Способ мониторинга технического состояния трехфазного силового трансформатора Российский патент 2024 года по МПК G01R31/00 

Область техники:

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено на электрических станциях и подстанциях для мониторинга технического состояния силового трансформатора в рабочем режиме.

Уровень техники

Контроль технического состояния силовых трансформаторов согласно действующим стандартам проводится без подключения к сети следующим образом. При вводе силовых трансформаторов в эксплуатацию и при осуществлении периодического контроля проводят опыты холостого хода и короткого замыкания по методам испытаний, установленным нормативным документом [ГОСТ 3484.1-88 Трансформаторы силовые. Методы электромагнитных испытаний]. В ходе испытаний определяют коэффициент трансформации к _г, напряжение короткого замыкания и k_т, потери короткого u_K замыкания P_K, потери холостого хода Р_К, ток холостого хода I_K., значения

которых заносят в протокол испытаний. Используя эти параметры в качестве диагностических, оценивают техническое состояние силового трансформатора исходя из предельно допустимых отклонений, указанных в нормативном документе [ГОСТ Р 52719-2007. Трансформаторы силовые. Общие технические условия]. Кроме того, по значениям указанных параметров могут быть вычислены сопротивления схемы замещения трансформатора, по изменениям которых в процессе эксплуатации трансформатора также может быть выполнена оценка его технического состояния [Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 145-156].

Известен также упрощенный способ определения сопротивлений схемы замещения трансформатора, согласно которому эти сопротивления определяются по результатам опыта холостого хода без проведения опыта короткого замыкания [RU 2231799].

Главным недостатком способов оценки технического состояния силового трансформатора путем сравнения результатов, периодически получаемых при проведении вышеуказанных испытаний, является необходимость вывода эксплуатируемого трансформатора из работы для проведения испытаний и, следовательно, неприменимость этих способов для оценки технического состояния трансформатора в непрерывном рабочем режиме эксплуатации.

Известны способы, позволяющие оценивать техническое состояние силового трансформатора путем расчета параметров Г-образной или Т-образной схемы замещения трансформатора по мгновенным значениям напряжения и тока его обмоток, измеренным в рабочем режиме эксплуатации [патенты RU 2237254, RU 2353940, RU 2446406, RU 2752825]. Недостаток всех этих аналогов - пониженная достоверность оценки технического состояния силового трансформатора, обусловленная неопределенностью методических погрешностей используемых диагностических параметров - сопротивлений схемы замещения. Кроме того, аналоги [RU 2353940 и RU 2752825] не предусматривают устранения погрешностей от высших гармоник и/или от несимметрии фазных токов и напряжений, а аналоги [RU 2237254 и RU 2446406] требуют измерений в двух-трех различных (рабочих и/или аварийных) режимах нагрузки и поэтому имеют такой недостаток, как случайность возникновения рабочих и, особенно, аварийных режимов нагрузки, необходимых для осуществления способа, зависимость результатов диагностики от характера этих режимов и, следовательно, невозможность получения корректных оценок диагностических параметров и, соответственно, технического состояния работающего трансформатора с необходимой периодичностью и заданной погрешностью.

В качестве прототипа выбран способ диагностики силовых трансформаторов [RU 2446406, МПК G01R 31/02, опуб. 03.27.03.2012], который имеет наибольшее число общих признаков с заявляемым.

Способ-прототип заключается в том, что синхронно измеряют мгновенные значения токов и напряжений обмоток контролируемого трансформатора, по результатам измерений вычисляют синхронизированные векторные значения токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты, по полученным векторным значениям рассчитывают диагностический параметр и по его отклонению от эталонного значения оценивают техническое состояние трансформатора.

Диагностическим параметром по способу-прототипу служат активные и индуктивные сопротивления обмоток, определяемые по результатам расчета параметров схемы замещения контролируемого трансформатора.

Способ-прототип определяет диагностический параметр с улучшенной (по отношению к другим вышеприведенным патентным аналогам) точностью, поскольку измерения (в каждом из трех используемых прототипом нагрузочных режимов) производятся синхронно и приняты меры для исключения погрешностей, обусловленных наличием высших гармоник и несимметрией трехфазной нагрузки трансформатора.

