СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ОХЛАЖДЕНИЯ МАСЛОНАПОЛНЕННОГО СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2018 года по МПК G05B13/02 H01F27/12 G05D23/30 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к управлению системой охлаждения мощного маслонаполненного оборудования электрических станций и подстанций, и может быть применено для управления охлаждением маслонаполненного силового трансформатора.

Уровень техники

Мощные маслонаполненные трансформаторы оснащаются системами принудительного охлаждения, включающими несколько воздушных охладителей (вентиляторов) и один или несколько масляных охладителей (маслонасосов). Как правило, чем больше нагрузка трансформатора, тем больше затраты мощности на охлаждение. Температура обмоток трансформатора, их сопротивление и потери мощности в обмотках снижаются при более интенсивном (и, соответственно, энергозатратном) охлаждении. В результате для каждого конкретного режима нагрузки трансформатора существует оптимальный режим охлаждения, при котором суммарные затраты мощности на охлаждение трансформатора и на потери в его обмотках будут близки к минимальным.

Известно техническое решение, направленное на уменьшение указанных суммарных затрат мощности за счет надлежащего выбора числа включенных охладителей, согласно которому устройство управления охлаждением мощного трансформатора периодически рассчитывает тепловое состояние трансформатора и соответствующие ему суммарные затраты мощности при трех значениях числа включенных охладителей - текущем, на единицу большем и на единицу меньшем, и выбирает для следующего интервала времени то из этих трех значений числа включенных охладителей, при котором температура масла и обмотки не превышает заданных предельных значений, а суммарные затраты мощности меньше [RU 2377682].

При таком управлении, по меньшей мере, часть охладителей (вентиляторов и маслонасосов) работают в прерывистом режиме (режиме периодического включения и отключения электродвигателей), который характеризуется неполным использованием теплообменной поверхности трансформатора и высоким энергопотреблением.

От этого недостатка свободен выбранный в качестве прототипа способ управления системой охлаждения мощного трансформатора [RU 2432591]. Прототип управляет масляными и воздушными охладителями трансформатора с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП), измеряет текущие значения токов в обмотках трансформатора и параметры окружающей среды, по которым на основе термогидравлических моделей трансформатора и его системы охлаждения определяет режимы охлаждения, необходимый для удержания температуры наиболее нагретой точки в допустимых пределах.

Прототип регулирует производительность охладителей, изменяя скорость вращения их частотно-регулируемых приводов, что более экономично, чем изменение числа одновременно работающих охладителей.

Однако, несмотря на использование в прототипе регулируемых электроприводов, суммарные затраты электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и потери в нем выше минимума, который может быть достигнут при оптимальной комбинации производительностей масляных и воздушных охладителей.

Сущность изобретения

Как показали проведенные авторами исследования, в ряде практических случаев допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки силового трансформатора при его текущем электрическом состоянии может быть обеспечена не при одном, а при некотором множестве допустимых термогидравлических режимов трансформатора, причем при наличии двух типов охладителей (насосов, прокачивающих масло через бак трансформатора, и вентиляторов, охлаждающих прокачиваемое масло воздухом) одному элементу такого множества режимов соответствует, как правило, несколько допустимых вариантов загрузки масляных и воздушных охладителей (комбинаций их производительностей), характеризующихся неравными суммарными затратами электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и на потери в нем.

Прототип не выбирает наиболее экономичный вариант загрузки охладителей из нескольких возможных режимов охлаждения, способных удерживать температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах.

Технический результат изобретения по отношению к прототипу, использующему частотно-регулируемый электропривод масляных и воздушных охладителей, - уменьшение суммарных затрат электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и на потери в нем.

Предметом изобретения является способ управления системой охлаждения силового трансформатора с ЧРП масляных и воздушных охладителей, заключающийся в том, что на основе термогидравлических моделей трансформатора и его системы охлаждения формируют массив возможных режимов трансформатора и соответствующий ему массив режимов охлаждения, а в процессе эксплуатации измеряют токи в обмотках трансформатора и параметры окружающей среды и устанавливают режим охлаждения, удерживающий температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации выделяют подмассив режимов трансформатора, соответствующий измеренным токам, и для каждого выделенного режима трансформатора - подмассив режимов охлаждения, соответствующий измеренным параметрам окружающей среды, при этом для каждого выделенного режима охлаждения вычисляют суммарные затраты электроэнергии на охлаждение и на потери в трансформаторе и устанавливают минимизирующий указанные затраты режим охлаждения, удерживающий температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах.

Это позволяет получить указанный технический результат.

Кроме того, заявленное изобретение позволяет упростить устройство, реализующее способ, и повысить его надежность за счет управления охлаждением трансформатора без применения датчика температуры или вязкости масла, который является необходимым при осуществлении прототипа.

Развития изобретения, относящиеся к частным случаям его осуществления, состоят в том, что:

- измеряют содержание влаги и газа в масле и определяют допустимую температуру наиболее нагретой точки с учетом результатов указанных измерений;

- в качестве параметров охлаждающей среды измеряют температуру, влажность и давление окружающего воздуха;

- периодически измеряют температуру верхних слоев масла и корректируют текущий режим охлаждения по результатам указанного измерения;

- подмассив режимов работы трансформатора выделяют с учетом текущего положения регулятора напряжения под нагрузкой (РПН) охлаждаемого трансформатора.

