CC BY
262
УДК 681. 335
НОВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА В ТЕМПЕРАТУРНОМ МОНИТОРИНГЕ
ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
© С.И. Чичев, Е.И. Глинкин
Ключевые слова: температура; датчик; контроль силового трансформатора.
Рассмотрен новый метод мониторинга обмоток силового трансформатора на основе температурных датчиков и оптического волокна.
До настоящего времени, диагностика силовых трансформаторов в процессе работы рассматривалась как периодический контроль состояния устройств зашиты и измерений (газовое реле, указатель уровня масла и т. д.), проведение высоковольтных испытаний, хроматографический анализ газосодержания в масле и т. д. согласно [1-3].
Данный способ контроля не всегда эффективен для обнаружения быстроразвивающихся дефектов, возникающих в интервалах времени между взятиями проб, испытаниям и измерениями и приводящих к аварийным отказам оборудования.
Уровень современных средств позволяет расширить возможности контроля силовых трансформаторов с помощью нового метода температурного мониторинга обмоток силового трансформатора на основе оптического волокна и специальных температурных датчиков и повысить, тем самым, надежность его работы. Объясняется это следующим.
Так как термические нагрузки трансформатора определяют срок его службы, то температура является важным эксплуатационным параметром, требующим постоянного контроля и анализа. Причем с точки зрения срока эксплуатации наиболее ограничивающим этот срок конструкционным материалом является изоляция обмоток. Скорость износа изоляция зависит от изменения температуры в процессе работы трансформатора, влажности, типа изоляции, а для трансформаторов с масляным охлаждением обмоток - еще и от уровня кислорода и кислотности в масле [4].
Точное местоположение и температура «горячих» точек обмоток на практике обычно неизвестны. Они являются расчетными параметрами, получаемыми на основе тепловых моделей или аналитически при конструировании трансформаторов, и в значительной мере зависят от технологии и качества производства. Обычно в трансформаторах имеются индикаторы температуры масла в верхней части бака и индикаторы температуры обмотки, причем температурный датчик обмотки физически находится не в ней.
В большинстве существующих систем диагностического мониторинга трансформаторов, при изменении текущих температур обмоток, применяются косвенные методы. Применяемые «аварийные» реле устроены так, чтобы срабатывать и подавать сигнал в тех случаях,
когда температура превышает некоторый заранее установленный предел (уставку). Это означает, что информация об изменениях температуры до момента достижения ею предельно допустимого значения, при котором срабатывает защита и которое является критическим для трансформатора, фактически отсутствует.
Согласно [4] для постоянного контроля над температурой обмоток трансформатора возможно применение оптоволоконных систем прямого измерения температуры, с датчиками, встроенными непосредственно в обмотку. Оптоволоконные датчики прямого измерения температуры используют в своей работе свойство поглощения или пропускания белого света арсенид-галлиевым (ОаЛ8) полупроводником.
При увеличении температуры пропускаемый спектр полупроводника сдвигается в сторону волн большей длины. Этот скачок называется «сдвигом поглощения», а соотношение между длиной волны, на которой происходит сдвиг поглощения, и температурой предсказуемо (рис. 1).
Исходя из этого, можно узнавать температуру полупроводника, имея информацию о его сдвиге поглощения в настоящий момент. Важно отметить, что данное явление не зависит от яркости света, а только от длины волны.
Датчик температуры (рис. 2) имеет структуру полупроводника ОаЛ8 и прикреплен к хорошо отполированному оптоволокну. На конце полупроводника размещается отражающая диэлектрическая пленка, не проводящая электрический ток. Оптоволокно по всей длине покрыто тефлоновой оболочкой, эффективно защищающей его от агрессивной химической среды. Вся конечная конструкция (полупроводник и конец волокна) заключена в высокотемпературный состав с целью защиты сенсора (полупроводника) от химических и механических воздействий. Данный состав является единственной преградой для прямого контакта.
На рис. 3 показана блок-схема, поясняющая принцип преобразования сигнала температуры.