Недостаток прототипа, на устранение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в неопределенности пределов суммарной погрешности как самого диагностического параметра, вычисляемого на основе измерений, так и его эталонного значения. Кроме того, недостатком прототипа, обусловленным необходимостью проведения измерений в трех различных режимах, является невозможность получения корректных оценок технического состояния работающего трансформатора с необходимой периодичностью и заданной погрешностью. Эти недостатки не позволяют достоверно и своевременно оценивать техническое состояние трансформатора и принимать корректно обоснованное решение о выводе его из работы или о продолжении эксплуатации до плановой профилактики.

Сущность изобретения

По заявляемому способу, как и по способу-прототипу, синхронно измеряют мгновенные значения токов и напряжений обмоток контролируемого трансформатора, по результатам измерений вычисляют синхронизированные векторные значения токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты, по полученным векторным значениям рассчитывают диагностический параметр и по его отклонению от эталонного значения оценивают техническое состояние трансформатора.

Технический результат заявляемого изобретения - повышенная достоверность оценки технического состояния трансформатора и возможность оперативного получения такой оценки по измерениям, выполняемым в текущем рабочем режиме.

Этот результат достигнут, благодаря тому, что в качестве диагностического параметра используют текущие потери мощности, рассчитанные по вышеуказанным синхронизированным векторным значениям токов и напряжений, а в качестве эталонного значения - потери мощности в трансформаторе, рассчитанные для тех же векторных значений токов и напряжений, но на основе параметров схемы замещения трансформатора, ранее определенных по данным опытов холостого хода и короткого замыкания (т.е. экспериментально).

Изобретение имеет развитие, состоящее в том, что синхронные измерения мгновенных значений и вычисления токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты выполняют с помощью устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ), подключенных к выходам измерительных трансформаторов тока и напряжения.

Использование УСВИ позволяет передавать и хранить результаты измерений в компактной векторной форме, а также оценивать корректность мониторинга силового трансформатора, исходя из гарантированных предельных погрешностей метрологически аттестованных средств измерения, в число которых входят не только измерительные трансформаторы тока и напряжения, но и используемые УСВИ.

Кроме того, изобретение имеет развития, состоящие в том, что в качестве меры отклонения диагностического параметра от его эталонного значения используют относительное значение потерь полной или активной мощности, а также в том, что указанную меру отклонения сопоставляют с нормативным относительным значением предельно-допустимых потерь мощности в силовом трансформаторе.

Осуществление изобретения с учетом его развитий

На фиг. 1 представлена схема осуществления заявляемого способа на примере контроля технического состояния двухобмоточного трехфазного силового трансформатора.

На фиг. 2 изображена Т-образная схема замещения трансформатора, на основе параметров которой производится расчет эталонного значения потерь мощности в трансформаторе.

На фиг. 1 показаны: измерительные трансформаторы 1 и 2 напряжения, измерительные трансформаторы 3 и 4 тока, имеющие необходимые классы точности, шины 5 и 6 первичного и вторичного напряжений соответственно, к которым подключены соответствующие обмотки контролируемого силового трансформатора 7. Выходы вышеуказанных измерительных трансформаторов 1-4 через каналы связи подключены к входам устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ) 8 и 9.

В качестве УСВИ 8 и 9 могут быть использованы, например, устройства ЭНИП-2-УСВИ, аттестованные в качестве средств измерения и имеющие не только функцию синхронных цифровых измерений мгновенных значений трех токов и трех напряжений, но и функцию вычисления по результатам этих измерений синхронизированных векторов тока и напряжения промышленной частоты на основе методов цифровой фильтрации [https://enip2.ru/production/metering/enip-2_pmu/]. Помимо УСВИ 8 и 9 измерительно-вычислительный комплекс, осуществляющий заявляемый способ, содержит блок 10 синхронизации, получающий сигналы точного времени, например, через антенну для приема сигналов от спутниковой навигационной системы, блок 11 сбора сигналов и блок 12 обработки данных, снабженный портом 13 для передачи данных на верхний уровень управления.

Способ может быть осуществлен следующим образом.

УСВИ 8 и 9, получая метки точного времени от блока 10, синхронно измеряют (оцифровывают) с заданной точностью мгновенные значения токов и напряжений на выходах измерительных трансформаторов 1-4.

По результатам синхронных измерений для каждой трехфазной обмотки силового трансформатора 7 УСВИ 8 и 9 рассчитывают три синхронизированных вектора напряжений и три синхронизированных вектора тока промышленной частоты (здесь индекс i обозначает номер трехфазной обмотки, а индекс j-фазу).

