Трансформаторное оборудование

Неотъемлемой частью схем электроснабжения электрических сетей являются силовые трансформаторы. Выход из строя этого элемента схемы наносит значительный ущерб, приводя к перерывам в электроснабжении потребителей электроэнергии. Поэтому целесообразно уделить большее внимание предупреждению этих аварийных ситуаций.
Наши московские авторы считают, что можно разработать устройство, которое будет контролировать состояние обмоток трансформаторов путем измерения их индуктивного сопротивления.

Александр Хренников, д.т.н., профессор кафедры ИИТ, НИУ МЭИ	Андрей Нестеренко, магистрант НИУ МЭИ
г. Москва

ДИАГНОСТИКА СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Оценка состояния обмоток по значению сопротивления КЗ

По мере развития методов обнаружения повреждений и дефектов большое распространение получают методы непрерывного контроля параметров силовых трансформаторов (СТ) под рабочим напряжением. К ним можно отнести контроль величины tgδ изоляции вводов СТ, измерение уровня вибрации с целью оценки состояния запрессовки обмоток, состояния магнитопровода, системы охлаждения и т.д., хроматографический анализ газов, растворенных в трансформаторном масле (ХАРГ), мониторинг уровня частичных разрядов (ЧР) в изоляции обмоток СТ, различные автоматизированные системы диагностики СТ под рабочим напряжением и другие методы.

Тем не менее перечисленные методы оказываются не совсем эффективными в случае возникновения остаточных деформаций обмоток СТ при коротких замыканиях (КЗ), которые происходят практически мгновенно, не оставляют времени на анализ результатов диагностических измерений и требуют как можно более быстрого отключения с целью предотвращения или уменьшения масштабов будущего ремонта.

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

В данном материале мы рассмотрим информационно-измерительную систему (ИИС), обеспечивающую непрерывный контроль за состоянием обмоток СТ по величине параметра сопротивления КЗ (или индуктивности L, так как это взаимосвязанные параметры) как наиболее чувствительного к появлению деформаций обмоток в результате КЗ [1–3].

Ранее в [3–5] была рассмотрена система защиты и мониторинга механического состояния обмоток СТ и реакторов. Можно пойти дальше и создать устройство для оперативного контроля за состоянием обмоток мощных СТ в ходе опытов КЗ и в процессе эксплуатации без отключения от сети. Его необходимо использовать в cвязке с быстродействующими защитами (БЗ) от режимов, возникающих в результате появления остаточных деформаций и повреждений в обмотках силовых трансформаторов вследствие КЗ, на основе изменения параметров обмоток от электродинамических усилий в них. ИИС (далее – устройство) фиксирует отклонение значения этого параметра от заранее заданного номинального значения (алгоритм работы устройства показан на рис. 1).

Рис. 1. Алгоритм работы устройства

Устройство не требует отключения трансформатора от сети и обеспечивает контроль в режиме реального времени. Его следует использовать в связке с быстродействующей системой отключения трансформаторов. Вся система защиты (блоки вычисления, сравнения и отключения) должна обладать достаточным быстродействием для своевременного отключения трансформатора в случае возникновения аварийных и ненормированных режимов работы. Максимальное время срабатывания защиты от начала оцифровки входных параметров до размыкания силовой цепи должно составлять не более 0,5 периода (0,01 с).

Для вычисления требуемых параметров, а также для управления устройством необходимо использовать микроконтроллер (МК), обладающий повышенным быстродействием, широким набором встроенных модулей для обработки цифровых и аналоговых сигналов, большим количеством аппаратно реализованных интерфейсов.

