевых условиях:
1. Большое число клапанов и трубопроводов увеличивает время монтажа и демонтажа установки;
2. Нагрев и осушение воздуха требует термоизоляции для этих элементов и увеличивает мощность автономного источника необходимого для полевых условий;
3. Сложный алгоритм сушки и чрезмерная длительность этого процесса.
Техническим решением изобретения является интенсификация процесса сушки изоляции обмоток и масла силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей и снижение времени этого процесса.
Технический результат изобретения достигается тем, устройство для сушки силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей, содержащее герметичный бак с размещенным в нем силовым трансформатором с первичной и вторичной обмотками, источник низкочастотного напряжения, вакуумный насос, воздуховод с регулятором и имеет трехфазный автономный мостовой инвертор с электронными ключами на базе биполярных транзисторов с блоком управления, содержащего задатчик частоты тока инвертора, использованного в качестве источника низкочастотного напряжения, тиристорный регулятор-стабилизатор напряжения постоянного тока с блоком управления, конденсатором фильтра и резисторным делителем напряжения, блок электроосмоса, содержащего высоковольтный стабилизированный источник постоянного напряжения с выводами «плюс» и « минус» и микроамперметр, блок автономного источника питания переменного тока, содержащего конденсаторы компаундирования с тремя фазами асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения и приводным двигателем, блок управления вакуумом в герметичном баке для силового трансформатора, содержащий, асинхронный двигатель привода вакуумного насоса, регулятор вакуума расположенного на воздуховоде и соединенного с объемом герметичного бака и вакуумным насосом, при этом биполярные транзисторы в общих точках соединены попарно и последовательно между собой, а их изолированные затворы соединены с блоком управления инвертором, нечетные коллекторы соединены вместе и с положительным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, а четные эмиттеры соединены вместе и с отрицательным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, конденсатор фильтра и резисторный делитель напряжения соединены параллельно между собой и с выходом регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, блок управления тиристорами соединен выходными выводами с управляющими электродами тиристоров тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, а входом с выходом резисторного делителя напряжения, трехфазный вход тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока соединен с блоком источника переменного тока через последовательно включенные конденсаторы компаундирования с тремя фазами асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения и приводным двигателем, к трем фазам, которого присоединен высоковольтный стабилизированный источник постоянного напряжения и асинхронный двигатель привода вакуумного насоса, причем общие точки трехфазного автономного мостового инвертора соединены с тремя выводами (А, В, С) вторичной обмотки соединенной звездой силового трансформатора, с короткозамкнутой первичной обмоткой, к которой через микроамперметр присоединен «плюс» источника высоковольтного стабилизированного постоянного напряжения, а его «минус» к корпусу герметичного бака для силового трансформатора.
Новизна заявляемого предложения заключается в том, что за счет конструктивных особенностей устройство для сушки силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей имеет трехфазный автономный мостовой инвертор с электронными ключами на базе биполярных транзисторов с блоком управления, содержащего задатчик частоты тока инвертора, использованного в качестве источника низкочастотного напряжения, тиристорный регулятор-стабилизатор напряжения постоянного тока с блоком управления, конденсатором фильтра и резисторным делителем напряжения, блок электроосмоса, содержащего высоковольтный стабилизированный источник постоянного напряжения с выводами «плюс» и « минус» и микроамперметр, блок автономного источника питания переменного тока, содержащего конденсаторы компаундирования с тремя фазами асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения и приводным двигателем, блок управления вакуумом в герметичном баке для силового трансформатора, содержащий, асинхронный двигатель привода вакуумного насоса, регулятор вакуума расположенного на воздуховоде и соединенного с объемом герметичного бака и вакуумным насосом, при этом биполярные транзисторы в общих точках соединены попарно и последовательно между собой, а их изолированные затворы соединены с блоком управления инвертором, нечетные коллекторы соединены вместе и с положительным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, а четные эмиттеры соединены вместе и с отрицательным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, конденсатор фильтра и резисторный делитель напряжения соединены параллельно между собой и с выходом регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, блок управления тиристорами соединен выходными выводами с управляющими электродами тиристоров тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока, а входом с выходом резисторного делителя напряжения, трехфазный вход тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока соединен с блоком источника переменного тока через последовательно включенные конденсаторы компаундирования с тремя фазами асинхронного генератора с конденсаторами возбуждения и приводным двигателем, к трем фазам, которого присоединен высоковольтный стабилизированный источник постоянного напряжения и асинхронный двигатель привода вакуумного насоса, причем общие точки трехфазного автономного мостового инвертора соединены с тремя выводами (А, В, С) вторичной обмотки соединенной звездой силового трансформатора, с короткозамкнутой первичной обмоткой, к которой через микроамперметр присоединен «плюс» источника высоковольтного стабилизированного постоянного напряжения, а его «минус» к корпусу герметичного бака для силового трансформатора.