По векторам трех фазных значений для каждой трехфазной обмотки УСВИ 8 и 9 определяют текущие значения векторов напряжения и тока прямой последовательности , по формулам:

где - комплексный оператор.

Использование векторов прямой последовательности - симметричной составляющей трехфазной системы позволяет исключить погрешности от несимметрии нагрузки трансформатора 7.

По векторам определяют текущие комплексные значения мощности для каждой z-ой трехфазной обмотки трансформатора 7

где - комплексно-сопряженное значение тока i-ой обмотки трансформатора 7.

По мощностям определяют диагностический параметр .

комплексное значение текущих потерь мощности в трансформаторе 7, вычисляемое как разность между мощностью , поступающей на выводы входной обмотки (i=1), и суммарной мощностью, отдаваемой выходными обмотками:

где n - общее количество трехфазных обмоток трансформатора.

Диагностический параметр рассчитанный по (4), сравнивают с эталонным значением текущих потерь мощности которое также рассчитывают по векторам но используя исходные параметры Т-образной схемы замещения неповрежденного трансформатора 7.

Исходные параметры Т-образной схемы замещения (сопротивления продольных ветвей R₁, R₂, Х₁, Х₂ и сопротивления поперечной ветви R₀, Х₀ на фиг. 2) могут быть заранее рассчитаны по данным опытов холостого хода и короткого замыкания, полученным при последних испытаниях неповрежденного трансформатора 7 с отключением от сети. Такой расчет может быть выполнен, например, на основе известной методики [Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Высшая школа, 2004, стр. 145-156].

Эталонные комплексные значения текущих потерь мощности в обмотках (продольные ветви Т-образной схемы) и в сердечнике (поперечная ветвь Т-образной схемы) трансформатора 7 рассчитывают, по формулам (5), (6), (7) и (8), используя исходные значения комплексных сопротивлений ветвей схемы замещения и вычисленные по формулам (1) и (2) векторы прямой последовательности :

где I_i - модуль вектора а I₀ - модуль вектора i₀.

Эталонное комплексное значение суммарных (электрических и магнитных) потерь мощности в текущем рабочем режиме составит:

Оценку технического состояния силового трансформатора производят по отклонению диагностического параметра от его эталонного значения В качестве меры такого отклонения может быть использовано, например, относительное отклонение текущих потерь мощности от эталонных потерь мощности

Кроме того, из отклонения Е может быть выделена другая мера отклонения Е_а, которая характеризует относительное отклонение текущих потерь активной мощности ΔР_д от эталонных потерь активной мощности ΔР_э:

где

Повреждение в обмотке силового трансформатора изменяет фактические значения сопротивлений продольной ветви K_1, R₂, Х_х, Х₂, а повреждения в магнитопроводе - фактические значения сопротивлений поперечной ветви R_Q, X_Q схемы замещения контролируемого трансформатора и, как следствие, изменяют значения векторов При этом соответственно изменяются вычисляемые по формулам (4) и (9) величины и Однако на величине непосредственно не сказываются изменения параметров схемы замещения трансформатора, обусловленные его повреждением, поскольку для вычисления используются, как сказано выше, исходные значения этих параметров.

При повреждении трансформатора 7 величины Е и Е_а возрастают.

При превышении значениями Е и/или Е_а допустимых пределов делается вывод о нарушении нормальной работы силового трансформатора, и принимается решение о его внеплановой проверке для выявления и последующего устранения внутреннего дефекта. После восстановления рабочего состояния силового трансформатора, подтвержденного повторными испытаниями, уточняются параметры Т-образной схемы замещения трансформатора. Уточненные параметры используют при последующем определении эталонных потерь мощности.

Для задания вышеуказанных допустимых пределов могут быть использованы нормативно установленные (ГОСТ Р 52719-2007) относительные предельные отклонения потерь мощности в силовых трансформаторах.

Согласно ГОСТ Р 52719-2007 (таблица 2) для всех силовых трансформаторов предельно-допустимое отклонение измеряемых потерь активной мощности на основном ответвлении трансформаторов составляет ±10% от их нормированного значения. Кроме того, в качестве примера предположим, что сумма предельно-допускаемых погрешностей используемых измерительных трансформаторов тока и напряжения вместе с погрешностью преобразования и цифровой обработки в УСВИ составляет ±5%. Тогда предельно допустимое значение Е_а, при превышении которого следует сигнализировать о возникновении дефекта в контролируемом трансформаторе, составит 15%.

