СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Российский патент 2004 года по МПК G01R31/02 H02H7/04 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для диагностики силовых трансформаторов.

Цель изобретения - обеспечение непрерывности контроля обмоток, режима нейтрали и регулирующего устройства трансформатора.

Известны способы диагностики силовых трансформаторов по данным опыта холостого хода и короткого замыкания. Диагностическими параметрами при этом являются: ток I₀ холостого хода; потери Р₀ холостого хода; сопротивление Z_K короткого замыкания и численно равное ему сопротивление прямой Z₁ (обратной Z₂) последовательности трансформатора Z_K=Z₁=Z₂; потери р_к короткого замыкания. По отклонениям указанных диагностических параметров от их эталонных значений оценивают техническое состояние трансформатора [1].

Общим недостатком этих способов является необходимость отключения трансформатора от сети, что весьма неэкономично.

Необходимость снижения количества отключений трансформаторов при сохранении контроля над указанными диагностическими параметрами требует разработки способов их определения непосредственно при работе под нагрузкой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, сущность которого заключается в том, что в различные моменты времени измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов каждой из обмоток и по измеренным значениям определяют сопротивление Z_K и потери Р_K короткого замыкания, ток I₀ и потери Р₀ холостого хода. По превышению указанных значений судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора [2].

Однако данный способ является недостаточно точным, так как не позволяет измерять параметры режимов синхронно, не учитывает возможное наличие гармоник в измерительных сигналах, работу трансформатора в переходных и несимметричных режимах работы, а также не позволяет определять сопротивление нулевой последовательности трансформатора с заземленной нейтралью, активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток трансформатора и коэффициент трансформации.

Цель предлагаемого изобретения - это повышение точности оценки состояния трансформатора по параметрам нормального и (или) аварийного режима работы трансформатора путем контроля ряда важнейших диагностических показателей трансформатора без отключения его от сети. Достоинство нового способа заключается в том, что вместе с обеспечением контроля обмоток, когда определяют фактическое значение сопротивления короткого замыкания внутренних обмоток силового трансформатора, а также значения потерь короткого замыкания, тока и потерь холостого хода, определяют значение сопротивления нулевой последовательности трансформатора. Кроме того, определяют активные и индуктивные параметры каждой из обмоток трансформатора, что позволяет диагностировать техническое состояние витковой изоляции и состояние токоведущих частей обмоток. По превышению каждого из указанных параметров над эталонным судят о техническом состоянии трансформатора и его работоспособности. Кроме того, определяют диагностические параметры с повышенной точностью, так как все измерения для одного режима производятся синхронно, снижаются погрешности от наличия гармоник в измерительных сигналах и несимметрии режимов работы трансформатора. Таким образом, перечисленные отличительные признаки являются существенными, поскольку достигается более полная и точная оценка технического состояния трансформатора за счет большего количества и повышенной точности контролируемых показателей.

Способ может быть реализован следующим образом: измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в двух различных нагрузочных режимах, по измеренным значениям путем решения уравнений состояния силового трансформатора, составленные на основе схемы замещения трансформатора, определяют сопротивление Z_K и потери Р_к короткого замыкания, ток I₀ и потери Р₀ холостого хода и по превышению значений Z_K, Р_к, I₀, Р₀ над соответствующими эталонными значениями судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора, выбирают режимы работы трансформатора при внешних коротких замыканиях, регистрируют измеренные токи обмоток и падения напряжения, выделяют первую гармоническую составляющую зарегистрированных токов и напряжений обмоток, определяют симметричные составляющие полученных токов и напряжений, которые используют в расчетах. Определяют сопротивление Z₀ нулевой последовательности по параметрам несимметричного режима, сравнивают значение Z₀ с эталонным значением и по отклонению значения Z₀ от эталонного уточняют техническое состояние электрических цепей, связывающих обмотки трансформатора с землей. Определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток и по полученным значениям сопротивлений уточняют техническое состояние витковой изоляции и состояние токоведущих частей обмоток. Определяют коэффициент трансформации трансформатора и по его значению уточняют техническое состояние устройства регулирования напряжения трансформатора.