Техническим результатом, который может быть достигнут в результате разработки и внедрения устройства, должно стать предотвращение аварийных выходов из строя трансформаторно-реакторного оборудования (ТРЭО) и сокращение масштабов возможных повреждений.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

Разрабатываемое устройство должно рассчитывать индуктивное сопротивление, измеряя для этого значения напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора, ток во вторичной обмотке и его частоту. Структурная схема измерительного канала устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема измерительного канала

Таких каналов в устройстве три. Первый канал служит для измерения напряжения в первичной обмотке СТ. Второй канал – для измерения напряжения во вторичной обмотке и частоты. Третий необходим для измерения тока во вторичной обмотке.

На цифровое вычислительное устройство приходит информация с трех аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), на которые в свою очередь поступают сигналы с трех масштабирующих устройств – по одному на каждую фазу. Оцифрованный сигнал передается в цифровое вычислительное устройство, где с помощью программной обработки рассчитывается значение индуктивного сопротивления обмотки трансформатора. Результат вычислений сравнивается с номинальным, заданным ранее значением. Если отклонение было выявлено, то посылается сигнал на блок отключения трансформатора.

В разрабатываемом устройстве можно использовать 4-канальный внешний АЦП. Код передается на контроллер по интерфейсу SPI. Диапазон входного напряжения АЦП составляет от 0 до 5 В, что потребует преобразования входного сигнала в униполярный. Минимальная частота дискретизации, при которой устройство будет работать корректно и обеспечивать своевременный расчет индуктивного сопротивления, составляет 5,2 кГц. 16-разрядный АЦП будет работать на частоте 50 кГц, при этом число эффективных бит будет равно 13,5, чего вполне достаточно.

С точки зрения организации питания устройства надо учесть, что микроконтроллер в рабочем режиме на частоте 60 МГц потребляет 120 мА при напряжении 3,3 В. Операционные усилители потребляют 1,5 мА каждый при напряжении 5 В, АЦП – по 2 мА каждый при напряжении питания 5 В.

Питание устройства предлагается организовать следующим образом: от внешнего блока питания на устройство подается 12 В, далее двумя линейными регуляторами оно понижается сначала до 5 В для питания аналоговой части прибора, затем до 3,3 В – для питания цифровой.

РАСЧЕТ ВХОДНЫХ ЦЕПЕЙ

Максимальный диапазон входного напряжения для АЦП составляет от 0 до 5 В, в то время как значение напряжения измеряемого сигнала колеблется в диапазоне от – до +. Следует также учитывать, что результатом преобразования должен стать код главной гармоники. Отсюда возникает необходимость доведения сигнала до входного диапазона АЦП, а также фильтрации сигнала.

Для приведения диапазона изменения полезного сигнала к входному диапазону АЦП требуется входное масштабирующее устройство. Для подавления неосновных гармоник воспользуемся фильтром нижних частот.

Для проектирования входных цепей вернемся к структурной схеме (рис. 2). Входное масштабирующее устрой- ство представляет собой делитель входного напряжения и схему для его подтяжки, а также фильтр нижних частот. В качестве напряжения подкачки используется источник опорного напряжения АЦП, а для развязки между звеньями – операционные усилители (ОУ).

Для измерения тока на вывод вторичной обмотки трансформатора установлен трансформатор тока (рынок предлагает множество моделей). В схему лишь добавим RC-цепочку и повторитель на ОУ для развязки схемы.

Функциональная схема входной цепи для измерения напряжений и частоты изображена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема входной цепи

U_REF – опорное напряжение АЦП, равное 5 В;
R₁ и R₂ – резисторы, образующие входной делитель напряжения и являющиеся резистивной составляющей входного фильтра;
C₁ – емкостная часть входного фильтра;
R₃ и R₄ – резисторы, составляющие делитель напряжения подкачки;
ОУ – операционные усилители для развязки схемы.

РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

На рис. 4 изображена структурная схема устройства для оценки состояния обмоток СТ по значению сопротивления КЗ [6–11].
Предположим, на входе СТ идеальное напряжение U_ном1, соответственно на выходе напряжение U_ном2:

где К_T – известное заданное значение коэффициента трансформации силового трансформатора.

