Определитель степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора Российский патент 2024 года по МПК G01R31/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области электроэнергетики в части реализации методов оценки технического состояния трансформаторного оборудования электрических станций и подстанций и может быть использовано для определения степени старения внутренней изоляции силовых трансформаторов, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов без вывода их из эксплуатации.

Уровень техники

Известно устройство для определения состояния внутренней изоляции электроустановки (заявка №94020106, опубл. 27.07.1996), в котором используется отдельный источник наложенного тока, соединенный через преобразователи тока и напряжения с блоком измерения тангенса угла диэлектрических потерь, блок запоминания, датчик температуры, функциональный преобразователь и блок определения остаточного ресурса изоляции.

Недостатком устройства является его усложнение за счет использования отдельного источника наложенного тока для определения частотной характеристики величины тангенса угла диэлектрических потерь с сопутствующими блоками.

Известен способ прогнозирования оставшегося ресурса силового трансформатора (заявка США №2013/0243033, опубл. 19.09.2013), в котором в верхней части трансформаторного бака с маслом имеется отсек для размещения в нем образцов бумажной изоляции, по анализу которых выполняется оценка остаточного срока службы трансформатора.

Недостатком способа является низкая точность прогнозирования, осуществляемого по отдельному образцу бумаги, при этом для отбора образца бумаги трансформатор должен быть выведен из работы.

Известна система дистанционного определения влажности изоляционной бумаги силового маслонаполненного трансформатора (заявка Китая №102749363, опубл. 24.10.2012), в которой показания датчика влажности передаются модулем по каналу GPRS на удаленную станцию, где и осуществляется контроль состояния бумажной изоляции.

Недостатками системы являются конструктивная сложность и предоставление неточных данных о состоянии внутренней изоляции, поскольку определение только влажности бумажной изоляции трансформатора недостаточно для обоснованного прогноза остаточного ресурса и оценки степени ее старения.

Известно устройство для оценки состояния бумажной изоляции силового трансформатора (патент Китая №203949853, опубл. 19.11.2014), в котором трансформаторное масло пропускают по каналу циркуляции через нагревательный блок, температуру нагрева в котором контролируют с помощью датчиков. При этом в данном устройстве определяют степень полимеризации изоляционной бумаги по содержанию в трансформаторном масле фурфурола, выделяющегося при нагревании из бумаги в процессе работы трансформатора.

Недостатками устройства являются конструктивная сложность и невозможность применения на трансформаторном оборудовании с термосифонными и адсорбционными фильтрами, так как фурановые соединения могут претерпевать различные изменения, обусловленные кислотными свойствами сорбентов этих фильтров. В таком случае достоверность оценки степени старения внутренней изоляции с помощью такого устройства будет весьма невысока.

Прототипом заявленного изобретения является способ оценки состояния бумажной изоляции маслонаполненных электрических аппаратов (патент №2647224, МПК G01N 30/02, опубл. 14.03.2018), включающий:

- выявление функции зависимости степени полимеризации бумажной изоляции от удельного объема метанола в трансформаторном масле;

- измерение концентрации метанола, растворенного в трансформаторном масле, включающее: отбор пробы трансформаторного масла в объеме не менее 100 мл;

- измерение и фиксирование температуры пробы трансформаторного масла; последующий нагрев пробы до температуры выше температуры кипения метанола; последующее извлечение метанола из пробы барботированием инертным газом со скоростью барботирования, достаточной для извлечения не менее 99,5% метанола за 2 часа; концентрирование метанола, содержащегося в пробе трансформаторного масла, в криоловушке, помещенной в жидкий азот;

- растворение осажденного на стенках криоловушки метанола в жидком растворителе; отбор микрошприцем раствора метанола в жидком растворителе; ввод раствора метанола в жидком растворителе в газохроматографическую систему; измерение концентрации метанола посредством газохроматографической системы, оснащенной капиллярными колонками и пламенно-ионизационным детектором, в течение времени, достаточного для прохода молекул метанола по газовому тракту газохроматографической системы до пламенно-ионизационного детектора.

Заявленное изобретение функционирует в соответствии с алгоритмом, описанным в прототипе, и усовершенствовано. Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение достоверности оценки степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора без вывода из эксплуатации силового маслонаполненного трансформатора.