На фиг.1 изображена электрическая схема измерительной цепи, реализующая способ. На фиг.2 и фиг.3 изображены Т-образные схемы замещения силового трансформатора на основе узловых проводимостей и узловых сопротивлений, соответственно.

Для реализации предложенного способа диагностики трансформаторов может быть использована измерительная цепь, электрическая схема которой изображена на фиг.1.

Измерительная цепь содержит первый 1 и второй 2 трансформаторы напряжения, первый 3 и второй 4 трансформаторы тока, шины 5 и 6 первичного и вторичного напряжений, соответственно, для подключения обмоток контролируемого трансформатора 7, измерительно-вычислительный комплекс 8, эквивалентную нагрузку 9 и эквивалентную электрическую систему 10, причем первичные обмотки трансформаторов напряжения 1 и 2 подключены соответственно к шинам 5 и 6, к которым присоединен контролируемый трансформатор 7, на первичной и вторичной сторонах контролируемого трансформатора 7 установлены трансформаторы тока 3 и 4, вторичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3 и 4 подсоединены к измерительно-вычислительному комплексу 8, эквивалентная нагрузка 9 подключена к шине 6 вторичного напряжения, эквивалентная электрическая система 10 подключена к шине 5 первичного напряжения.

В качестве измерительно-вычислительного комплекса может быть использован цифровой регистратор аварийных процессов (например, Бреслер), имеющий функции измерения не менее 6 сигналов (3 фазных тока и 3 фазных напряжения) с каждой стороны трансформатора, регистрации осциллограмм фазных токов и напряжений, выделения основных гармоник зарегистрированных сигналов.

Измеряют одновременно сигналы фазных токов и напряжений всех обмоток трансформатора. Регистрируют измеренные токи и напряжения в виде цифровых осциллограмм, выделяют основные гармоники напряжений и токов [3]. Здесь и в дальнейшем верхний индекс соответствует номеру режима (номеру момента времени, в который производилось измерение), нижний прописной индекс соответствует фазной величине на первичной обмотке трансформатора, нижний строчный индекс соответствует фазной величине на вторичной обмотке трансформатора.

В реальных условиях эти сигналы, как правило, содержат ряд составляющих с частотой, отличной от основной. Корректные результаты вычислений сопротивлений и других параметров можно получить лишь при синусоидальной входных сигналов с частотой основной гармоники. Поэтому предварительно необходимо выделить основные гармоники сигналов и использовать их при вычислении параметров трансформаторов.

Так как, практически, всегда режим трансформатора является несимметричным (неравномерная нагрузка, различные коэффициенты трансформации по фазам и т.п.), то для измеренных величин применим метод симметричных составляющих.

По методу симметричных составляющих определяют значения токов и напряжений прямой, обратной и нулевой последовательностей (здесь i=l; 2; 0 - индексы симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей, соответственно; j=l; 2 - номера первичной и вторичной обмоток, соответственно; k=l; 2 - номер режима измерений) на стороне высшего напряжения:

на стороне низшего напряжения:

где а - оператор поворота векторов на 120 градусов по направлению против часовой стрелки.

Цикл измерений и вычислений повторяют при другом режиме (нормальном или аварийном) работы трансформатора и находят:

Вычисляют матрицы узловых проводимостей прямой [Y₁], обратной [Y₂] и нулевой [Y₀] последовательностей эквивалентных многополюсников (фиг.2):

Находят значение сопротивления короткого замыкания

Вычисляют потери короткого замыкания

где I_ном - номинальный ток трансформатора.

Находят активное сопротивление R₁ трансформатора прямой последовательности

Определяют индуктивное сопротивление X₁ трансформатора прямой последовательности

Находят активное сопротивление R₂ трансформатора обратной последовательности

Определяют индуктивное сопротивление Х₂ трансформатора обратной последовательности

Находят активное сопротивление R₀ трансформатора нулевой последовательности

Определяют индуктивное сопротивление Х₀ трансформатора нулевой последовательности

Следует отметить, что точность расчета сопротивлений нулевой последовательности трансформатора во многом определяется уровнем тока нулевой последовательности. Причем, чем выше степень несимметрии, тем точнее определяется сопротивление Z₀=R₀+jX₀. Наибольшая несимметрия токов и напряжений возникает при однофазных и двухфазных коротких замыканиях на выводах трансформатора.