Источник белого света (1), размещенный внутри преобразователя сигнала, направляет свет в один из концов оптоволоконного соединительного блока (2). Свет идет по оптоволокну датчика к полупроводнику (3), где волны определенно длины поглощаются. Непоглощенный свет отражается зеркалом-диэлектриком (4)
Рис. 1. Сдвиг длины волны в зависимости от температуры
0,8 мм „\ Тефлоновая Высоко-оболочка температурный х / состав
П Ш] 1 1.3мм
* / | Оптоволокно / Полупроводниковый сенсор
Рис. 2. Конструкция датчика
и возвращается по волокну к соединительному блоку, где направляется на спектрометр (5).Положение сдвига поглощения определяется по специальному алгоритму анализа сигнала, а затем по нему высчитывается температура.
Вычисление сдвига поглощения не связано с яркостью света - значение имеет только цвет (длина волны), поэтому различные факторы, влияющие на работу оптических волокон (длина волокна, количество и кА-
чество соединений, диаметр и состав волокна, изгибы), не являются серьезной помехой.
В настоящий момент в качестве температурных датчиков используют как датчики на основе арсенид-галлиевых полупроводников ТРТ, так резистивные температурные датчики RTD (где используется провод для передачи электрического сигнала). Их технические характеристики представлены в табл. 1.
Из представленных в табл. 1 данных видно, что у RTD-датчика более высокая точность измерения, однако отсутствие интерфейса для дистанционной передачи данных не позволяет использовать его в системах удаленного on-line контроля.
Расчеты по тепловой модели трансформатора дают обычно более низкую температуру «горячих» точек, чем получается при прямом измерении. Вследствие этого при его работе в условиях перегрузок скорость износа изоляции оказывается существенно больше расчетной, создавая высокий риск образования пузырей масла. Кроме того, модель не учитывает изменение сопротивления в обмотке в зависимости от температуры.
Таблица 1
Характеристики температурных датчиков
Параметр Датчик
ТРТ RTD
Чувствительный элемент арсенид- галлиевый полупроводник медь, никель или платина
Диапазон измерений температуры от - 40 до + 250°С от - 50 до + 200° С
Погрешность, °С ± 2,0 ± 0,1.... ± 1,0
Время запаздывания измерения, мс 250 -
Интерфейсы аналоговый 4-20 мА (0-10 В), RS-232, RS-485, модем аналоговый 4-20 мА (0-10 В)
Рис. 3. Блок-схема по преобразованию сигнала температуры 494
Выводы:
- применение системы прямого контроля температуры наиболее целесообразно для мощных трансформаторов узловых подстанций, питающих ответственных потребителей;
- прямые замеры температуры с помощью оптоволоконных датчиков дают более достоверную картину распределения температур в трансформаторе в эксплуатационных режимах и при ее измерениях непосредственно в обмотке имеют определенные преимущества. Все проблемы, связанные с перегрузками и сокращением срока эксплуатации трансформатора, будут решаться на основе реальных измерений;
- преимуществом волоконно-оптических датчиков температуры является то, что они не требует калибровок в течение всего срока службы трансформатора, а возможность установки нескольких датчиков на одном оптоволокне позволяет еще более повысить эффективность контроля, плотность измерений и снизить затраты на монтаж;
- трансформация оптического сигнала в электронный сигнал является дорогостоящей процедурой
(стоимость системы - до 10 % от стоимости трансформатора). По этой причине постоянный мониторинг температуры проводится в строго определенных точках обмотки силового трансформатора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Объем и нормы испытаний электрооборудования. М., 1998. 254 с.
2. Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. М., 1998. 493 с.
3. Техническая политика ОАО «МРСК Центра»: приложение к ПР-15-ЦА. М., 2010. 66 с.
4. Новые возможности применения оптоволокна в энергетике // Обзор новых технологий в энергетике. М., 2009. Вып. № 2. С. 416.
Поступила в редакцию 19 февраля 2011 г.
Chichyov S.I., Glinkin E.I. New using of optical filament in warm-up monitoring of windings power transformers A new method of the monitoring of windings of the power transformer on base warm-up sensor and optical filament is considered
Key words: temperature; sensor; checking power transformer.