Технический результат достигается тем, что используют определитель степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, содержащий: долговременную память, предназначенную для периодического, с фиксацией даты и/или времени измерения, сохранения очередных значений температуры, измеренных температурным датчиком, размещенным в трансформаторном масле силового маслонаполненного трансформатора; процессор, соединенный шиной двустороннего обмена данными с долговременной памятью и запрограммированный для нахождения степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора по количеству метанола, выделившегося при нагревании внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, растворившегося в трансформаторном масле и находящегося в пробе трансформаторного масла, с учетом температуры трансформаторного масла, измеренной за заданное время до отбора пробы для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки силового маслонаполненного трансформатора; средство ввода данных, подключенное к процессору и предназначенное для ввода конкретных параметров трансформаторного масла и внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора; блок сравнения и визуализации, к которому подключен измеритель концентрации метанола в трансформаторном масле, и который для сравнения найденной степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора с заданными пределами и для визуализации результата сравнения соединен с выходом процессора.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена схема заявленного изобретения.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1. Температурный датчик;

2. Долговременная память;

3. Процессор;

4. Средство ввода данных;

5. Блок сравнения и визуализации;

6. Измеритель концентрации метанола в трансформаторном масле.

Осуществление изобретения

Температурный датчик 1 размещен в трансформаторном масле силового маслонаполненного трансформатора, для которого определяется степень старения его внутренней изоляции.

Долговременная память 2 выполнена с возможностью периодического сохранения очередных значений температуры, измеренных датчиком 1, с фиксацией даты и/или времени измерения.

Процессор 3 соединен шиной двустороннего обмена данными с долговременной памятью 2 и запрограммирован на нахождение степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора по количеству метанола, выделившегося при нагревании бумаги внутренней изоляции, растворившегося в трансформаторном масле и находящегося в пробе трансформаторного масла, с учетом температуры трансформаторного масла, измеренной за заданное время до отбора пробы для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки силового маслонаполненного трансформатора.

Средство ввода данных 4 подключено к процессору 3 и предназначено для ввода конкретных параметров внутренней изоляции (трансформаторного масла и бумаги) исследуемого силового маслонаполненного трансформатора. В качестве средства ввода данных 4 может быть использована, например, клавиатура или сенсорный дисплей.

Блок сравнения и визуализации 5 соединен с выходом процессора 3 и предназначен для сравнения найденной степени полимеризации бумаги внутренней изоляции с заданными пределами и для визуализации результата сравнения.

Измеритель концентрации метанола в трансформаторном масле 6, соединенный с блоком ввода данных 4, может представлять собой хроматографический комплекс. Данные от измерителя концентрации метанола 6 вводятся в процессор 3 через средство ввода данных 4. В случае, когда средство ввода данных 4 представляет собой клавиатуру, данные с измерителя 6 вводятся оператором наравне с остальными данными. Ввод данных с измерителя 6 может осуществляться и через порт канала передачи данных (не показано на чертеже), который рассматривается как часть средства ввода данных 4.

Следует специально отметить, что температурный датчик 1 и измеритель 6 метанола не входят в состав определителя по данному изобретению, что условно показано пунктирными линиями, отходящими от соответствующих блоков.

Температурный датчик 1 установлен в баке силового маслонаполненного трансформатора, содержащем трансформаторное масло. Местоположение датчика 1 предпочтительно находится в средней или нижней части бака. Выполнение температурного датчика 1 может быть любым, обеспечивающим непрерывные или дискретные (с заданной частотой) измерения температуры трансформаторного масла.

Долговременная память 2 может иметь любую природу - например, в виде жесткого диска (HDD), либо на основе твердотельных накопительных элементов (SSD, Flash). Долговременная память может иметь собственную систему управления, которая обеспечивает периодическое считывание показаний температурного датчика 1 и их запись в память 2 с одновременной фиксацией даты измерения (или даты и времени). С другой стороны, управление долговременной памятью 2 может осуществляться и соответствующим образом запрограммированным процессором 3.

Процессор 3 может иметь любое выполнение, обеспечивающее описанные ниже функции. Процессор 3 запрограммирован для нахождения степени полимеризации бумаги внутренней изоляции трансформатора по количеству метанола, выделившегося при нагревании этой изоляции, растворившегося в трансформаторном масле и находящегося в пробе трансформаторного масла, с учетом температуры трансформаторного масла, измеренной за заданное время до отбора упомянутой пробы для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки этого трансформатора.

Нахождение степени полимеризации бумаги внутренней изоляции может выполняться в соответствии с алгоритмом, описанным в прототипе заявленного изобретения, при этом блок сравнения и визуализации 5 может быть выполнен в виде отдельного процессора или контроллера, запрограммированного для сравнения найденной степени полимеризации бумаги с заданными пределами. Для визуализации результата сравнения в блоке 5 установлен дисплей в виде экрана (например, жидкокристаллического), либо его функции могут выполнять несколько светодиодов, каждый из которых соответствует конкретным пределам. Функции сравнения, осуществляемые блоком 5, также может выполнять запрограммированный соответствующим образом процессор 3.

Описанный определитель степени старения бумажной изоляции силового маслонаполненного трансформатора работает следующим образом.