Вычисляют матрицу [Z] узловых сопротивлений многополюсника (фиг.3)

Находят значение тока холостого хода

где U_HOM - номинальный ток трансформатора.

Вычисляют потери холостого хода

Определяют коэффициент К трансформации

Вычисляют активные сопротивления первичной r₁ и вторичной r₂ обмоток:

r₁=ReZ₁₁=K· ReZ₂₁;

r₂=ReZ₂₂=K^-1·^ReZ₁₂.

Находят индуктивные сопротивления первичной ω L₁ и вторичной ω L₂ обмоток и взаимное сопротивление ω M между обмотками

ω L₁=ImZ₁₁

ω L₂=ImZ₂₂

ω M=ImZ₁₂.

Полученные таким образом фактические значения параметров трансформатора сравнивают с эталонными значениями, по отклонениям фактических значений от эталонных судят о наличии дефекта, дефектном узле, а при недопустимых отклонениях фактических показателей от эталонных принимают решение об отключении трансформатора от питающей сети.

Таким образом, реализация данного способа диагностики силовых трансформаторов позволяет более точно оценить техническое состояние элементов трансформатора благодаря увеличению числа контролируемых параметров и непрерывности их контроля, а также получить более точные значения параметров схемы замещения для расчета токов короткого замыкания, необходимые при расчете уставок релейной защиты и автоматики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей прототипа, снижении эксплуатационных затрат за счет сокращения продолжительности отключений трансформатора для ревизий, повышении надежности электрической сети в целом и снижении вероятности внезапных аварий.

Источники информации

1. ГОСТ 3484 - 77. Трансформаторы силовые. Методы испытаний. - М. Изд-во стандартов.

2. Патент РФ № 2069371, кл. G 01 R 35/02, 1996.

3. Авторское свидетельство СССР № 1660067, кл. Н 01 Н 83/22, 1988.

Использование: для диагностики трансформатора. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, снижении эксплуатационных затрат, повышении надежности и снижении вероятности внезапных аварий. Способ заключается в том, что измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в двух различных режимах работы трансформатора, регистрируют измеренные токи и падения напряжения, выделяют первую гармоническую составляющую зарегистрированных токов и напряжений обмоток, определяют симметричные составляющие полученных токов и напряжений, по полученным значениям на основании решения уравнений состояния силового трансформатора на основе матрицы узловых проводимостей и узловых сопротивлений многополюсника (схемы замещения трансформатора) определяют сопротивление Z_K и потери Р_К короткого замыкания, ток I₀ и потери Р₀ холостого хода, активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток, определяют коэффициент К трансформации трансформатора. Определяют сопротивление Z₀ нулевой последовательности по параметрам несимметричного режима. По превышению значений Z_K, Z₀, P_K, I₀, P₀ над соответствующими эталонными значениями судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностики силовых трансформаторов, заключающийся в том, что измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в двух различных нагрузочных режимах, по измеренным значениям путем решения уравнений состояния силового трансформатора, составленных на основе схемы замещения трансформатора, определяют сопротивление Z_K и потери Р_К короткого замыкания, ток I₀ и потери Р₀ холостого хода и по превышению значений Z_K, P_K, I₀, P₀ над соответствующими эталонными значениями судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора, отличающийся тем, что выбирают режимы работы трансформатора при внешних коротких замыканиях, регистрируют измеренные токи обмоток и падения напряжения, выделяют первую гармоническую составляющую зарегистрированных токов и напряжений обмоток, определяют симметричные составляющие полученных токов и напряжений, которые используют в расчетах.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют сопротивление Z₀ нулевой последовательности по параметрам несимметричного режима, сравнивают значение Z₀ с эталонным значением и по отклонению значения Z₀ от эталонного уточняют техническое состояние электрических цепей, связывающих обмотки трансформатора с землей.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток и по полученным значениям сопротивлений уточняют техническое состояние витковой изоляции и состояние токоведущих частей обмоток.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют коэффициент трансформации и по его значению уточняют техническое состояние устройства регулирования напряжения трансформатора.