Устройство бесконтактного контроля состояния обмоток однофазных трансформаторов стержневого типа Советский патент 1992 года по МПК G01R31/02 

демонтаж магнитной системы трансформатора для выполнения операций контроля, что в условиях эксплуатации крайне затруднительно.

Ближайшим по технической сущности аналогом, выбранным за прототип, является устройство, обеспечивающее оперативный контроль за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов без отключения их от сети 2.

Цель в устройстве, выбранном за прототип, достигается тем, что определяют фак- тическое значение сопротивления короткого замыкания внутренних обмоток силового трансформатора, сравнивают это значение с эталонным, по превышении определяемой величины над эталонной судят о степени деформации контролируемой обмотки, измеряют векторы напряжений первичной и вторичной внутренних обмоток трансформатора, определяют разность нормированных векторов напряжений этих обмоток, измеряют величину тока вторичной обмотки силового трансформатора, определяют отношение разности нормированных векторов напряжений первичной и вторичной обмоток к величине этого тока, измеряют частоту напряжения силового трансформатора, находят отношение измеренного значения частоты к эталонному и определяют величину сопротивления короткого замыкания как произведение отношений разности векторов напряжений обмоток к величине тока и измеренной частоты к эталонной. Описанное устройство предполагает подключение измерительной схемы в сетевые цепи с дальнейшим расчетом измеренных параметров оператором.

Устройство, выбранное за прототип, обладает рядом недостатков. Устройство не обеспечивает должной оперативности контроля и возможности автоматизации операций контроля, так как вывод о наличии повреждения оператор делает на основании расчетов, требующих определенных временных затрат. Устройство нэ обеспечивает необходимой безопасности обслуживающего персонала от поражения электрическим током в процессе производства измерений и технического обслужива- ния. Возникновение межвитковых Замыканий в измерительных трансформаторах тока и напряжения, для ремонта которых необходимо обесточить силовую энергосеть, а следовательно, осуществить перерыв в электроснабжении потребителей, снижает надежность электроснабжения. Устройство не обеспечивает получения формализованной информации о режиме работы трансформатора.

Целью изобретения является повышение по сравнению с прототипом оперативности контроля состояния обмоток однофазных трансформаторов стержневого

типа, достигаемое исключением необходимости производства дополнительных расчетов параметров, повышение электробезопасности операций контроля состояния обмоток, достигаемое гальванической

развязкой объекта и схемы контроля, повышение надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, достигаемое исключением необходимости прекращать электроснабжение потребителей для проведения операций контроля; расширение функциональных возможностей схемы контроля, состоящее в простоте автоматизации процесса контроля.

Цель достигается тем, что напротив заранее определенной (например, с помощью геометрического расчета и (или) построения) и маркированной середины обмотки однофазного трансформатора стержневого типа устанавливается {например, с помощью кронштейна или штатива) датчик магнитного поля так, что его ось чувствительности размещается параллельно плоскости сердечника трансформатора, а проекция оси чувствительности составляет

с осью обмотки трансформатора угол 90± 30°, выход датчика подключен к. блоку выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток. В состав устройства входят также блок

усилителей-преобразователей, блок детекторов, блок пороговых усилителей и блок отображения информации, причем входы блока усилителей-преобразователей подключены к выходам блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, а его выходы соединены с входами блока детекторов, выходы которого подключены к входам блока пороговых усилителей, соединенных с блоком отображения информации.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - векторные диаграммы, соответствующие различным режимам работы трансформатора; на фиг. 3

представлена функциональная схема блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток; на фиг, 4 поясняется принцип регистрации напряжения на первичной и тока во вторичной

обмотках трансформатора; на фиг, 5 представлены диаграммы, поясняющие работу блока выделения составляющих токов и напряжений.

Устройство содержит (фиг. 1) контролируемый однофазный трансформатор 1, датчик 2 магнитного поля рассеяния, подключенный к блоку 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, а также блок 4 усилителей-преобразователей, блок 5 детекторов, блок 6 по- роговых усилителей, блок 7 отображения информации. Входы блока 4 усилителей- преобразователей подключены к выходам блока 3 выделения составляющих токов и напряжения, а выходы блока 4 соединены соответственно с входами блока 5 детекторов, выходы которого подключены к входам блока 6 пороговых усилителей, соединенного с блоком 7 отображения информации.

В качестве датчика 2 магнитного поля рассеяния может быть использован либо индукционный измерительный преобразователь с интегратором (Известия ВУЗов. Электромеханика,№ 3, 1959, с. 124-128), либо магнетронный датчик магнитного поля (а. с. СССР № 1367711, 1987). Крепление и установка датчика осуществляется оператором любым механическим или иным способом - в качестве возможной реализации устройства крепления можно рассмотреть штатив или кронштейн. Калибровка устройства осуществляется в процессе его установки при первоначальном условии номинальности режима работы трансформатора - область устойчивой работы устрой- ства определяется мощностью источника излучения (т. е. силой тока, имеющего место в обмотках трансформатора) и чувствительностью используемого типа датчиков.