Температурный датчик 1, помещенный в трансформаторное масло исследуемого силового трансформатора, непрерывно измеряет температуру масла. Полученные данные с температурного датчика 1 поступают в долговременную память 2, которая с заданным периодом записывает данные и одновременно фиксирует дату измерения или дату и время измерения.

При проведении определения степени старения внутренней изоляции из бака исследуемого силового маслонаполненного трансформатора отбирают пробу трансформаторного масла и измеряют концентрацию С_м метанола в пробе, например, хроматографическим способом. Измеренное значение С_м вводят в процессор 3 с помощью средства ввода данных 4. С помощью средства ввода данных 4 в процессор 3 вводят параметры трансформаторного масла и бумаги внутренней изоляции из паспортных данных исследуемого силового маслонаполненного трансформатора.

Для расчетов используют усредненное значение температуры средних слоев трансформаторного масла, измеренное за сутки. Если температурный датчик 1 установлен (как правило в штатном исполнении) в верхней части бака силового маслонаполненного трансформатора, то вместо температуры средних слоев трансформаторного масла можно использовать среднее арифметическое температуры верхних слов масла и температуры окружающей среды, усредненное за сутки. Усреднение температуры за сутки позволяет сократить погрешность пересчета измеренной концентрации метанола в пробе масле, отобранной в конкретное время. Суточные колебания температуры могут составлять 20°С и более, при этом сорбированный бумажной изоляцией метанол не успевает мигрировать в масло при повышении температуры в дневные часы в том количестве, в котором он мигрирует при сезонном повышении температуры в летние месяцы при том же изменении температуры средних слоев трансформаторного масла. При обратном процессе аналогично: метанол, растворенный в масле, не успевает мигрировать в бумажную изоляцию при понижении температуры в ночные часы в том количестве, в котором он мигрирует при сезонном понижении температуры в зимние месяцы, при том же изменении температуры средних слоев масла в баке трансформатора. Количество мигрирующего метанола зависит как от перепада температуры, так и от соотношения массы бумаги внутренней изоляции к массе трансформаторного масла. При этом измеренное значение концентрации С_м метанола не может без преобразований использоваться для определения степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора.

Для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола во внутренней изоляции в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды значение температуры средних слоев масла в баке трансформатора для расчетов используют то, которое было измерено за заданное время t до отбора пробы масла. Для этого по команде от процессора 3 из долговременной памяти 2 считывается значение температуры, измеренной t дней назад. Величина t может варьироваться от 15 до 45 дней в зависимости от марки силового трансформатора и условий его эксплуатации.

Процессор 3 запрограммирован для выполнения следующего способа определения степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора.

По значению температуры (T_cp-t), измеренному за заданное время t до отбора пробы трансформаторного масла, вычисляют коэффициенты распределения метанола в системе «бумажная изоляция - трансформаторное масло» при разных температурах:

- K_м(T_cp-t) при температуре T_cp-t, измеренной t дней назад;

- K_м(T_max) при температуре T_max, при которой метанол перестает сорбироваться бумажной изоляцией, т.е. когда весь метанол перешел из бумажной изоляции в трансформаторное масло.

Эти вычисления проводят, например, в соответствии с формулой, заявленной в прототипе:

где Т_х - температура средних слоев масла, °С.

По полученным значениям этих коэффициентов вычисляют максимальное значение C_max концентрации метанола в трансформаторном масле, которое достигается при повышенной температуре T_max [Jalbert J., et al. Cellulose Chemical Markers in Transformer Oil Insulation. Part 1: Temperature Correction Factors // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation (2013) 20 №6. P. 2287-91]:

где b_м - коэффициент, равный отношению энергии активации абсорбции бумагой к универсальной газовой постоянной; для метанола коэффициент b_м=3720.

При этом принимается, что при температуре T_max остаточное количество метанола в бумаге внутренней изоляции С_б(T_max) мало по сравнению с его количеством в трансформаторном масле и им можно пренебречь. Температура T_max равна 90°С для спиртов и воды, растворенных в масле. Значение температуры получено опытным путем, то есть при температуре трансформаторного масла, превышающей 90°С, спирты (метанол и этанол) и вода при достижении равновесия полностью мигрируют из бумаги внутренней изоляции в масло. Оставшееся в бумаге внутренней изоляции количество этих веществ пренебрежимо мало.

Содержание метанола во внутренней изоляции (в масле и на бумаге) силового маслонаполненного трансформатора при температурах T_cp-t и T_max является одинаковым - система замкнута (происходит лишь перераспределение метанола между бумагой и маслом в соответствии с коэффициентом распределения), поэтому:

где V_м и V_б - объемы масла и бумаги в баке исследуемого трансформатора, соответственно;

C_б(T_cp-t) - концентрация метанола в бумаге внутренней изоляции при температуре T_cp-t.

