CC BY
45
ЭНЕРГЕТИКА
POWER ENGINEERING
УДК 621.311.014 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-2-42-48
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ СЧЕТЧИК РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРОВ СРТ
MICROPROCESSOR RESOURCE COUNTER POWER TRANSFORMERS CRT
© 2016 г. В.Ф. Ермаков, А.В. Горобец, А.В. Павлов
Ермаков Владимир Филиппович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Е-mail: integral-novoch@yandex.ru
Горобец Андрей Васильевич - аспирант, кафедра «Электроснабжение», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: andrei_gorobets@mail.ru
Павлов Анатолий Владимирович - начальник отдела энергосистемы «Рязаньэнерго», г. Рязань, Россия. E-mail: pav-lov.reu@ryazan.elektra.ru
Ermakov Vladimir Filippovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electrical», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: integral-novoch@yandex.ru
Gorobets Andrey Vasilyevich - post-graduate student, department «Electrical», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: an-drei_gorobets@mail. ru
Pavlov Anatoly Vladimirovich - head of Department energy systems «Ryazanenergo», Ryazan, Russia. E-mail: pav-lov.reu@ryazan.elektra
Рассмотрена задача разработки и изготовления микропроцессорного счетчика ресурса (СРТ) силовых трансформаторов, предназначенного для определения износа изоляции за определенный промежуток времени и регистрации полученных данных с их накоплением в энергонезависимой памяти в течение всего срока службы трансформатора. При использовании счетчика СРТ в эксплуатации на подстанциях 35 кВ и выше осуществляется непрерывный контроль ресурса силового трансформатора. Счетчик позволяет определить полный износ силового трансформатора, после чего целесообразна его замена на новый трансформатор. В этом случае осуществляется планируемая реконструкция подстанции (без аварии). При отсутствии СРТ в эксплуатации на подстанциях 35 кВ и выше время полного износа силового трансформатора оказывается неопределенным; при достижении полного износа трансформатора в определенное время снижается надежность его дальнейшей работы и повышается вероятность выхода из строя. При этом выполняется вынужденная аварийная реконструкция подстанции, сопровождающаяся значительным ущербом, в том числе и из-за недоотпуска электроэнергии.
Ключевые слова: трансформатор; температура; износ изоляции.
In this article the problem of development and manufacture of microprocessor-based counter power transformers (CRT) intended for determining the wear of isolation for a certain period of time or data transmission with their accumulation in the non-volatile memory throughout the life of the transformer. When you use the counter CRT in operation at the substations 35 kV and above by a continuous control of the resource of the power transformer. The counter CRT allows to determine complete deterioration of the power transformer, then it advisable to replace it with a new transformer. In this case, is the planned reconstruction of the substation (without the accident). In the absence of the counter CRT of operation at the substations 35 kV and above full time wear of the power transformer is uncertain; upon reaching full depreciation of a transformer at a cer-
tain time decreases the reliability of its future work and increases the likelihood offailure. When this flag performed emergency reconstruction of the substation involving the substantial damage, including because of the undersupply of electricity.
Keywords: transformer; temperature; wear of the insulation.
Актуальность темы статьи
Статья посвящена решению важной технической задачи - созданию систем оценки остаточного ресурса изоляции силового трансформатора. Известные системы мониторинга обычно ориентированы на проведение комплексной диагностики состояния трансформаторов [1 - 5], включая химический анализ масла. Для работы этих систем используются датчики температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, которые на большинстве подстанций отсутствуют. В том случае, если примеси трансформаторного масла превышают норму, оно может быть заменено. Основная бумажная изоляция является твердой изоляцией и не может быть заменена. Поэтому задача создания счетчика остаточного ресурса бумажной изоляции силового трансформатора является актуальной.
Расчетная математическая модель
Разработанная с учетом рекомендаций ГОСТ 14209-97 далее предлагается следующая математическая модель определения износа изоляции трансформатора при случайных изменениях тока нагрузки I(t) по любому закону распределения с учетом инерционности процесса нагрева трансформатора, а также зависимости активного сопротивления обмотки от температуры ее нагрева:
u[©(t )-0Ном].