Осуществление изобретения с учетом его развитий

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Предварительно формируют массив возможных режимов работы трансформатора и соответствующий ему массив требуемых режимов работы системы охлаждения. Для этого могут быть использованы, например, методы математического моделирования, описанные в статье «Методические подходы к cfd-моделированию тепловых режимов силовых масляных трансформаторов», опубликованной в журнале «Промышленная теплотехника», 2008 г., т. 30, №6, стр. 57-66. Полученные массивы данных загружают в память устройства управления, представленного на фигуре, которое может быть выполнено на базе программируемого логического контроллера (ПЛК).

Представленное на чертеже устройство для осуществления заявляемого способа содержит блок 1 цифровой обработки, снабженный входным интерфейсом 2 для подключения датчиков электрического состояния трансформатора, например одного или нескольких датчиков 3 тока нагрузки, входным интерфейсом 9 для подключения датчика 10 температуры Т_ос окружающей среды, входным интерфейсом 11 для подключения датчиков 12 и 13 давления и влажности окружающего воздуха соответственно и выходным интерфейсом 4 для выдачи сигналов управления частотно-регулируемыми приводами масляных и воздушных охладителей трансформатора.

В частных случаях блок 1 может быть снабжен дополнительно:

- интерфейсом 5 для ввода уставки Т_{ннт доп} по температуре Т_ннт наиболее нагретой точки обмотки охлаждаемого силового трансформатора;

- интерфейсом 6 для подключения датчиков 7 и 8 влаго- и газосодержания масла соответственно;

- интерфейсом 14 для подключения датчика 15 температуры Т_всм верхних слоев масла.

Кроме того, входной интерфейс 2 блока 1 может быть выполнен с возможностью подключения датчика (индикатора) 16 положения РПН, которым может быть снабжен охлаждаемый силовой трансформатор.

Все интерфейсы блока 1, предназначенные для подключения аналоговых датчиков, снабжены аналого-цифровыми преобразователями, либо для этой цели в блоке 1 может быть использован один многоканальный преобразователь.

Блок 1 выполнен на основе ПЛК, запрограммированного для осуществления способа в процессе эксплуатации трансформатора.

Перед началом работы в память ПЛК загружается рабочая программа, обеспечивающая осуществление способа, и вышеупомянутые массивы, сформированные на основе термогидравлических моделей данного конкретного конструктива охлаждаемого трансформатора и данного конкретного конструктива его системы охлаждения.

Уставка Т_{ннт доп} может быть учтена в загружаемой рабочей программе или вводиться через интерфейс 5. При наличии датчиков 7 и 8 влаго- и газосодержания масла, подключенных к интерфейсу 6, уставка Т_{ннт доп} по температуре Т_ннт может определятся блоком 1 с учетом показаний этих датчиков.

В процессе эксплуатации трансформатора устройство, осуществляющее способ, работает следующим образом.

Для каждого конкретного текущего электрического состояния, фиксируемого датчиками 3 и 16, подключенными к интерфейсу 2, блок 1 выбирает (т.е. извлекает из загруженного в его память массива возможных режимов работы трансформатора) подмассив допустимых режимов работы трансформатора и связанный с ним подмассив требуемых режимов охлаждения, соответствующий параметрам окружающей среды, измеренным датчиками 10, 12 и 13. Подмассив допустимых режимов работы трансформатора характеризует один или несколько режимов трансформатора, обеспечивающих температуру Т_ннт, не превышающую уставку Т_{ннт доп}. Эта уставка учтена в загружаемой рабочей программе, введена через интерфейс 5 или рассчитана блоком 1 с учетом показаний датчиков 7 и 8.

Подмассив выбранных режимов охлаждения представляет собой возможные сочетания производительностей воздушных и масляных охладителей, обеспечивающие выбранные режимы работы трансформатора.

Для каждого из выбранных режимов охлаждения блок 1 определяет мощность Р_пот.тр активных потерь в трансформаторе (с учетом температурной зависимости сопротивлений его обмоток) и электрическую мощность Р_охл, затрачиваемую на охлаждение трансформатора.

Затем блок 1 подсчитывает суммы указанных мощностей (характеризующие суммарные затраты электроэнергии), находит режим, соответствующий минимальной сумме, и формирует через выходной интерфейс 4 соответствующие сигналы управления ЧРП охладителей.

Алгоритм обработки данных в блоке 1, позволяющий осуществить заявленный способ, иллюстрируется связанными между собой элементами цифровой обработки, представленными на фигуре пунктирными линиями.

Элемент 17 обозначает загруженный в ПЛК массив возможных режимов трансформатора, имеющего данный конструктив. Если предусматривается использование нескольких уставок Т_{ннт доп}, то массив 17 включает данные о допустимых режимах для каждой из уставок Т_{ннт доп}, задаваемых по интерфейсу 5 или вычисляемых по показаниям датчиков 7 и 8.

