Исследование спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трехфазным силовым трансформатором Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

оборудование УДК 621.311

Исследование спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трехфазным силовым

трансформатором

оценка технического состояния электрооборудования и выявление неисправностей на начальной стадии их развития является одной из основных задач в электроэнергетике. Силовые трансформаторы являются основным элементом системы электроснабжения промышленных предприятий, во многом определяющим надежность электроснабжения. Опыт обследований трансформаторов в процессе эксплуатации и испытаний на стойкость к токам короткого замыкания (КЗ) и показывает, что основными причинами потери электродинамической стойкости обмоток являются осевые и радиальные остаточные деформации, полегание обмоточного провода, скручивание или раскручивание обмоток и другие механические повреждения [1-4].

Одним из перспективных методов оценки технического состояния силового трансформатора является спектральный анализ токов и напряжений его обмоток.

Метод спектрального анализа токов и напряжений трансформатора, в отличие от других методов диагностики, меньше зависит от схемы измерений, взаимного расположения измерительных кабелей, влияния ошиновки вблизи объекта измерений, внешних помех в условиях действующей подстанции и других факторов, позволяет количественно оценивать изменения в техническом состоянии трансформатора.

Экспериментальные исследования взаимосвязи параметров спектра гармоник токов и напряжений, генерируемых сухим трёхфазным трансформатором ТСЗП-25/07-УХЛ4, с его техническим состоянием проводились в научно-исследовательской лаборатории «Диагностика электрических сетей и электрооборудования» филиала ФГБОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате. Для оценки степени искажения формы кривых токов и напряжений определенными гармоническими составляющими использовались коэффициенты п-ых гармонических составляющих тока К1п и напряжения Кип, а также углы сдвига по фазе ф„;(П) между соответствующими гармоническими составляющими фазных токов и напряжений Ц^. Измерение коэффициентов п-ых гармонических составляющих

Исследуемый трансформатор

ПКЭ -06 bul ПКЭ-06

Рис. 1. Экспериментальная установка для исследования сухого трёхфазного трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4

М.Г. БАШИРОВ, д-р техн.наук., профессор

И.В. прахов, канд.техн.наук,

доцент

Р.Ш. ГАББАсОВ, магистр

кафедра «Электрооборудование и автоматика промышленных предприятий»

Филиал ФГБОу ВпО «уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. салавате

E-mail: priwan@yandex.ru

Рассматривается спектральный метод диагностики силовых трансформаторов. В частности методика получения данных, правильная их обработка и анализ. В статье так же представлены схемы и графики, построенные по полученным экспериментальным данным.

ключевые слова: техническое состояние, силовой трансформатор, высшие гармоники, диагностика, спектральный анализ, повреждение.

This article describes a spectral method for diagnosis of power transformers. In particular, the method of obtaining the data, proper handling and analysis. The article also presents charts and graphs, constructed from the experimental data.

Keywords: a technical condition, power transformer, the higher harmonics, diagnostics, spectral analysis, damages.

Определение гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трансформатором

Исследуемый трансформатор Режим генерирования Уравнение гармонических составляющих токов и напряжений Результат

Трансформатор является источником гармонических составляющий токов и напряжений Первый случай (см. рис. 2а), гармонические составляющие токов и напряжений генерируются электродвигателем М Х1— (Х2ктр) = №) Трансформатор усиливает п-ую гармонику

Х1— (Х2ктр) = (— Трансформатор компенсирует п-ую гармонику

Второй случай (см. рис. 2б), гармонические составляющие токов и напряжений генерируются электрической сетью Х1— (Х2ктр) = №) Трансформатор компенсирует п-ую гармонику

Х1— (Х2ктр) = (— Трансформатор усиливает п-ую гармонику

Трансформатор не является источником гармонических составляющий токов и напряжений Х1— (Х2ктр) = 0

380В, 50Гц

1

-У2

380В, 50 Гц

ослаблении стяжки магнитопровода. В качестве нагрузки трансформатора использовался асинхронный электродвигатель.

Были исследованы два режима генерирования гармонических составляющих токов и напряжений:

• первый режим — гармонические составляющие токов и напряжений генерируются электродвигателем М (рис. 2а);

• второй режим — гармонические составляющие токов и напряжений генерируются электрической сетью (рис. 2б).

Расположение источников гармонических составляющих токов и напряжений определялось по знаку активной мощности Р(п) п-й гармоники согласно [5,6]:

± Р = I и ^ф ,

п п п >иц

ш(п)'

(1)

Рис. 2. Гармонические составляющие токов и напряжений, генерируемые:

а — электродвигателем М; б — электрической сетью

токов К1п, напряжений Кип и углов фиЦ(п) осуществлялось энерготестером ПКЭ-06.

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Исследования проводились при витковых коротких замыканиях (КЗ) в фазах С обмоток низшего (НН) и высшего напряжения (ВН), обрыве одной и двух фаз на стороне НН и ВН,

где соБфиЦ(п) — коэффициент мощности п-ой гармоники (если +90°<фиЦ(п)<-90°, то электродвигатель содержит источник п-ой гармонической составляющей тока и напряжения (первый случай); если —90°<фиЦ(п)<+90°, то электрическая сеть является источником п-ой гармонической составляющей тока и напряжения (второй случай).

