СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01R35/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оперативном контроле технического состояния высоковольтных трансформаторов напряжения (ТН), в том числе, каскадных (многоступенчатых) маслонаполненных ТН непосредственно в процессе эксплуатации под рабочим напряжением. Разработанный способ может быть использован в энергетике.

Известны способы и устройства для определения характеристик трансформаторов напряжения - погрешности напряжения f_u и угловой погрешности δ. При метрологической аттестации трансформаторы выводят из эксплуатации и при их поверке используют образцовые трансформаторы и приборы сравнения, с помощью которых определяются экспериментальные значения погрешностей трансформаторов напряжения (А.с. СССР №1109690, G 01 R 35/02, 1982).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в данном способе:

1) не производят контроль параметров трансформаторов напряжения непосредственно в процессе эксплуатации на электрических подстанциях под действием рабочего напряжения;

2) для оценки погрешностей необходимо отключать трансформатор напряжения от потребителя;

3) сложно оценивать процесс старения аппарата, работающего на подстанции под напряжением в течение многих лет эксплуатации;

4) невозможно оценить техническое состояние совокупности аппаратов, работающих на подстанции с целью выявления наиболее состаренных аппаратов.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является принятый за прототип способ дистанционного контроля распределения напряжения на последовательно соединенных элементах высоковольтной установки, например, в гирлянде изоляторов линии электропередач высокого напряжения, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации элементов высоковольтной установки измеряют интенсивность оптического излучения этих элементов с помощью тепловизионного приемника, определяют превышение температуры каждого элемента над температурой окружающей среды и расчетным путем определяют величину напряжения на каждом элементе, например, изоляторе гирлянды линии электропередач (А.с. СССР №911345, МПК³ G 01 R 19/00 "Способ дистанционного контроля распределения напряжения на последовательно соединенных элементах высоковольтной установки", заявл. 03.05.79, опубл. 07.03.82, бюлл. №9, автор Поляков B.C.).

Однако в данном способе на основе дистанционного измерения температуры производят единственно расчет величины напряжения, падающего на отдельных элементах высоковольтной конструкции - гирлянды изоляторов, что существенно снижает эффективность оперативного контроля и диагностических параметров при подобном методе диагностики с помощью тепловизионного приемника.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи дистанционного контроля изменения параметров трансформаторов напряжения: изменения погрешности напряжения Δf_u и угловой погрешности Δδ непосредственно в процессе эксплуатации с целью оперативной диагностики и вывода из эксплуатации устройств, имеющих завышенные погрешности, для последующего метрологического контроля. Дистанционный контроль производится с помощью тепловизионного приемника.

Известно, что в процессе эксплуатации под напряжением в трансформаторе напряжения, как высоковольтном электрическом аппарате, рассеивается активная мощность Р_а (Вт) тепловых потерь, которые в конечном счете обуславливают нагрев конструкции и отвод тепла от нее.

Активная мощность Р_а, рассеиваемая в объеме трансформатора напряжения, связана с величинами погрешности напряжения f_u и угловой погрешности δ (см. Дымков A.M., Кибель В.М., Тишенин Ю.В. Трансформаторы напряжения. 2-е изд., М.: Энергия, 1975, - 200 с.).

Значения погрешности напряжения f_u и угловой погрешности δ трансформатора напряжения описываются выражениями:

где i_a, i_p - активная и реактивная составляющие тока холостого хода, отнесенные к номинальному току ТН; U_а.н, U_p.н - активная и индуктивная составляющие падения напряжения в первичной и вторичной обмотках при номинальной вторичной нагрузке, установленной для ТН определенного класса точности (% вторичного напряжения).

Так например, для однофазного ТН активная и индуктивная составляющие тока холостого хода, отнесенные к номинальному току ТН класса точности 0,5, равны:

где P_a - активная мощность, Вт; Q_н - намагничивающая мощность магнитопровода, В·A; S_2н.ном - номинальная вторичная мощность ТН; α_u - отношение вторичного напряжения к номинальному вторичному напряжению.

Величина активной мощности определяет значения f_u и δ, так что с учетом выражений (1)-(3) можно записать соотношения:

где c₁, c₂. с₃, c₄ - постоянные, определяемые типом аппарата.

Параметры, входящие в выражения (3)-(5), в целом, известны. Например, для трансформатора типа НКФ-110: α_u=0,8; S_2н.ном=400 B•А; U_р.н=0,36; U_а.н=0,45. Тогда для расчета погрешностей данного трансформатора напряжения необходимо считать, что с₁=0,0014%/Вт; с₂=0,04 мин/Вт.

