// Журнал «Промышленная Энергетика», 2011 - № 9, стр. 6-10

 

Устройство контроля изоляции силового трансформатора под нагрузкой.

Андреев К. А., инж.

Тульский государственный университет

 

Описано новое устройство мониторинга и диагностики силового трансформатора без отключения его от сети. Приведены основные схемы и формулы, объясняющие принцип действия устройства.

 

         В настоящее время (по данным "МРСК Центр") более 50 % находящихся в эксплуатации силовых трансформаторов отработали нормативный срок службы. С целью продления работы необходимо оценить состояние их изоляции. Существуют разные методы диагностирования этих устройств.

         При использовании тепловизионного (инфракрасного обследования) дефекты в силовом трансформаторе обнаруживаются на начальной стадии развития под рабочим напряжением. При этом на результаты проводимых измерений сильно влияют два вида помех: разность потенциалов двух заземленных точек измерительной цепи и колебания фазных напряжений. Изменение напряжения на шинах создает небаланс в системе мониторинга, что может привести к появлению ложного сигнала об изменении параметров изоляции.

         Метод ультразвуковой локации основан на локации акустических сигналов от электрических разрядов с помощью ультразвуковых датчиков. Распространяясь в бумажно-масляной изоляции электрооборудования, исходный звук разряда отражается от преград и, затухая, создает послезвучие. При разрядах в изоляции регистрируемый уровень ультразвукового давления в различных точках бака отличается не более чем в 2 раза. Сложность данной технологии заключается в том, что кроме ультразвуковых и сигналов электрических разрядов возможно возникновение сигналов от виброударов магнитопровода.

         Измерение частичных разрядов (ЧР) трансформаторов позволяет определить дефекты изоляции на ранних стадиях появления и контролировать их развитие. Однако он применяется сравнительно редко из-за того, что уровень различных помех в работающих трансформаторах очень высок и выделить из них сигналы ЧР весьма затруднительно. Кроме того, приборы контроля не позволяют регистрировать амплитудно-фазовые распределения сигналов ЧР, а без этого выявление дефектов изоляции практически невозможно.

         Методы измерения tg δ, коэффициента абсорбции и др. не позволяют обнаруживать опасные изменения состояния изоляции (в частности, ее старение), а в ряде случаев при их использовании возможны ошибки [1].

         Таким образом, указанные методы не подходят для широкого использования с целью выявления дефектов изоляции на ранней стадии их появления.

Рис. 1.

 

         К системе мониторинга и диагностирования состояния изоляции силовых трансформаторов предъявляются следующие требования: универсальность (учет старения, увлажнения), простота в использовании, высокая чувствительность и низкая погрешность, однозначность результата, работа без отключения от сети. Для решения этих задач разработана модель устройства мониторинга, диагностики и защиты обмоток силового трансформатора УМДМ. На рис. 1 показана принципиальная схема этого модернизированного устройства. Оно содержит 24 блока (см. таблицу), в которых собирается определенная информация и производятся необходимые вычисления. Наиболее оптимально применять его для комплектных трансформаторных подстанций, но можно использовать и для трансформаторных подстанций с отдельно стоящим распределительным устройством высокого напряжения РУВН. Схема подключения устройства УМДМ к измерительным приборам трансформаторной подстанции приведена на рис. 2, где приняты следующие обозначения: TV — трансформатор напряжения на стороне ВН; TI1 и TI2, V1 и V2, A1 и А2 — трансформаторы тока, вольтметры и амперметры соответственно на сторонах ВН и НН; Hz — частотомер.

 

                                                                                                                                                      Рис. 2.