Из массива 17 блок 1 выбирает подмассив, соответствующий показаниям датчиков 3 и 16 и уставке Т_{ннт доп}. Каждый элемент выбранного подмассива характеризуется следующим набором параметров: расход Q_м масла, разность ΔН_м давлений масла на входе и выходе в бак трансформатора, температура Т_м.вх масла на входе в бак трансформатора, температура Т_{всм⋅расч} верхних слоев масла, а также величина потерь Р_пот.тр в трансформаторе.

Параметры [Q_м, ΔН_м, Т_м.вх,]_i выбранного подмассива режимов работы трансформатора далее используются для того, чтобы из исходного массива 18 требуемых режимов охлаждения выбрать подмассив, обеспечивающий именно эти параметры охлаждающего масла для данного конструктива системы охлаждения при измеряемых датчиками 10, 12 и 13 параметрах окружающей среды (воздуха). При этом каждый элемент выбранного подмассива характеризуется парой значений n_м, n_возд скоростей вращения масляных и воздушных охладителей и соответствующей электрической мощностью Р_охл, затрачиваемой на охлаждение.

Далее блок 1 вычисляет суммарные затраты мощности [Р_Σ]_i=[Р_пот.тр]_i⁺[Р_охл]_i. Последовательно сравнивая между собой [Р_Σ]_i, элемент 19 находит номер i_мин для минимальной суммарной мощности Р_Σмин и передает его на элемент 20. Элемент 20 фиксирует соответствующую i_мин пару скоростей вращения охладителей [n_м, n_возд]_iмин. По этим значениям скоростей могут быть сформированы и выданы через интерфейс 4 соответствующие управляющие сигналы для ЧРП охладителей.

В тех случаях, когда применяется корректировка текущего режима охлаждения по температуре Т_{всм расч}, измеряемой датчиком 15, подключенным к интерфейсу 14, значение i_мин поступает также на элемент 21. Элемент 21 фиксирует то значение температуры верхних слоев масла из ряда значений [Т_всм]_i, выбираемых из массива 17, которое соответствует i_мин. Это значение на фигуре обозначено как Т_{всм расч}.

Как видно из изложенного, заявляемый способ может быть осуществлен с достижением указанного технического результата на базе ПЛК, снабженного необходимыми интерфейсами.

Сравнительные расчеты, проведенные для конкретных конструктивов трансформатора и системы охлаждения, показали, что использование изобретения вместо прототипа для управления охлаждением одного трансформатора АОДЦТН 417000/750/500/10 с помощью системы охлаждения ДЦ 180 (обозначения по ГОСТ 11677-85 «Трансформаторы силовые. Общие технические условия») позволит снизить суммарные затраты электроэнергии на охлаждение силового трансформатора и на потери в нем на 10-12%, что даст годовую экономию электроэнергии в размере 25,0-30,0 тыс. кВт×час.

Изобретение относится к системам управления, автоматически выбирающим оптимальный режим работы. Способ управления системой охлаждения маслонаполненного трансформатора с частотно регулируемым приводом масляных и воздушных охладителей заключается в следующем. На основе термогидравлических моделей трансформатора формируют массив возможных режимов трансформатора и соответствующий ему массив режимов охлаждения. В процессе эксплуатации измеряют токи в обмотках трансформатора и параметры окружающей среды и выделяют подмассив режимов трансформатора, соответствующий измеренным токам, и для каждого выделенного режима трансформатора - подмассив режимов охлаждения, соответствующий измеренным параметрам окружающей среды. Для каждого выделенного режима охлаждения вычисляют суммарные затраты электроэнергии на охлаждение и на потери в трансформаторе и устанавливают минимизирующий указанные затраты режим охлаждения, удерживающий температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах. Технический результат изобретения заключается в уменьшении суммарных затрат электроэнергии на охлаждение трансформатора и на потери в нем. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления системой охлаждения силового трансформатора с частотно-регулируемым приводом масляных и воздушных охладителей, заключающийся в том, что на основе термогидравлических моделей формируют массив возможных режимов трансформатора и соответствующий ему массив режимов охлаждения, а в процессе эксплуатации измеряют токи в обмотках трансформатора и параметры окружающей среды и устанавливают режим охлаждения, удерживающий температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах, отличающийся тем, что в процессе эксплуатации выделяют подмассив режимов трансформатора, соответствующий измеренным токам, и для каждого выделенного режима трансформатора - подмассив режимов охлаждения, соответствующий измеренным параметрам окружающей среды, при этом для каждого выделенного режима охлаждения вычисляют суммарные затраты электроэнергии на охлаждение и на потери в трансформаторе и устанавливают минимизирующий указанные затраты режим охлаждения, удерживающий температуру наиболее нагретой точки в допустимых пределах.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют содержание влаги и газа в масле и определяют допустимую температуру наиболее нагретой точки с учетом результатов указанных измерений.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве параметров окружающей среды измеряют температуру, влажность и давление воздуха.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что периодически измеряют температуру верхних слоев масла и корректируют текущий режим охлаждения по результатам указанного измерения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подмассив режимов охлаждения выделяют с учетом текущего положения регулятора напряжения под нагрузкой охлаждаемого трансформатора.