V = e
Тир =\Vdt;
Т^ + © = Kr (©)(©ном -©С)
(1)
(2)
I (t)
+ ©окр. (3)
Kr (©) =
Rc +aRo(©-©o)
R
= 1+a(©-©c), (4)
где V - относительная скорость износа изоляции; ц = 0,116 - коэффициент, характеризующий интенсивность старения изоляции; определяется 6-градусным правилом старения изоляции, согласно которому изменение температуры на 6 оС приводит к изменению срока службы изоляции
вдвое, оС-1; © - температура нагрева изоляции; ®ном _ номинальная длительно допустимая температура изоляции; ©окр - температура окружающей среды; Тир - износ (использованный ресурс срока службы) изоляции; Т - определенный период времени, за который определяется износ; т - постоянная времени нагрева масла; ДО - ток нагрузки в момент времени 1ном - номинальный ток трансформатора; КЯ(©) - коэффициент, учитывающий зависимость активного сопротивления обмотки Я от температуры нагрева ©; Я0 - сопротивление обмотки при температуре ©0 = 20 оС; а - температурный коэффициент активного сопротивления обмотки; для меди ам = = 0,0041 оС-1.
Формула (2) приведена в ГОСТ 14209-97 [6].
Формула (1), которая следует из закона Аррениуса и экспоненциального отношения Монтзингера [1], была предложена для оценки интенсивности износа изоляции в работе Ю.М. Никитина и Э.В. Тер-Оганова [7].
Формула (3) получена из уравнения нагрева проводника, предложенного в работе С.М. Бра-гина [8].
Формулы (3) и (4) были опубликованы в докладе на международной конференции [9].
Структурная схема СРТ
Структурная схема СРТ представлена на рис. 1 [10].
Рис. 1. Структурная схема СРТ: 1 - датчик тока; 2 - микроконтроллер; 3 - первый регистр; 4 - цифровой индикатор; 5 - датчики температуры окружающей среды; 6 -датчик температуры электрооборудования; 7 - генератор прямоугольных импульсов; 8, 9 - приемопередатчики; 10 - постоянное запоминающее устройство; 11 - компьютер
2
Алгоритм контроля
Алгоритм работы СРТ представлен на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм работы СРТ
Вход счетчика подключается к трансформатору тока, используемому в качестве датчика тока нагрузки 1(7). По току нагрузки 1(7) рассчитывается интенсивность износа, а также износ изоляции в относительных и натуральных единицах за любой заданный период (час, сутки, месяц и т.д.). Регистрация полученных данных с их накоплением осуществляется в микросхемах энергонезависимой памяти (типа флэш) в течение всего срока службы трансформатора. Суммирование этих данных позволяет определить суммарный износ изоляции трансформатора за все время службы. При уровне суммарного износа изоляции Тир более 0,95 рекомендуется планировать капитальный ремонт или замену силового трансформатора.
Обработка накопленной в памяти счетчика информации осуществляется в следующем порядке.
Счетчик СРТ в процессе измерений рассчитывает износ изоляции Тир.ч на интервале усреднения Т = 1 ч в относительных единицах.
За 1 сутки заполняется 1 страница флэш-памяти, в которой содержится 24 значения Тир.ч, например, те значения, которые приведены ниже в табл. 1.
Таблица 1
Значения износа изоляции Гирч за 1 сутки
Интервал времени Т Износ T i ир.чл Интервал времени Т Износ T i ир.чл Интервал времени Т Износ T i ир.чл Интервал времени Т Износ T i ир.чл
0 - 1 0,5 6 - 7 0,7 12 - 13 0,8 18 - 19 0,7
1 - 2 0,5 7 - 8 0,8 13 - 14 0,9 19 - 20 0,8
2 - 3 0,4 8 - 9 0,9 14 - 15 0,9 20 - 21 0,8
3 - 4 0,3 9 - 10 1,0 15 - 16 0,8 21 - 22 0,8
4 - 5 0,3 10 - 11 1,0 16 - 17 0,7 22 - 23 0,7
5 - 6 0,4 11 - 12 0,8 17 - 18 0,5 23 - 24 0,5
Внешний вид устройства изображен на рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид СРТ
Суммарный износ изоляции за эти сутки
Тир.сут равен
Тир.сут = ^ Тир.ч, = 0,4+0,3+0,3+0,417,5 ч.
Для определения значения Тир.суг за эти же сутки, выраженного в о. е. относительно суток, делим полученное значение на 24 часа:
Тир.сут.о.е. = 17,5/24 = 0,729.