В процессе старения трансформаторов напряжения при их длительной эксплуатации увеличивается рассеиваемая активная мощность Р_a (Вт) (тепловые потери возрастают) за счет увеличения магнитных потерь в магнитном сердечнике, старения изоляции и т.п., вследствие чего значения погрешностей f_u и δ трансформаторов напряжения возрастают. Это влияет на точность измерения величины напряжения подобными аппаратами.

На основе соотношений (4) и (5) можно показать, что увеличение активной мощности от значения P_a1 до Р_a2 в процессе старения аппаратов приведет к увеличению величин погрешностей от f_u1 и δ₁ до значений f_u2 и δ₂, так что изменение погрешностей может быть определено по формулам:

где ΔР_а - изменение величины рассеиваемой активной мощности в процессе старения аппарата; c₁, с₂ - постоянные, определяемые типом аппарата.

Таким образом, контроль величин изменения погрешностей Δf_u и Δδ может быть реализован путем оценки значений ΔР_а в процессе старения трансформаторов напряжения.

Выделяемая в объеме трансформатора напряжения активная мощность Р_а (Вт) равна суммарной величине теплового потока Q (Вт), который выходит через боковую поверхность фарфоровой покрышки ТН, поэтому выражения (6) и (7) можно записать таким образом:

где Q₂, Q₁ - величины суммарных тепловых потоков, отходящие от боковой поверхности ТН, рассчитываемые на основе последовательных тепловизионных измерений в различное время в процессе старения аппарата, c₁, c₂ - постоянные, определяемые типом аппарата.

Величина Р_a может быть оценена различными способами, например установкой на поверхность покрышки исследуемых аппаратов контактных датчиков теплового потока, измеряющих поверхностную плотность теплового потока q_s (Вт/м²) в различных точках поверхности. Зная величину поверхностной плотности q_s и размеры поверхности аппарата, можно оценить суммарный тепловой поток Q, равный величине активных потерь Р_а в трансформаторе напряжения, и таким образом контролировать изменение ΔР_а величины тепловых потерь в процессе старения аппарата при его эксплуатации.

Однако установка контактных датчиков теплового потока на поверхность высоковольтных ТН невозможна из-за технологических особенностей конструкции покрышки и техники безопасности при работе с высоковольтными установками.

В связи с этим обстоятельством оперативная диагностика в процессе эксплуатации трансформаторов напряжения в рамках предлагаемого способа реализуется посредством дистанционного определения величины суммарного теплового потока Q на основе тепловизионной диагностики.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и достоверности оперативного контроля трансформаторов напряжения непосредственно в процессе эксплуатации при рабочем напряжении.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, основанном на измерении интенсивности оптического излучения от трансформатора напряжения, имеющего общую высоту боковой поверхности Н и находящегося под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, с помощью тепловизионного приемника и на определении температуры поверхности трансформатора напряжения по зафиксированной интенсивности оптического излучения, определяют суммарный тепловой поток Q₁, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой ΔH_i=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQ_i, отходящего от каждого участка по формуле:

где D - внешний диаметр трансформатора напряжения;

α_кi и α_лi - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от поверхности i-го участка высотой ΔН_i;

Δt_пi - разность температур поверхности i-го участка высотой ΔH_i, определяемая по формуле:

где t_повi - температура поверхности i-го участка;

t₀ - температура воздуха;

и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток Q₁ от всей боковой поверхности трансформатора напряжения, равный сумме тепловых потоков ΔQ_i каждого участка, затем через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения, аналогично определяют суммарный тепловой поток Q₂, отходящий от боковой поверхности этого же трансформатора напряжения, и вычисляют изменение погрешности напряжения Δf_u и угловой погрешности Δδ по формулам:

где c₁, c₂ - постоянные, определяемые типом аппарата;

затем определяют техническое состояние трансформатора напряжения путем сравнения полученных данных Δf_u, Δδ с нормативно допустимыми значениями, в случае их превышения производят изъятие трансформатора напряжения из эксплуатации.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

определяют суммарный тепловой поток Q₁, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой ΔH_i=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQ_i, отходящего от каждого участка по формуле:

где D - внешний диаметр трансформатора напряжения;

α_кi и α_лi - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от поверхности i-го участка высотой ΔН_i;

Δt_пi - разность температур поверхности i-го участка высотой ΔH_i, определяемая по формуле:

где t_повi - температура поверхности i-го участка;

t₀ - температура воздуха;

и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток Q₁ от всей боковой поверхности трансформатора напряжения, равный сумме тепловых потоков ΔQ_i каждого участка, затем через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения, аналогично определяют суммарный тепловой поток Q₂, отходящий от боковой поверхности этого же трансформатора напряжения, и вычисляют изменение погрешности напряжения Δf_u и угловой погрешности Δδ по формулам:

где c₁, c₂ - постоянные, определяемые типом аппарата;

затем определяют техническое состояние трансформатора напряжения путем сравнения полученных данных Δf_u, Δδ с нормативно допустимыми значениями, в случае их превышения производят изъятие трансформатора напряжения из эксплуатации.