Рис. 4. Структурная схема устройства для оценки состояния обмоток силовых трансформаторов по значению сопротивления КЗ

В – выключатель;
СТ – силовой трансформатор;
ТН1 и ТН2 – трансформаторы напряжения;
ТТ – трансформатор тока;
МУ – масштабирующее устройство;
АЦП – аналогово-цифровой преобразователь.

В реальности напряжение U_ном1 неидеально и может отклоняться от своего значения, при этом также будет отклоняться и U_ном2.

Эти отклонения вносят вклад в результат расчета индуктивного сопротивления и могут послужить причиной ложного срабатывания системы блокировки. Поэтому необходимо компенсировать смещение напряжения U_ном1, которое не зависит от степени износа трансформатора:

где

Таким образом, при расчетах будет учитываться смещение напряжения на входе силового трансформатора.

Во время работы трехфазного контролируемого СТ на трехфазную активную нагрузку (Н) производится измерение значения первичного напряжения U₁ с помощью измерительных преобразователей первичного напряжения (высоковольтных трансформаторов напряжения ТН1).

Сигнал с преобразователей поступает на вход блока приведения первичного напряжения ко вторичному. В этом блоке вычисляется приведенное к вторичному значение первичного напряжения:

,

На вход поступают сигналы с измерительных преобразователей вторичного напряжения (трансформаторов напряжения ТН2) и сигналы с выхода предыдущего блока. В блоке вычисления разности напряжений, приведенных ко вторичной стороне, определяется:

где U₂ – значение вторичного напряжения, измененное преобразователями ТН2.

Измеряемые параметры I, U, P, F с измерительных трансформаторов тока и напряжения ТТ, ТН, измерителя частоты Hz и из блока вычисления падения напряжения на активном сопротивлении i · R поступают на вход блока математической обработки результатов измерений, внутри которого по специальному алгоритму производятся следующие операции:

1. Вычисляется приведенное к частоте 50 Гц значение индуктивного сопротивления КЗ трансформатора:

,

где I_i, U_i (U_реал2), P_i, F_i – значения параметров тока, напряжения, мощности и частоты, измеренные АЦП в i-м отсчете.

2. Вычисляется среднее значение индуктивного сопротивления КЗ при частоте 50 Гц:

,

где n – число измерений.

3. Вычисляется отклонение индуктивного сопротивления короткого замыкания:

,

где Х_баз. – базовое значение индуктивного сопротивления КЗ трансформатора, определяемое расчетами по результатам предварительного эксперимента [1, 6–7, 12–14].

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

Зададим требования, согласно которым погрешность измерений не должна превышать 0,1%.

Принципиальная электрическая схема измерительного канала устройства с учетом источников погрешностей изображена на рис. 5.

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема измерительного канала

R₁ и R₂ – входной делитель;
C₁ – конденсатор;
U_CM – источник напряжения подтяжки.

Основными влияющими параметрами ОУ являются входные токи, ЭДС смещения и конечное значение коэффициента подавления синфазного сигнала. Кроме того, существенный вклад в погрешность измерения вносит отклонение сопротивлений резисторов входного делителя от номинальных значений.

Входной ток J_вх– ОУ не оказывает влияния на точность схемы. Входной ток J_вх+ ОУ создает падение напряжения на резисторах входного делителя (R₁, R₂). ЭДС смещения (E_cм1) передается на выход ОУ полностью, так как на схеме отрицательная обратная связь.

Мультипликативную и аддитивную погрешность можно скомпенсировать при помощи калибровки прибора.

К мультипликативной погрешности относится погрешность входного делителя и погрешность полной шкалы у АЦП. К аддитивной погрешности относится погрешность, вызванная ЭДС смещения и входными токами операционного усилителя, погрешность смещения нуля АЦП, а также погрешность, вызванная нестабильностью питающего напряжения.

