Диагностика силовых трансформаторов!

Здравствуйте уважаемые посетители сайта «Помощь электрикам».

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. 

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.