Способ осуществляют следующим образом.

В начале эксплуатации трансформатора напряжения и через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом ТН, его боковую поверхность с высотой Н условно разбивают на равные участки, так что высота отдельных участков ΔН_i равна

где N - общее количество участков, на которое разбита боковая поверхность трансформатора, i=1...N.

Затем измеряют оптическое излучение от каждого участка боковой поверхности трансформатора напряжения с помощью тепловизионного приемника и определяют значение температуры этих участков по зафиксированной интенсивности оптического излучения, после чего на основе данных температуры поверхности каждого участка рассчитывают мощность теплового потока ΔQ_i, отходящего от каждого участка боковой поверхности трансформатора напряжения высотой ΔH_i, по следующему алгоритму.

В теории теплообмена и инженерной практике используют эмпирические соотношения, которые с достаточной степенью точности описывают протекающие процессы в тепловых системах.

Интенсивность естественного конвективного потока для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде определяется критериями Грасгофа (Gr), Прандтля (Pr) и их произведением (Gr·Pr).

Интенсивность теплообмена на границе раздела ТН - воздух определяется критерием Нуссельта. Коэффициент теплоотдачи α_к определяется:

где Nu - число Нуссельта, характеризующее интенсивность процесса конвекционного теплообмена; λ_в - коэффициент теплопроводности воздуха.

Конвективный теплообмен определяется параметрами физических свойств воздуха: коэффициентом теплопроводности λ_в, теплоемкостью С_р при постоянном давлении, удельной плотностью ρ, динамической вязкостью μ и кинематической вязкостью, равной ν=μ/ρ.

Число Нуссельта определяется функцией:

Значение Gr рассчитывается по соотношению:

где g - ускорение свободного падения; Н - высота покрышки; b - температурный коэффициент объемного расширения (b=1/273); Δt - разность температур, рассчитываемая по соотношению

причем значение температуры t_г в выражении (14) определяется как усредненное значение температуры воздуха t₀ и поверхности t_пов.

Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой среды, которая участвует в конвекционном теплообмене:

Число Нуссельта представляется в виде критериальной зависимости:

где с, n - табличные коэффициенты, определяемые в зависимости от различных условий (см. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. - 4-е изд., перераб. доп. - М.: Энергоиздат, 1981, - 416 с.; Михеев М.А., Михеева И.М., Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, - 344 с.).

С учетом соотношения (11)-(16) можно оценить величину коэффициента теплоотдачи путем конвекции:

При расчетах тепловыделений электрического оборудования необходимо также учитывать теплоотдачу излучением. Реальные объекты находятся в воздухе с температурой t₀. С учетом закона Стефана-Больцмана следует оценивать интегральную энергетическую светимость R потока излучения от серого тела с учетом влияния окружающей среды по соотношению:

где ε - коэффициент излучательности, σ - постоянная Стефана-Больцмана; t_пов, t₀ - температуры поверхности и среды.

Интегральная энергетическая светимость R определяет величину коэффициента теплоотдачи от объекта путем излучения:

где α_л - коэффициент теплоотдачи за счет излучения, Δt_п - разность температур поверхности участков и воздуха, определяемая в процессе тепловизионных испытаний.

Сумма значения коэффициентов теплоотдачи (α_кi+α_лi) для каждого выделенного i-го участка покрышки высотой ΔH_i может быть рассчитана с учетом соотношений (11)-(19).

Например, при температуре воздуха t₀=-4°С значение температуры в некоторой области наружной части покрышки составляет t_повi=4,7°С; Δt_пi=8,7°С. Расчет коэффициентов теплопередачи конвекцией и излучением по программам, составленным в соответствии с изложенным алгоритмом, дает значение (α_кi+α_лi)≈7 Вт/м²°С (см. Власов А.Б. Программа расчета коэффициента теплопередачи от поверхности при тепловизионном контроле. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611742 регистр. 22.08.2003, Российское агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2003 г.; Власов А.Б. Программа расчета тепловых потоков при тепловизионном контроле маслонаполненных трансформаторов напряжения. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611741, регистр. 22.08.2003, Российское агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2003 г.).