 

         Трансформаторная подстанция состоит из силового трансформатора, подключенного к трехфазному источнику питания, РУВН и распределительного устройства низкого напряжения РУНН, питающего нагрузку. Ячейка РУВН содержит высоковольтный автоматический выключатель и, как правило, устройство релейной защиты, которое помимо реализации своей основной функции измеряет напряжение на стороне высокого напряжения. При отсутствии такой возможности измерения напряжения к питающей сети подключается трансформатор напряжения. Ячейка РУНН состоит из вводного шкафа и распределительного шкафа. Вводный шкаф включает в себя автоматический выключатель, трансформаторы тока, амперметр, вольтметр и частотомер. Значения параметров сети (напряжения, частоты) не имеют принципиального значения, так как устройство мониторинга и диагностики может быть настроено на любые их значения.

         Постоянный или периодический мониторинг состояния обмоток силового трансформатора обеспечивается путем определения отклонений индуктивного и активного сопротивлений (в блоках 10 и 24) от базовых значений (определяются на заводе-изготовителе) за заданный период времени, устанавливаемый в соответствующих блоках, а также отклонение этих значений между фазами.

 

Номер блока

Назначение

1

Приведение первичного напряжения к вторичному

2-5

Вычисление соответственно разности напряжений, средних значений напряжений, про­изводных тока для обмотки НН и падения напряжения на активных сопротивлениях

6

Уставка активного сопротивления обмотки НН

7

Вычисление индуктивных сопротивлений обмоток ВН и НН

8

Приведение значения индуктивных сопротивлений к номинальной частоте

9, 10

Вычисление средних значений индуктивности за период времени и отклонений от уставок

11

Уставка индуктивного сопротивления обмотки НН

12

Контроль отклонения индуктивного и активного сопротивлений

13

Защита контролируемого силового трансформатора

14

Сбор информации от систем диагностики, принятие решений

15

Мониторинг состояния обмоток (дисплей)

16

Анализ наличия гармонических составляющих в сети

17, 18

Вычисление производных тока для обмотки ВН и падения напряжения на активных со­противлениях

19 - 21

Уставки соответственно времени, активного и индуктивного сопротивлений обмотки ВН

22 - 24

Вычисление соответственно активных сопротивлений обмоток ВН, НН и их отклонений от уставок

 

         В процессе работы силового трансформатора, питающего нагрузку, измеряются значения первичного U1 и вторичного U2 напряжений, например, с помощью вольтметров V1 и V2. Сигнал с V1 поступает на вход блока 1, в котором вычисляется приведенное к вторичному значению первичное напряжение

                                                                                             (1)

 

         где Кт — коэффициент трансформации силового трансформатора.

         В блоке 2, на вход которого поступают сигналы с вольтметра V2 и с выхода блока 1, определяется разность напряжений ΔU*, приведенных к вторичной стороне:

                                                                                         (2)

         где — значение вторичного напряжения, измеренное с помощью вольтметра V2.

         В блоке 3 средние значения приведенных напряжений вычисляются на заданном интервале времени (который можно изменять в широких пределах в блоке 19):

                                                                                (3)

 

         где  — разность приведенных напряжений на силовом трансформаторе;  и  — временные границы интервала разбиения.

         В блоках 4 и 17 определяется приращение по току на заданном интервале времени для обмоток НН и ВН соответственно:

,                                                                                          (4)

         где i – значение тока в первичной (или вторичной) обмотке силового трансформатора измеренное амперметром A1 (А2).

         В блоках 5 и 18 вычисляются падения напряжения на активных сопротивлениях об моток НН и ВН:

                                                                                             (5)

         где

                                                                                                    (6)

         - активное сопротивление трансформатор для обмоток ВН и НН в блоках 22 и 23 соответственно.

         В блоке 7 определяются мгновенные значения индуктивных сопротивлений обмоток ВН и НН на заданном интервале времени:

                                                                                           (7)

         В блоке 8 вычисляются мгновенные значения индуктивных сопротивлений обмоток ВН и НН, приведенные к номинальной частоте:

,                                                                                                  (8)

         где  — значение, измеренное частотомером; — номинальное значения частоты (50 Гц).