При определении износа изоляции за год Тир.год удобно использовать сумму суточных значений износа Тир.су^.е. за этот год. Например, эта сумма получилась равной 200 сут.
Тогда значение Тир.год за этот год, выраженное в о. е. относительно года, получим путем
деления суммарного износа за год в 200 сут на 365 сут:
^ир.годо.е. = 200/365 = 0,546.
Аналогично определяется относительный износ за любой интервал усреднения: в числителе указывается суммарный износ за рассматриваемый период (сутки, месяц, год, 10 лет и т. д.), а в знаменателе - длительность интервала усреднения (24 час, 30 сут, 365 сут, 3650 сут и т. д.).
Учитывая, что загрузка трансформатора при правильном выборе его номинальной мощности всегда меньше 1, относительный износ изоляции за любой интервал усреднения всегда меньше 1.
Превышение относительным износом изоляции за час или за сутки значения 1,0 происходит при перегрузке трансформатора.
При перегрузке трансформатора счетчик СРТ дает возможность непрерывного наблюдения через ноутбук в реальном масштабе времени интенсивности износа изоляции трансформатора.
Назначение изделия
Счетчик ресурса трансформаторов микропроцессорный СРТ предназначен для измерения и регистрации в памяти износа изоляции в отно-
сительных и натуральных единицах за любой заданный период времени (час, сутки, месяц и т.д.) силовых трансформаторов, определяемый по току нагрузки с расчетом температуры наиболее нагретой точки обмотки по математической модели, предписываемой ГОСТ 14209-97, а также с коррекцией сопротивления обмотки в функции от температуры с учетом температурного коэффициента сопротивления.
Прибор соответствует ГОСТ 22261-94, ГОСТ 14209-97 и ТУ-4228-003-24189491-2012, предназначен для работы в нормальных условиях применения:
- температура окружающего воздуха от 5 до 50 оС;
- относительная влажность не более 90 % при 25 оС;
- питание от источника переменного тока напряжением 220 ± 22 В частотой 50 ± 5 Гц.
Комплектность:
1. Счетчик - 1 шт.
2. Паспорт - 1 экз.
3. Измерительный шунт - 1 экз.
4. Датчик температуры окружающей среды -
1 шт.
Схема подключения СРТ с шунтом представлена на рис. 4.
Рис. 4. Схемы подключения СРТ с шунтом
Варианты подключения СРТ к ПК представлены на рис. 5.
Напрямую через USB-кабель
СРТ
Через ЛВС предприятия по Ethernet
СРТ
USB
Ethernet
Рис. 5. Варианты подключения СРТ к ПК
Программное обеспечение
Программа предназначена для обеспечения взаимодействия счетчика ресурса трансформаторов и ЭВМ типа IBM-совместимый компьютер.
Основные функции программы
Программа осуществляет выполнение следующих функций:
- получение и отображение на экране ЭВМ данных от устройства в реальном масштабе времени:
а) текущая дата и время;
б) температура окружающей среды (То.с.) и наиболее нагретой точки трансформатора (Тн.н.т.);
в) токовая нагрузка первичной обмотки трансформатора;
г) израсходованный ресурс;
д) пороговое значение, при достижении которого программа выдает тревожную информацию.
Для работы программы необходимо:
- установить на ЭВМ оператора для протокола TCP/IP IP-адрес 10.62.64.121 (задается системным администратором);
- разрешить использование TCP-порта
1024 (при необходимости);
- разрешить использование TCP -порта
1025 (при необходимости);
- обеспечить скорость обмена по сети Ethernet 100 Мбит/с;
- настроить автоматическую загрузку программы SRT при запуске операционной системы.
По умолчанию программа запускается в фоновом режиме. Для запуска программы необ-
ходимо дважды кликнуть манипулятором мышь на криптограмму в правом нижнем углу экрана.
После загрузки программы на экране дисплея появится основное окно (рис. 6).
ЕИ
Данные трансформатора Т11 Параметры устройства |
Дата Время То.с., °С Тн.н.т., °С I, А
18.03.2013
13:00
3
58
123
Израсходованный ресурс,% 0.007
Примечание.
При достижении израсходованным ресурсом порогового значение 80 необходимо принять решение о дальнейшей эксплуатации трансформатора!