Калибровкой компенсируется систематическое значение аддитивной и мультипликативной погрешности в нормальных условиях. Точность результата измерения будет определяться температурным дрейфом параметров, определяющих метрологические свойства измерительного канала.

Кроме того, в измерительный канал входит АЦП, который в свою очередь вносит вклад в величину погрешности, что вызвано неидеальностью функции преобразования. Причинами неидеальности данной функции являются погрешность смещения нуля и конца шкалы преобразования АЦП, которая компенсируется при калибровке, а также интегральная и дифференциальная нелинейность. Однако эти погрешности составляют не более 1 LSB.

Максимальная аддитивная погрешность равна сумме аддитивных погрешностей операционного усилителя и погрешности нестабильности источника питания: Δадд = 174 мкВ. Максимальная мультипликативная погрешность равна: Δмул = 0,0323%. Полученное значение погрешности допустимо.

ВЫВОД

Устройство обеспечивает достаточное быстродействие, чтобы своевременно обработать измеряемые параметры, произвести расчеты и при необходимости подать сигнал на отключение силового оборудования.

Всё это в конечном итоге позволяет контролировать состояние обмоток силового трансформатора в режиме онлайн-мониторинга, предупреждает или уменьшает затраты на ремонт, повышает надежность электроснабжения потребителей электроэнергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хренников А.Ю. Шлегель О А. Контроль состояния активной части и испытания мощных силовых трансформаторов на стойкость к токам короткого замыкания // ЭЛЕКТРО. 2007. № 1.
2. Хренников А.Ю. Информационно-измерительные системы контроля и защиты обмоток силовых трансформаторов и реакторов // Научный вестник НГТУ. 2006. № 1(22).
3. Хренников А.Ю. «On-line» система защиты и мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов и реакторов / Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2007. № 2(20).
4. Хренников А.Ю. Метод оценки состояния обмоток силовых трансформаторов по значению сопротивления КЗ // Промышленная энергетика. 2010. № 2.
5. Хренников А.Ю., Лурье А.И., Шлегель О.А. Устройство контроля и защиты трансформаторов от деформации обмоток при коротких замыканиях в процессе эксплуатации. Патент РФ № 2063050. 1996.
6. Хренников А.Ю. New «intellectual networks» (Smart Grid) for detecting electrical equipment faults, defects and weaknesses. Smart Grid and Renewable Energy, Volume 3, No 3, August 2012.
7. Хренников А.Ю. Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформации при коротких замыканиях. Патент РФ № № 2136099, 1999. Бюл. № 24.
8. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г., Косорлуков И.А. Устройство для измерения индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора. Заявка на изобретение № 2009149381/28(073001) от 29.12.2009.
9. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г., Косорлуков И.А. Устройство контpоля и защиты обмоток трансформаторов от дефоpмаций пpи коротких замыканиях. Заявка на изобретение № 2009122590/28(031190) от 11.06.2009.
10. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Устройство измерения индуктивного сопротивления короткого замыкания трансформатора. Заявка на изобретение № 96110718 А от 10.08.1998.
11. Хренников А.Ю., Мелентьев B.C., Шлегель О.А. Информационно-измерительная система для контроля параметров обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации. Деп. В ВИНИТИ 21.02.1997, № 567–В97.
12. Хренников А.Ю., Назарычев А.Н., Новоселов Е.М. Электродинамическая стойкость силовых трансформаторов (реакторов) при коротких замыканиях: повреждения, испытания и диагностика / Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина. Иваново, 2011.
13. Хренников А.Ю., Мажурин Р. В. Мощный испытательный центр в России. Технические и организационные факторы // Новости ЭлектроТехники. 2012. № 3(75).
14. Хренников А.Ю., Гольдштейн В.Г. Техническая диагностика, повреждаемость и ресурсы силовых и измерительных трансформаторов и реакторов. Монография. М.: Энергоатомиздат, 2007.