Тепловой поток ΔQ_i от участка боковой поверхности ТН площадью ΔS может быть рассчитан по соотношению:

где α_кi и α_лi - коэффициенты теплоотдачи от поверхности i-го участка высотой ΔH_i; D - внешний диаметр ТН; Δt_пi - разность температур поверхности i-го участка t_повi и температуры воздуха t₀.

Примеры расчета величин тепловых потоков представлены в работах (см. Власов А.Б. Тепловизионный контроль маслонаполненных высоковольтных аппаратов // Электрика, №10, 2003, стр.30-35; Власов А.Б. Тепловизионный контроль высоковольтных трансформаторов напряжения // Электротехника, №1, 2004, стр.42-47).

По рассчитанным значениям ΔQ_i определяют суммарный тепловой поток Q, отходящий от всей боковой поверхности трансформатора напряжения высотой Н:

Таким образом, рассчитывают суммарный тепловой поток Q, который, как отмечено выше, равен активной мощности Р_а, рассеиваемой в объеме аппарата и оказывающей наибольшее влияние на погрешности трансформаторов напряжения.

При практической реализации предлагаемого способа можно производить тепловизионную диагностику путем сравнения тепловых потоков одного трансформатора напряжения путем его многократного тепловизионного обследования. В этом случае проводят неоднократные тепловизионные испытания на одном аппарате: первоначально определяют исходное значение Q₁, равное Р_a1, после чего проводят испытания состаренного аппарата при эксплуатации и определяют текущее значение Q₂, равное Р_a2, причем испытания проводят через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения. Это может быть от 1 года до 3 лет.

Трансформаторы напряжения должны находиться под рабочим напряжением в течение интервала времени, достаточного для окончания возможных переходных процессов, в том числе феррорезонансных явлений, и наступления на каждом аппарате установившегося температурного режима.

По результатам тепловизионных испытаний рассчитывают величину изменения погрешностей Δf_u и Δδ по соотношениям (8) и (9).

Если со временем эксплуатации рассеиваемая мощность возрастает, например, на ΔР_а=(P₂-P₁)=(Q₂-Q₁)=60 Вт, то значение погрешности напряжения f_u увеличивается на Δf_u=0,08%, а угловая погрешность δ аппарата возрастает на величину Δδ≈2,4 мин.

Известно, что для НКФ-110 значения погрешностей f_u<1-2% и δ<10-20 мин. Поэтому при Δf_u=0,08% относительное изменение величины погрешности напряжения Δf_u/f_u может составлять 4-8% от исходной величины; аналогично при возрастании δ на 2,4 мин относительное изменение величины угловой погрешности Δδ/δ может достигать 10-20% от начального значения.

Сравнивая величину теплового потока трансформаторов в процессе их старения путем последовательных тепловизионных испытаний, можно осуществлять дистанционный оперативный контроль за изменением технического состояния трансформаторов напряжения в процессе эксплуатации и сравнивать полученные данные Δf_u и Δδ с нормативно допустимыми значениями погрешности напряжения и угловой погрешности, в случае их превышения производят изъятие ТН для последующего метрологического контроля.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в процессе тепловых испытаний высоковольтных трансформаторов напряжения. Технический результат - повышение достоверности измерений. Для достижения данного результата поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки и определяют с помощью тепловизионного приемника температуру каждого участка. Затем рассчитывают тепловой поток каждого участка и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток, характеризующий тепловые потери в магнитопроводе, определяющий значение погрешности измерений.

Способ теплового контроля характеристик трансформаторов напряжения, основанный на измерении интенсивности оптического излучения трансформатора напряжения, имеющего общую высоту Н боковой поверхности и находящегося под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, с помощью тепловизионного приемника и на определении температуры поверхности трансформатора напряжения по зафиксированной интенсивности оптического излучения, отличающийся тем, что определяют суммарный тепловой поток Q₁, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой

ΔH_i=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQ_i, при этом суммарную мощность теплового потока принимают равной активной мощности трансформатора, рассеиваемой в сердечнике трансформатора, а значения погрешности напряжения Δf_u и угловой погрешности Δδ определяют по формулам

Δf_u=-с₁·(P_a2-P_a1), %;

Δδ=c₂·(P_a2-P_a1), мин,

где Р_а2, P_a1 - значения активной мощности, рассчитываемые на основе тепловизионных измерений;

с₁, с₂ - постоянные, определяемые типом аппарата.