Задать
Пороговое значение: |80
Расчет израсходованного ресурса: Дата начала расчета: 118.03.2013
Дата окончания расчета: 118.03.2013
Израсходованный ресурс, %: |0.000001
_Расчет ресурса_|
Рис. 6. Основное окно программы. Закладка «Данные трансформатора»
Рис. 7. Основное окно программы. Закладка «Параметры устройства»
Параметры устройства Дополнительно
1-1П|Х|
< ►
Дата Время |l,A Тос, °С Ресурс -
18.03.2013 0 100,00 -10,0
18.03.2013 1 100,00 -10,0
18.03.2013 2 100,00 -9,0
18.03.2013 3 100,00 _VQ "о
18.03.2013 4 110,00 -8,0
18.03.2013 5 110,00 со. Го
18.03.2013 6 110,00 -7,0
18.03.2013 7 110,00 "о
18.03.2013 8 120,00 -6,0
18.03.2013 9 120,00 Ol . Го
18.03.2013 10 120,00 -5,0
18.03.2013 11 120,00 -5,0
18.03.2013 12 120,00 -6,0
18.03.2013 13 120,00 сг> _ "о -1
18.03.2013 14 120,00 -7,0
18.03.2013 15 120,00 "о
18.03.2013 16 110,00 -8,0
18.03.2013 17 110,00 со. "о
1,© CV5 ОГИ-а 1С 1 1П лп _о п I .Г1
"I
Загрузка
Расчет
Сохранение
Рис. 8. Основное окно программы. Вкладка «Дополнительно» после загрузки файла данных
В этом окне отображаются:
1) на закладке «Данные трансформатора Т1» (рис. 6):
а) текущая дата и время;
б) температура окружающей среды (То. с.) и наиболее нагретой точки трансформатора (Тн.н.т.);
в) токовая нагрузка первичной обмотки трансформатора;
г) израсходованный ресурс;
д) пороговое значение, при достижении которого программа выдает тревожную информацию;
е) поля для задания условий расчета израсходованного ресурса;
2) на закладке «Параметры устройства» (рис. 7):
- состояние связи (есть/нет);
- IP адрес ожидаемого устройства-клиента;
- используемый для подключения порт протокола TCP;
3) на закладке «Дополнительно» (рис. 8):
а) дата и время;
б) температура окружающей среды (То.с.);
в) токовая нагрузка первичной обмотки трансформатора.
Закладка «Дополнительно» предназначена для ручного ввода параметров за время, когда счетчик отключен по какой-либо причине.
После запуска программы осуществляется ожидание подключения устройства по протоколу TCP/IP.
В случае удачного подключения устройства на экране ЭВМ в поле «Состояние связи» отображается строка «Есть» на зеленом фоне (рис. 7).
Далее с периодом 1 ч на экране ЭВМ в поле «Текущие данные» будут отображаться данные работы программы (рис. 6).
Для задания порогового значения следует ввести в поле «Пороговое значение» необходимое число в процентах и нажать кнопку «Задать» (рис. 6).
Программа позволяет осуществлять расчет ресурса за любой указанный период.
При достижении заданного порогового значения ресурса программа выдает тревожное сообщение, сопровождаемое звуковым сигналом (рис. 9).
Считывание данных из внутренней памяти устройства осуществляется автоматически 1 раз в сутки с сохранением информации в файле формата MS-Excel SRT.xls.
Для просмотра указанной информации применяются стандартные средства Microsoft Office.
Данные трансформатора Т11 Параметры устройства
Дата 18.03.2013
Время 13:00
То.с., °С 3
Тн.н.т., °С 58
I, А 123
Израсходованный ресурс,% 85.00
Примечание.
При достижении израсходованным ресурсом порогового значение 85 необходимо принять решение о дальнейшей эксплуатации трансформатора!
Пороговое значение: [85 Задать
X
Достигнуто пороговое значение израсходованного ресурса трансформатора Т1! Необходимо принять решение о дальнейшей эксплуатации трансформатора!
Израсходованный ресурс, %: |0.000001 _Расчет ресурса_|
Рис. 9. Тревожное сообщение
Два опытных образца счетчика-регистратора СРТ находятся в опытно-промышленной эксплуатации на подстанции «Рязань» Рязань-энерго - филиала ПАО «МРСК Центра и При-волжья» с 1 декабря 2012 г.