Повышение достоверности мониторинга является следствием того, что заявляемый способ (в отличие от прототипа и аналогов) позволяет, как это показано ниже, корректно оценивать предельную погрешность получаемого значения диагностического параметра.

Обозначим для i-ой обмотки силового трансформатора суммарную относительную погрешность измерения тока прямой последовательности как δI_i, а суммарную относительную погрешность измерения напряжения прямой последовательности как δU_i. Тогда абсолютная погрешность измерения мощности на выводах i-ой обмотки , где:

поскольку относительные погрешности токов и напряжений, перемножаемых по формуле (2), складываются.

Суммарная абсолютная погрешность определения Δ [ΔS] - мощности, теряемой в трансформаторе 7, не превысит:

где Δ [S_i] - абсолютная погрешность определения мощности i-той обмотки трансформатора 7.

Таким образом, при мониторинге по заявляемому способу истинное значение диагностического параметра с учетом максимально возможных пределов погрешности не выйдет за пределы:

Кроме того, из изложенного следует, что суммарная предельная погрешность диагностического параметра определяется относительными погрешностями измерительных трансформаторов 1-4 и погрешностями преобразований и вычислений, выполняемых в устройствах УСВИ 8, 9. Эти погрешности гарантируются для аттестованных средств измерений (включая УСВИ) в соответствии с их классом точности, который может быть выбран, исходя из общих требований к точности измерительно-вычислительного комплекса, осуществляющего заявляемый способ. Метрологическая корректность определения предельной погрешности диагностического параметра обеспечивает повышенную достоверность мониторинга по сравнению с аналогами, использующими в качестве диагностических параметры схемы замещения, рассчитываемые по токам и напряжениям рабочего режима.

Таким образом, предложенный способ мониторинга обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно повышенную достоверность оценки технического состояния трансформатора и возможность оперативного получения такой оценки по измерениям, выполняемым в текущем рабочем режиме, благодаря тому, что в качестве диагностического параметра используют текущие потери мощности, рассчитанные по векторным значениям измеренных токов и напряжений, а в качестве эталонного значения - потери мощности, рассчитанные по параметрам схемы замещения трансформатора для тех же векторных значений токов и напряжений.

Изобретение относится к метрологии. Способ мониторинга технического состояния трехфазного силового трансформатора, заключающийся в том, что синхронно измеряют мгновенные значения токов и напряжений обмоток контролируемого трансформатора, по результатам измерений вычисляют синхронизированные векторные значения токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты, по полученным векторным значениям рассчитывают диагностический параметр и по его отклонению от эталонного значения оценивают техническое состояние трансформатора. В качестве диагностического параметра и его эталонного значения используют потери мощности в трансформаторе, при этом эталонное значение рассчитывают для указанных векторных значений токов и напряжений на основе параметров схемы замещения трансформатора, ранее определенных по данным опытов холостого хода и короткого замыкания. Технический результат - повышение точности оценки технического состояния трансформатора и возможность оперативного получения такой оценки по измерениям, выполняемым в текущем рабочем режиме. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ мониторинга технического состояния трехфазного силового трансформатора, заключающийся в том, что синхронно измеряют мгновенные значения токов и напряжений обмоток контролируемого трансформатора, по результатам измерений вычисляют синхронизированные векторные значения токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты, по полученным векторным значениям рассчитывают диагностический параметр и по его отклонению от эталонного значения оценивают техническое состояние трансформатора, отличающийся тем, что в качестве диагностического параметра и его эталонного значения используют потери мощности в трансформаторе, при этом эталонное значение рассчитывают для указанных векторных значений токов и напряжений на основе параметров схемы замещения трансформатора, ранее определенных по данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что синхронные измерения мгновенных значений и вычисления указанных векторных значений токов и напряжений прямой последовательности промышленной частоты выполняют с помощью устройств синхронизированных векторных измерений, подключенных к выходам измерительных трансформаторов тока и напряжения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве меры отклонения диагностического параметра от его эталонного значения используют относительное значение потерь полной мощности.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве меры отклонения диагностического параметра от его эталонного значения используют относительное значение потерь активной мощности.

5. Способ по п. 3 или 4, отличающийся тем, что меру отклонения сопоставляют с нормативным относительным значением предельно-допустимых потерь мощности в силовом трансформаторе.