Блок 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток (фиг. 3) содержит измеритель 3.1 мгновенного значения магнитного поля, выход которого подключен к входу управляемого ключа 3.2, управляющий вход которого под- ключей к выходу генератора 3.3 строб-импульсов. К выходам управляемого ключа 3.2 подключены устройство 3.4, регистрирующее напряжение на первичной обмотке, и устройство 3.5 регистрирующее ток нагруз- ки во вторичной обмотке трансформатора. К выходу устройства 3.4 подключено устройство 3.6 получения значения тока первичной обмотки трансформатора.

Принцип действия блока 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток состоит в следующем.

Благодаря тому, что сердечник трансформатора является нелинейным элемен- том. поток магнитного поля рассеяния при наличии на первичной обмотке синусоидального напряжения является несинусоидальным (фиг. 4а). В процессе экспериментального исследования было установлено, что любое

изменение режима работы однофазного трансформатора приводит к изменению магнитного поля рассеяния. При этом обнаружилось, что наиболее четкое разграничение влияния изменения режима работы по входной и выходной обмоткам наблюдается в том случае, когда ось измерения датчика магнитного поля параллельна плоскости сердечника трансформатора, составляет угол 90+ 30° С осью его катушки. Кривая на фиг. 46 соответствует магнитному полю рассеяния при увеличении напряжения на первичной обмотке, при неизменном сопротивлении нагрузки (для сравнения пунктиром показана исходная кривая).

Кривая на фиг. 4в соответствует увеличению тока нагрузки при неизменном напряжении на первичной обмотке.

Выявленное разграничение влияния режима работы трансформатора на форму магнитного поля рассеяния, связанное с нелинейными свойствами сердечника, позволяет реализовать информационное разделение содержания сигнала магнитного поля рассеяния, тем более что положение точек А и В на кривых (фиг. 4в) не зависит от режима работы трансформатора и может быть охарактеризовано, например, временами ТА и гв , отсчитываемыми от начала периода напряжения на первичной обмотке.

Сигнал с датчика магнитного поля рассеяния поступает на измеритель 3.1 мгновенного значения магнитного поля рассеяния, образующий совместно с управляемым ключом 3.2 и генератором 3.3 строб- импульсов синхронный детектор с временной селекцией (фиг. 3), который измеряет мгновенные значения магнитного поля в моменты времени ГА и гв . Величина мгновенного значения индукции поля в момент времени умноженная на соответствующий масштабный коэффициент, регистрируется устройством 3.4 и соответствует напряжению на первичной обмотке; величина мгновенного значения индукции поля в момент времени гв , умноженная на соответствующий масштабный коэффициент, регистрируется устройством 3.5 и соответствует току во вторичной обмотке. Функция получения значения тока первичной обмотки реализуется в устройстве 3.6 путем умножения измеренного значения напряжения первичной обмотки на масштабный коэффициент, обратно пропорциональный сопротивлению первичной обмотки.

Диаграммы, поясняющие работу устройства, представлены на фиг. 5. На фиг. 5а

изображена форма магнитного поля при номинальном режиме работы (сплошная линия) и при перегрузке (пунктир). На фиг. 56 - сформированные строб-импульсы, которые представляют собой сдвоенные импульсы периодичностью 2л/ы где (О - частота напряжения сети. Сдвиг между импульсами A t определяется конструкцией трансформатора. На фиг. 5в изображены импульсы, характеризующие напряжения на первичной обмотке, а на фиг. 5г и 5д - импульсы, характеризующие ток нагрузки в норме и при перегрузке соответственно. Длительность выходных импульсов задается блоком 2.

Техническая реализация устройств, входящих в состав блока 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, блока 4 усилителей- преобразователей, блока 5 детекторов, блока б пороговых усилителей представляет собой инженерную задачу, которая может быть решена на базе типовых схем, приведенных в сборнике: Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1985 - разнообразные конструкции вышеназванных устройств представлены в главах 4 (например, рис. 4,37-4.41,4.48,4.49) ,8 (например, рис. 8.2, 8.6, 8.11) и 13 (например, рис. 13.24, 13.25) соответственно.

Блок 7 отображения информации может иметь различную конструкцию в зависимости от требований потребителя. Типовые конструкции блоков отображения можно найти в книге Справочник по средствам автоматики./Под ред. В.Э. И.В. Антика. М,: Энергоиздат, 1983, разделы 14 и 15.

