СЧЕТЧИК РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ ФАЗ Российский патент 2014 года по МПК G01R31/06 

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для вычисления и индикации относительной интенсивности V износа изоляции обмоток трансформатора, а также может найти применение в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы Т_ир изоляции обмоток трансформатора за каждый час, сутки, месяц.

Известен счетчик износа изоляции [1], содержащий блок питания, счетчик электрической энергии, усилитель тока, датчики температуры электрической изоляции.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [2], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками этого аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик ресурса силового трансформатора [3], содержащий датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, экспоненциальный преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, блок деления, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часы, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева (погрешность определения температуры обмоток трансформатора по этой причине может достигать 40% [4]) и неучетом влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, дополнительно введены второй и третий датчики тока, датчик температуры окружающей среды, второй приемопередатчик, регистр, микроконтроллер, первый - третий разряды порта А которого подключены соответственно к выходам первого - третьего датчиков тока, а вход порта В - к выходу датчика температуры окружающей среды, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно С - через регистр с входом цифрового индикатора, D - через второй приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, Е - с входом первого приемопередатчика.

Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов (второго и третьего датчиков тока, датчика температуры окружающей среды, второго приемопередатчика, регистра, микроконтроллера), а также организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Схема счетчика приведена на фиг.1.

Схема счетчика содержит первый - третий датчики тока (ДТ) 1-3 фаз сети "А", "В", "С", микроконтроллер (МК) 4, датчик температуры окружающей среды (ДТОС) 5, генератор 6 прямоугольных импульсов (ГПИ), регистр 7, цифровой индикатор (ЦИ) 8, второй 9 и первый 10 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 11, компьютер 12. Выходы датчиков 1-3 тока соединены соответственно с первым - третьим разрядами порта А микроконтроллера 4, входы порта В которого подключены к выходу датчика температуры окружающей среды 5, а тактовый вход подключен к выходу генератора 6 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 4 соединены соответственно С - через регистр 7 с входом цифрового индикатора 8, D - через второй приемопередатчик 9 с входом постоянного запоминающего устройства 11, Е - через первый приемопередатчик 10 с входом компьютера 12.

Счетчик работает следующим образом.

Выходное напряжение ДТ 1-3, пропорциональное токам нагрузки I(f) фаз сети "А", "В", "С", поступает на вход порта А МК 4, разряды которого соединены с входом встроенного в МК 4 АЦП через аналоговый коммутатор. Датчики тока 1-3 могут быть выполнены на измерительных шунтах, включенных в цепь вторичной обмотки трансформаторов тока. Разряды порта А МК 4 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП таким образом, чтобы получать цифровые коды токов фаз 50-100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в трех ячейках в течение 1 мин.

Датчиком 5 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура обмотки трансформатора Θ определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле

$$\tau \cdot \frac{d\Theta }{dt}+\Theta =K_R\cdot \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)\cdot \left[\frac{I_A^2+I_B^2+I_C^2}{3I_{ном}^2}\right]+{\Theta }_{окр},\left(1\right)$$

где $$K_R\left(\Theta \right)=\frac{1}{1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)}\left[1+\alpha \left(\Theta -{\Theta }_0\right)\right]$$ - коэффициент изменения сопротивления обмоток трансформатора в функции от температуры;

α - температурный коэффициент сопротивления обмоток; имеет значение для меди α_м=0,0041°С^-1, алюминия α_а=0,0044°С^-1;

Θ_ном ^- номинальная длительно допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора; для большинства трансформаторов Θ_ном=98°С; для трансформаторов с термически высококачественной изоляцией Θ_ном=110°С;

Θ₀=20°С - температура окружающей среды, принимаемая при определении номинальных параметров трансформатора по [5];

I_ном - номинальный ток трансформатора;

I_A,B,C - среднеквадратическое значение тока в фазах "А", "В", "С".

Разрешим уравнение (1) относительно производной температуры Θ, а также сделаем замену $$K_R\left(\Theta \right)=\frac{1}{1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)}\left[1+\alpha \left(\Theta -{\Theta }_0\right)\right]$$

$$\frac{d\Theta }{dt}=\frac{{\Theta }_{ном}-{\Theta }_0}{\tau \left[1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)\right]}\cdot \left[1+\alpha \left(\Theta -{\Theta }_0\right)\right]\cdot \left[\frac{I_A^2+I_B^2+I_C^2}{3I_{ном}^2}\right]+\frac{1}{\tau }{\Theta }_{окр}-\frac{1}{\tau }\Theta .\left(2\right)$$

Для решения уравнения (2) перед началом измерений в памяти в МК 4 размещаются константы, значения которых приведены в таблице.

Константы Номера ячеек 1 1 3 4 5 Значения кодов 1 α Θ₀=20° $$\frac{{\Theta }_{ном}-{\Theta }_0}{\tau \left[1+\alpha \left({\Theta }_{ном}-{\Theta }_0\right)\right]3I_{ном}^2}$$ $$\frac{1}{\tau }$$

Относительная скорость износа изоляции V определяется в функции температуры обмотки трансформатора Θ по формуле [5, 6]

$$V=e^{\mu \left[\Theta \left(t\right)-{\Theta }_{ном}\right]},\left(3\right)$$

где µ=0,116 - коэффициент, характеризующий интенсивность старения изоляции.

Износ (использованный ресурс срока службы) Т_ир изоляции за интервал времени Т=1 час, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 14209-97 [5], определяется по формуле

$$T_{ир}={\displaystyle \underset{0}{\overset{T}{\int }}Vdt}.\left(4\right)$$

Управление работой счетчика осуществляется следующим образом. Через одинаковые интервалы времени ΔT=1 мин импульсом с выхода порта С в регистр 7 записывается значение относительной скорости износа изоляции V, которое в дальнейшем отображается на цифровом индикаторе 8, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Первый приемопередатчик 10 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 11: дату; час; значение износа Т_ир изоляции за этот час и т.д.

Преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с известными аналогами является его более высокая точность. Схема счетчика ориентирована на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 655976 СССР, МПК G01R 11/32, 1974.

2. Авторское свидетельство 2041496 СССР, МПК G06F 17/18, 1991.

3. Патент 2380715 РФ, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).

4. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис.… канд. техн. наук. - Омск, 2005.

5. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91. LOADING GUIDE FOR OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. - Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.

6. Никитин Ю.М., Тер-Оганов Э.В. Определение вероятностных характеристик случайного процесса относительного износа изоляции трансформаторов.//Электричество. - 1973. - №9. - С.62-67.

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для вычисления и индикации относительной интенсивности износа изоляции обмоток трансформатора, а также может найти применение в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы изоляции обмоток трансформатора за каждый час, сутки, месяц. Сущность: счетчик содержит датчики тока фаз сети "А", "В", "С", микроконтроллер, датчик температуры окружающей среды, генератор прямоугольных импульсов, регистр, цифровой индикатор, первый и второй приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер. Технический результат: повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз. 1 ил.

Счетчик ресурса трансформатора при несимметричной нагрузке фаз, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй и третий датчики тока, датчик температуры окружающей среды, второй приемопередатчик, регистр, микроконтроллер, первый-третий разряды порта А которого подключены соответственно к выходам первого-третьего датчиков тока, а вход порта В - к выходу датчика температуры окружающей среды, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно С - через регистр с входом цифрового индикатора, D - через второй приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, Е - с входом первого приемопередатчика.