По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо. Устройство для сушки силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей испытано на макетном образце в лаборатории кафедры электрических машин и электропривода Кубанского госагроуниверситета.
Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена схема функциональная устройства для сушки силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей; на фигуре 2 изображены временные диаграммы проводящих ключей (транзисторов), напряжений и токов на обмотках трансформатора; на фигуре 3 приведены эквивалентные схемы для расчета фазных напряжений на обмотке трансформатора и алгоритмы коммутации транзисторов.
Устройство для сушки силовых трансформаторов (СТ) в полевых условиях содержит трехфазный автономный мостовой инвертор с электронными ключами 1-6 на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, Insulated Gate Bipolar Transistor - IGBT), соединенных последовательно и попарно между собой с общими точками 7, 8, 9 для подключения нагрузки, а своими затворами с блоком управления инвертором (БУИ) 10 имеющим задатчик частоты тока инвертора 11, коллекторы нечетных БТИЗ 1, 3, 5 соединены вместе и с положительным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, эмиттеры четных БТИЗ 2, 4, 6 соединены вместе и с отрицательным выводом тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, конденсатор фильтра 13 и резисторный делитель напряжения 14 соединены параллельно между собой и с выходом регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, блок управления тиристорами (БУТ) 15, соединен выходными выводами с управляющими электродами тиристоров тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, а входом с выходом резисторного делителя напряжения 14, трехфазный вход тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12 соединен через последовательно включенные конденсаторы компаундирования 16 с тремя фазами 17 асинхронного генератора (АГ) 18 с конденсаторами возбуждения 19 и приводным двигателем 20, к этим фазам 17 присоединен высоковольтный стабилизированный источник постоянного напряжения 21, асинхронный двигатель 22 привода вакуумного насоса 23, с регулятором вакуума 24 на воздуховоде 25, соединенным с объемом трансформатора 27, общие точки 7, 8, 9 автономного мостового инвертора соединены с тремя выводами 26 (А, В, С) вторичной обмотки соединенной звездой силового трансформатора 27, с короткозамкнутой первичной обмоткой 28, к которой через микроамперметр 29 присоединен «плюс» источника высоковольтного стабилизированного постоянного напряжения 21, а его «минус» к корпусу силового трансформатора 27.
а
На фигуре 2 изображены временные диаграммы проводящих ключей (транзисторов), напряжений и токов на обмотках трансформатора. Цифрами 1-6 обозначены номера ключей (транзисторов) в проводящем состоянии в соответствии со схемой на фигуре 1. Временные диаграммы поясняют управление трехфазного инвертора напряжения с постоянной и равной 180° длительностью импульсов управления. Эти графики показывают (фиг. 2, ), что за один период через интервал изменяется шесть комбинаций, соответствующих состояниям трех транзисторов, одновременно находящихся в проводящем состоянии. Причем в чередующихся комбинациях поочередно проводят сначала два транзистора из группы транзисторов с общим коллектором и один - из группы с общим эмиттером, а затем наоборот - один транзистор из коллекторной группы и два - из эмиттерной.