         В блоке 9 рассчитываются средние значения индуктивных сопротивлений обмоток ВН и НН за каждый установленный период времени:

                                                                                            (9)

         где N — число интервалов разбиения.

         В блоке 10 сравниваются значения La обмоток НН и ВН за период со значениями уставок Lr в блоках 11 и 21 и соответственно вычисляется их разность, %:

                                                                                       (10)

         Lr — значение уставок индуктивных сопротивлений обмоток ВН и НН силового трансформатора (определяется экспериментально на заводе-изготовителе).

         В блоке 16 анализируется наличие в сети гармоник напряжения и тока. Данные о них направляются, например, в фильтр для уточненной настройки его под реальные параметры сети.

         В блоке 24 сравниваются значения Ra за период со значениями уставок Rr активных сопротивлений обмоток ВН и НН из блоков 6 и 20 соответственно и вычисляется их разность, %:

                                                                                     (11)

         где Ra — среднее значение активного сопротивления за период измерения (из блоков 22 и 23); Rr — уставка активного сопротивления трансформатора (определяется по результатам эксперимента на заводе-изготовителе).

         Индуктивность обмотки зависит от ее размеров, и любое (даже незначительное) их изменение вызывает отклонение данного параметра [2]. Отклонения активного и индуктивного сопротивлений в пределах 2,5 % являются нормальными. Отклонения в пределах 5 % свидетельствуют о  зарождении разрушающих процессов, но пока не требуется отключение трансформатора от сети или ремонт. При отклонениях 6—15% оператору подается сигнал об опасности. В этом случае необходимо вывести трансформатор в ремонт без отключения ответственных потребителей. Отклонения 25 % требуют аварийного отключения трансформатора от сети. Все эти сведения получены в процессе фактических испытаний.

         При возникновении в обмотках трансформатора начальных деформаций, а также внутреннего виткового замыкания происходит увеличение (либо уменьшение) ΔL и ΔR до значений, при которых происходит необратимое разрушение обмоток. При этом с блока 12 сигнал поступает в блок 14, в котором анализируются полученные данные и принимается соответствующее решение, например, о необходимости экстренного отключения от питающей сети или продолжении измерений и сигнализации о начале разрушения. Одновременно на дисплей 15 выводится световая (или текстовая) информация о режиме работы и состоянии обмоток трансформатора. Блок 14, куда поступают данные от других диагностических систем, анализирует их (при соответствующей настройке) и принимает более точные решения по диагностированию. В случае аварийной ситуации с блока 14 подается сигнал в блок защиты 13, где формируется сигнал на отключение выключателя, который далее передается на реле или на независимый расцепитель. С помощью дисплея (монитора) — блок 15 — контролируется весь процесс мониторинга и диагностирования. При подключении к нем дополнительных модулей возможна передач данных на расстояние в центральный диспетчерский пункт или местным операторам.

         Учет падения напряжения на активно сопротивлении силового трансформатора (блоках 5 и 18) и индуктивности (в блоке 7 позволяет увеличить точность измерений повысить надежность работы устройства целом. В блоках 10 и 24 также сравнивают индуктивное и активное сопротивления между фазами, что дает возможность при отсутствии информации о ряде параметров от заводов изготовителей оценить состояние оборудования. Различия между значениями указанны параметров не должны составлять более 2% для нормального состояния. Превышена этого значения свидетельствует о наличии дефекта. Блок 19 позволяет задавать любы временные интервалы. Уменьшая или увеличивая их, можно осуществлять контроль, например, ежеминутно либо ежесуточно.

 

         Список литературы:

1.       Киреева Э. А., Диагностика силовых трансформаторов. — Электрооборудование, 2008, № 9.

2.       Малиновский В. Н., Хоанг В. Н., Муборакшоев Д. Т. Контроль витковых деформаций обмоток силовых трансформаторов. — Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов, 2009 (http: //www.jurna/org/articles/2009/izmerl.html).