Из последней формулы получается уравнение для вычисления массы бумаги во внутренней изоляции исследуемого трансформатора:

где ρ_б/ρ_тм - отношение плотностей материалов бумажной изоляции, как правило целлюлозных материалов, и трансформаторного масла;

М_тм - масса трансформаторного масла в баке исследуемого трансформатора.

Целлюлозные материалы, в большинстве своем, содержатся в витковой и барьерной изоляции, т.е. в кабельной бумаге и электрокартоне. Средняя плотность целлюлозных материалов зависит от отношения масс кабельной бумаги и электрокартона и отношения их плотностей. С учетом значений плотности трансформаторного масла марки ГК (≈895 кг/м³), электрокартона (≈1000 кг/м³) и кабельной бумаги марки К-120 (≈750 кг/м³) для отношения плотностей ρ_б/ρ_м можно принять значение 1,05.

Вычисляют максимальный объем метанола (в мкл), содержащегося во внутренней изоляции трансформатора, по формуле:

Затем вычисляют удельное количество метанола (в мкл/кг), сгенерированного той частью бумажной изоляции, которая нагревается до температуры деградации целлюлозы:

Предполагается, что бумага внутренней изоляции нагревается до температуры деградации целлюлозы в ≈10% по массе от всей массы целлюлозных материалов в силовом трансформаторе (в этой области бумаги генерируется метанол).

Степень DP полимеризации бумаги внутренней изоляции вычисляют по эмпирической зависимости:

где а и b - коэффициенты линейной аппроксимирующей функции зависимости степени полимеризации от удельного количества метанола.

Вычисленное процессором 3 значение степени DP полимеризации бумаги внутренней изоляции подается в блок сравнения и визуализации 5, где сравнивается с граничными значениями для каждого вида технического состояния бумаги внутренней изоляции.

Учитывая, что определяющей степень старения внутренней изоляции силовых трансформаторов является бумажная изоляция, то соответствующие степени DP полимеризации бумажной изоляции данные визуализируются блоком 5 сравнения и визуализации применительно к внутренней изоляции силового трансформатора.

Заявленное изобретение повышает достоверность оценки степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора с расширением арсенала технических средств, без вывода его из эксплуатации за счет того, что при расчетах используется значение температуры, измеренной за заданное время до отбора пробы трансформаторного масла, благодаря чему учитывается реальная инерционность процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки этого трансформатора.

Изобретение относится к области электроэнергетики в части реализации методов оценки технического состояния трансформаторного оборудования электрических станций и подстанций. Определитель степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, содержащий: долговременную память, предназначенную для периодического, с фиксацией даты и/или времени измерения, сохранения очередных значений температуры, измеренных температурным датчиком, размещенным в трансформаторном масле силового маслонаполненного трансформатора; процессор, соединенный шиной двустороннего обмена данными с долговременной памятью и запрограммированный для нахождения степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора по количеству метанола, выделившегося при нагревании внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, растворившегося в трансформаторном масле и находящегося в пробе трансформаторного масла, с учетом температуры трансформаторного масла, измеренной за заданное время до отбора пробы для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки силового маслонаполненного трансформатора; средство ввода данных, подключенное к процессору и предназначенное для ввода конкретных параметров трансформаторного масла и внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора; блок сравнения и визуализации, к которому подключен измеритель концентрации метанола в трансформаторном масле, и который для сравнения найденной степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора с заданными пределами и для визуализации результата сравнения соединен с выходом процессора. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение достоверности оценки степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора с расширением арсенала технических средств без вывода из эксплуатации силового маслонаполненного трансформатора. 1 ил.

Определитель степени старения внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, содержащий: долговременную память, предназначенную для периодического, с фиксацией даты и/или времени измерения, сохранения очередных значений температуры, измеренных температурным датчиком, размещенным в трансформаторном масле силового маслонаполненного трансформатора; процессор, соединенный шиной двустороннего обмена данными с долговременной памятью и запрограммированный для нахождения степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора по количеству метанола, выделившегося при нагревании внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора, растворившегося в трансформаторном масле и находящегося в пробе трансформаторного масла, с учетом температуры трансформаторного масла, измеренной за заданное время до отбора пробы для учета инерционности процессов сорбции-десорбции метанола в баке силового маслонаполненного трансформатора под влиянием сезонного изменения температуры окружающей среды и токовой нагрузки силового маслонаполненного трансформатора; средство ввода данных, подключенное к процессору и предназначенное для ввода конкретных параметров трансформаторного масла и внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора; блок сравнения и визуализации, к которому подключен измеритель концентрации метанола в трансформаторном масле, и который для сравнения найденной степени полимеризации бумаги внутренней изоляции силового маслонаполненного трансформатора с заданными пределами и для визуализации результата сравнения соединен с выходом процессора.