Литература
1. Силовые трансформаторы: справочная книга / под ред. С.Д. Лизунова, А.Е. Лоханина. М.: Энергоиздат, 2004.
2. Васин В.П., Долин А.П. Ресурс изоляции силовых масло-наполненных трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2008. № 3.
3. Васин В.П., Долин А.П. Оценки выработанного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // ЭЛЕКТРО. 2009. № 2.
4. Васин В.П., Долин А.П. К задаче оценки остаточного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Новое в российской энергетике. 2008. № 3.
5. Vasin V.P., Dolin A.P. Development of methods of evaluation of power transformer insulation aging taking into account random exploitation factors // CIGRE, 6th Regional Conference, 2009, Pappek.
6. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91) Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997. 80 с.
7. Никитин Ю.М., Тер-Оганов Э.В. Определение вероятностных характеристик случайного процесса относительного износа изоляции трансформаторов // Электричество. 1973. № 9. С. 62 - 67.
8. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 328 с.
9. Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Гудзовская В.А. [и др.] Математическое моделирование износа изоляции силового трансформатора // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: материалы X Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочер-
касск, 17 декабря 2010 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: ЮРГТУ НПИ), 2011. С. 59 -63.
10. Патент на полезную модель 128366 РФ, МКИ G06F 17/18. Счетчик ресурса трансформатора / В.Ф. Ермаков, А.В. Горобец, А.В. Павлов (РФ). № 2012151170; Заявл. 29.11.2012; Опубл. 20.05.2013, Бюл. № 14.
References
1. 1. Silovye transformatory [Power transformers]. Edit by Lizunova S.D., Lohanin A.E. Moscow, Energoizdat, 2004, 616 p.
2. Vasin V.P., Dolin A.P. Resurs izolyatsii silovykh maslonapolnennykh transformatorov [Resource of insulation of power transformers oil-filled]. ELEKTRO, 2008, no. 3, pp. 12 - 17. [In Russ.]
3. Vasin V.P., Dolin A.P. Otsenki vyrabotannogo resursa izolyatsii silovykh maslonapolnennykh transformatorov [Evaluation of the developed resource in insulation of power transformers oil-filled]. ELEKTRO, 2009, no. 2, pp. 37 - 41. [In Russ.]
4. Vasin V.P., Dolin A.P. K zadache otsenki ostatochnogo resursa izolyatsii silovykh maslonapolnennykh transformatorov [To the problem of estimation of residual resource of insulation of power transformers oil-filled]. Novoe v rossiiskoi energetike, 2008, no. 3, pp. 42 - 55. [In Russ.]
5. Vasin V.P., Dolin A.P. Development of methods of evaluation of power transformer insulation aging taking into account random exploitation factors // CIGRE, 6th Regional Conference, 2009, 111 p.
6. GOST 14209-97 (MEK 354-91) Rukovodstvo po nagruzke silovykh maslyanykh transformatorov [Loading Guide for oil-immersed power transformers]. Minsk, Mezhgosud. Sovet po standartizatsii, metrologii i sertifikatsii, 1997, 80 p.
7. Nikitin Y.M., Ter-Oganov E.V. Opredelenie veroyatnostnykh kharakteristik sluchainogo protsessa otnositel'nogo iznosa izolyat-sii transformatorov [Determination of the probabilistic characteristics of the random process relative wear isolation transformers]. Elektrichestvo = Electricity, 1973, no. 9, pp. 62 - 67. [In Russ.]
8. Bragin S.M. Elektricheskii i teplovoi raschet kabelya [Electrical and thermal design of the cable]. Moscow-Leningrad, Gosener-goizdat, 1960, 328 p.
9. Ermakov V.F., Balykin E.S., Gudzovskaya V.A. Mathematical modeling of wear of isolation of the power transformer // Sovre-mennye energeticheskie sistemy i kompleksy i upravlenie imi: Materialy X Mezhdunar. nauch.-praktich. konf. [Modern power systems and management: materials of the X Intern. scientific.-practical. Conf.]. Novocherkassk, YuRGTU Publ., 2011, pp. 59 -63. [In Russ.]
10. Ermakov V.F., Gorobets A.V., Pavlov A.V. Schetchik resursa transformatora [Counter of transformer resource]. Patent RF, no. 2012151170, 2013.
Поступила в редакцию 28 марта 2016 г.