Принцип обнаружения короткозамкну- тых витков в обмотках однофазных трансформаторов заключается в следующем. Как известно из теории электрических машин, для трансформаторов выполняется равенство магнитодвижущих сил в его обмотках Нам + г а)2 + IOGM 0 .(1)

Для силовых трансформаторов ток холостого хода составляет 1-2% от номинального, поэтому в дальнейшем слагаемым lo в уравнении (1) пренебрегаем. При данном допущении уравнению (1} соответствует векторная диаграмма на фиг, 2а.

В случае возникновения одного или группы короткозамкнутых витковй)кз возни- крет дополнительная магнитодвижущая сила 1кзЈ0кз, изменяющая величину тока первичной обмотки и режим работы трансформатора. В случае появления коротко- замкнутых витков в первичной обмотке (фиг.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

26) изменяется величина модуля Иол, а уравнение (1) имеет вид

I Гол + 2 Ш 2 + кзШ кз 0.

Аналогично описывается работа трансформатора при появлении короткозамкнутых витков во вторичной обмотке; векторная диаграмма для данного случая представлена на фиг. 2в.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Магнитное поле рассеяния, измеряемое датчиком 2 магнитного поля рассеяния, является результатом пространственной суперпозиции магнитных полей, образованных токами, протекающими в обмотках однофазного трансформатора. Сигнал, пропорциональный модулю В (т) в проекции на ось чувствительности датчика магнитного поля рассеяния, поступает с выхода датчика на вход блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток. После преобразования сигналы, пропорциональные И, г и Ui, поступают в блок усилителей-преобразователей, где происходит фильтрация высокочастотных составляющих сигналов и умножение 11 и 12 на масштабные коэффициенты и (Oi соответственно, которыми являются числа витков первичной и вторичной обмоток. Затем сигналы по соответствующим каналам поступают на вход блока 5 детекторов, где периодические сигналы ал И и ufctec кладываются на компараторе,

2

с выхода которого снимается сигнал Jtwili ,

с-1

, равный е . Сигналы с выхода блока 5 поступают на входы блока 6 пороговых усилителей, выполняющего функции логического коммутатора, возбуждающего на его выходе высокий потенциал при появлении отклонения одного из контролируемых параметров.

Таким образом, в соответствии со сформулированным выше принципом обнаружения короткозамкнутых витков в обмотках однофазного трансформатора в блоке 5 детекторов происходит суммирование электрических сигналов, пропорциональных И йл и 0)2, после чего в блоке пороговых усилителей проверяется условие отклонения суммарного сигнала от допустимого, т. е. наличие дополнительных магнитодвижущих сил в обмотках силового трансформатора. Увеличение суммарного сигнала больше Емакс однозначно означает наличие межвитковых замыканий.

Логическая обработка сигналов, поступающих с блока детекторов, производится

блоком пороговых усилителей в соответствии с табл. 1 и 2, где БПУ - блок пороговых усилителей, БОИ - блок отображения информации.

Появление высокого потенциала на выходе блока 6 пороговых усилителей приводит к срабатыванию по одному из входов либо по нескольким одновременно блока 7 отображение информации.

Изобретение позволяет существенно повысить электробезопасность работ при обслуживании и эксплуатации силовых высоковольтных сетей электроснабжения, содержащих трансформаторы, повышает надежность их эксплуатации, так как схема контроля не связана гальванически с обмотками высокого и низкого напряжения трансформатора, что исключает возможность пробоя схемы контроля и шунтирования трансформатора и повышает безопасность обслуживающего персонала; увеличить время на принятие решения или логическую обработку информации микропроцессорной системой, включенной в контур управления и регулирования, при этом схема контроля обладает оптимальными параметрами для согласования; повысить надежность и бесперебойность электроснабжения потребителей, так как отсутствует необходимость прекращать электроснабжение потребителей для проведения операций контроля.

Формула изобретения

Устройство бесконтактного контроля состояния обмоток однофазных трансформаторов стержневого типа, содержащее схему контроля и отображающее устройство, отличающееся тем, что, с целью д повышения оперативности контроля, электробезопасности операций контроля, расширения технологических возможностей, в устройство введены укрепленный напротив предварительно маркированной середины обмотки контролируемого трансформатора

датчик магнитного поля рассеяния, ось чувствительности которого размещается параллельно плоскости сердечника трансформатора, а ее проекция составляет с осью обмотки трансформатора угол

(90+ 30)°, блок выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, блок усилителей-преобразователей, блок детекторов, блок пороговых усилителей и блок отображения

информации, при этом выход датчика магнитного поля подключен к входу блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, выходы которого подключены к соответствующим входам блока усилителей-преобразователей, выходы блока усилителей-преобразователей подключены к соответствующим входам блока детекторов, выходы которого подключены к соответствующим входам блока пороговых усилителей, выходы которого соединены с соответствующими входами блока отображения информации.

35

Таблица 1

Таблица2

V

к/

М- vhr

iV

1

I I ./ I

О J

N:

/bVtffoihfaftfab/xjg

)

В

фиг.З

.-t

сриг.4