Определение гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трансформатором, осуществлялось по формуле:

Y = Х1- Х^ (2)

где ктр — коэффициент трансформации трансформатора; Х1 — гармонические составляющие токов и напряжений на стороне ВН трансформатора; Х2 — гармонические составляющие токов и напряжений на стороне НН трансформатора.

i ii ii ii и ii i

1,40

1,20

1,00

Фаза А .о 0,80

■ Фаза В 2 0,60

■ Фаза С

0,40

0.20

0,00

11

Фаза А

■ Фаза В

■ Фаза С

2,50

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

Фаза А

■ Фаза В

■ Фаза С:

I 1

i i

им

I л

Фаза А ¡Фаза В I Фаза С

б

б

Рис. 3. Гармонический состав токов (а) и напряжений (б) при витковом замыкании в фазе С в обмотке ВН трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4

Фаза А

■ Фаза В

■ Фаза С

Фаза А

I Фаза В

I Фаза С

0.00

i ■ ■ гш

13

б

Рис. 4. Гармонический состав токов (а) и напряжений (б) при витковом замыкании в фазе С обмотки НН трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4

Рис. 5. Гармонический состав токов (а) и напряжений (б) при ослаблении стяжки магнитопровода трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4

Если Y=0, то трансформатор не является источником гармонических составляющих токов и напряжений. И, наоборот, если Y Ф 0, то трансформатор является источником гармонических составляющих токов и напряжений.

Для первого случая, если Y>0, то трансформатор усиливает п-ую гармонику тока и напряжения, а если Y<0, то трансформатор компенсирует п-ую гармонику тока и напряжения (таблица). Для второго случая, если Y>0, то трансформатор компенсирует п-ую гармонику тока и напряжения, а если Y<0, то трансформатор усиливает п-ую гармонику тока и напряжения.

На рис. 3 представлены гармонические составляющие токов и напряжений при витковом замыкании в фазе С обмотки ВН трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4 с применением разработанного метода фильтрации.

На рис. 4 представлены гармонические составляющие токов и напряжений при витковом замыкании в фазе С обмотки НН трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4 с применением разработанного метода фильтрации.

Из данных рис. 3 и 4 видно, что преобладают в основном гармоники, кратные трём. Наибольший вес имеют третья, пятая, седьмая, девятая и одиннадцатая гармоники. Причем, наблюдается в основном увеличение гармоник в поврежденной фазе С [7].

а

а

а

На рис. 5 представлены гармонические составляющие токов и напряжений при ослаблении стяжки магнитопровода трансформатора ТСЗП-25/07-УХЛ4 с применением разработанного метода фильтрации.

При изменении магнитных свойств сердечника трансформатора появляются третья, пятая, седьмая и девятая гармоники (см. рис. 5). Эти гармоники являются источниками добавочных потерь и шумов в трансформаторах.

Выводы

Трансформаторы при определённых режимах работы, возникновении и развитии повреждений отдельных элементов электрической части генерируют определённый спектр высших гармонических составляющих токов и напряжений. Определение корреляционной связи между режимами работы трансформаторов, характерными повреждениями элементов электрической части и параметрами генерируемых трансформаторов высших гармонических составляющих токов и напряжений, позволит решить задачу мониторинга технического состояния и прогнозирования ресурса этого оборудования.

список литературы

1. Баширов М.Г., Шикунов В.Н. Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий: Учеб. пособие для вузов. — Уфа: Изд-во УГНТУ, 2004. — 220 с.

2. Баширов М.Г., Шикунов В.Н. Идентификация повреждений в электрических сетях промышлен-

ных предприятий на основе гармонического анализа токов и напряжений // Труды Стерлитамакского филиала АН РБ. — Уфа: Гилем, 2007. — Вып. 5. — С. 94-95.

3. Прахов И.В., Шикунов В.Н., Усманов Э.М. Исследования влияния режимов работы и характерных повреждений сухого трехфазного трансформатора на генерирование высших гармоник // Труды Стерлитамакского филиала Академии наук Республики Башкортостан. Сер. «Физико-математические и технические науки». — Уфа: Изд-во «Гилем», 2007. — Вып. 5. — С. 100-101.

4. Хренников А.Ю. Силовые трансформаторы. Методы диагностики механического состояния обмоток // Информационно-справочное издание: Новости Электротехники. —2009. — № 3 (57).

5. РД 153-34.0-15.501-2000. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Ч. 1. Контроль качества электрической энергии. — М.: Изд-во стандартов, 2000. — 29 с.

6. РД 153-34.0-15.502-2002. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения. Ч. 2. Анализ качества электрической энергии. — М.: Изд-во стандартов, 2002. — 32 с.

7. Баширов М.Г., Прахов И.В. Разработка электромагнитного спектрального метода оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации сухих трехфазных трансформаторов системы электроснабжения // Матер. докл. II Международной молодёжной науч. конф. «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. Ю.Я.Петрушенко. В 4-х т. — Казань: Изд-во КГЭУ, 2007. — Т. 1. — С. 136-137.

подписка

на научно-информационный сборник «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья»

Подписка осуществляется через Агентство «Роспечать» по каталогу «Издания органов НТИ» в местных почтовых отделениях.

• Подписной индекс 58752.

Периодичность издания — 4 раза в год. Формат издания А4; объем — 48 стр.

• Каталожная цена за полугодие 1580 руб. 00 коп. В любое время можно подписаться непосредственно в редакции. Можно приобрести комплекты и отдельные номера журналов, изданные ранее.

• Телефон для справок: +7 926-460-88-24 www.thnp.ru Е-mail: chranenie@rambler.ru