Алгоритм работы ключей: 1-5-6; 1-2-6; 1-2-3; 2-3-4; 3-4-5; 4-5-6.
ab
bc
ca
d
a
b
c
В результате на выходе инвертора формируются переменные междуфазные (линейные) напряжения u, u, u прямоугольной формы, имеющие амплитуду U и длительность импульсов 2π/3 в каждом из полупериодов (фиг. 2, б). Напряжения фаз u, u u (фиг. 2, в) могут быть определены из эквивалентных схем, соответствующих изменениям подключений цепей нагрузки (фаз) при коммутации транзисторов инвертора в течение одного периода (фиг. 3). В результате фазные напряжения имеют ступенчатую форму (фиг. 2, в).
В каждый момент времени во включенном состоянии одновременно находятся три транзистора разных фаз, то есть алгоритм обеспечивает жестко заданную формулу, а следовательно и величину выходного напряжения, то есть обеспечивает жесткую внешнюю характеристику инвертора.
В сельских электрических сетях широко применяются силовые трансформаторы мощностью от 160 до 1000 кВА. У этих трансформаторов мощность потерь короткого замыкания составляет от 2,65 до 12 кВт. На эту мощность и токи выбирается мощность асинхронного генератора 18 и всех силовых элементов схемы: тиристоров тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, транзисторов 1-6 трехфазного автономного мостового инвертора. В качестве конденсатора фильтра 13 применяется молекулярный накопитель энергии типа ИКЭ на необходимое допустимое напряжение.
В качестве источника высоковольтного стабилизированного постоянного напряжения 21 возможно применение серийных блоков питания высоковольтных со стабилизацией выходного напряжения серий Sh0104, Sh0105 (http://nauel.ru/vi/priborl.html) или ИПВ-0.1-10 (www.insitek.ru).
Устройство для сушки силовых трансформаторов в полевых условиях сельских электрических сетей работает следующим образом.
Предварительно, по известной методике, см. (Чеснюк Е.Н. Прогрев и подсушка силовых трансформаторов сельских потребителей способом короткого замыкания на пониженной частоте: автореф. дис. … канд. техн. наук. / Чеснюк Е.Н. - Краснодар, 1993, 22 с.) определяется частота и амплитуда тока для прогрева силового трансформатора. Причем, с ростом мощности трансформаторов эта частота уменьшается и не превышает 0,5 Гц.
Перед сушкой у силового трансформатора отключается нагрузка и питающая сеть. Выполняются необходимые коммутации и соединения согласно фигуре 1. Тепловизором замеряется текущая температура бака силового трансформатора 27, по результатам которой, настраиваются параметры дальнейшей сушки: величина выходного напряжения тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, а, следовательно, и амплитуда тока через транзисторы БТИЗ 1-6 и вторичные обмотки 26 силового трансформатора 27.
Запускается приводной двигатель ДВС 20. Асинхронный генератор (АГ) 18 возбуждается от конденсаторов возбуждения 19. Напряжение АГ 18 с трех фаз 17 через последовательно включенные конденсаторы компаундирования 16 поступает на вход тиристорного регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12. Резисторным делителем напряжения 14 посредством блока управления тиристорами (БУТ) 15, устанавливается необходимое выходное напряжение на выходе регулятора-стабилизатора напряжения постоянного тока 12, а задатчиком частоты тока инвертора 11, частоту коммутации транзисторов 1-6 инвертора.
Одновременно напряжение АГ 18 с трех фаз 17 поступает на асинхронный двигатель 22 привода вакуумного насоса 23, с регулятором вакуума 24 на воздуховоде 25. Происходит снижение давление в корпусе силового трансформатора 27 до величины установленной регулятором вакуума 24. Снижение давления способствует удалению влаги вместе с откачиваемым воздухом.
От высоковольтного стабилизированного источника постоянного напряжения 21 через микроамперметр 29 на обмотке 28 создается внешнее электрическое поле. Создается явление электроосмоса, которое способствует удалению влаги. Поскольку напряжение стабилизированное, то по микроамперметру 29 можно косвенно судить о влажности изоляции. По мере увеличения сопротивления изоляции и масла ток через микроамперметр снижается. При стабилизации этого тока можно судить об окончании процесса сушки изоляции и масла. Точное значение качества масла и сопротивления изоляции определяется известными экспресс методами.
Форму кривых и их амплитуду (фиг. 2) можно контролировать многоканальным портативным осциллографом или usb осциллографом марки АКИП (https://prist.ru).