«On-line» система защиты и мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов и реакторов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

1. Федеральный закон «Об энергосбережении» №28-ФЗ от 03.04.1996 г.

2. Правила проведения энергетических обследований организаций, утв. Минэнерго РФ 25.03.1998 г.

3. Правила пользования электрической энергией. Утв. Минтопэнерго РФ 06.12.1998 г.. №310.

Статья поступила в редакцию 6 декабря 2006 г.

УДК 621.314.222.6.045.064 АЛО. Хренников

«ON-LINE» СИСТЕМА ЗАЩИТЫ И МОНИТОРИНГА МЕХАНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБМОТОК СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И РЕАКТОРОВ

Рассматривается метод оценки состояния обмоток силовых трансформаторов по величине параметра сопротивления КЗ (или индуктивности L) как наиболее чувствительного к появлению деформаций обмоток в результате КЗ. Информационно-измерительные системы (ИИС) для контроля параметров силовых трансформаторов, созданные на базе этого метода, могут быть использованы для оперативного контроля за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов в ходе опытов КЗ и в процессе эксплуатации без отключения от сети. ИИС и связанная с ней быстродействующая защита (БЗ) останавливают процесс разрушения обмоток трансформатора. На мощном испытательном стенде (МИС) в г. Тольятти за период 1983-1994 гг. было испытано в различных режимах около 30 силовых трансформаторов и реакторов. Натурные испытания на стойкость токам КЗ позволяют выявить в головном образце трансформатора (реактора) слабые места в конструкции, внести изменения в конструкцию его обмоток по результатам испытаний и разборки на заводе-изготовителе, пустить в серийное производство.

Большой ущерб от выхода из строя мощных силовых трансформаторов делает целесообразным значительное вложение средств в расширение объема работ по неразрушающему контролю и диагностике состояния трансформаторов вместо затрат на ремонт и восстановление поврежденных электроаппаратов. По мере развития методов обнаружения повреждений и дефектов большое распространение получают методы непрерывного контроля параметров силовых трансформаторов под рабочим напряжением. К ним можно отнести контроль величины tg д изоляции вводов силовых трансформаторов, 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 силовых трансформаторов, различные автоматизированные системы мониторинга состояния силовых трансформаторов под рабочим напряжением и другие методы. Метод тепловизионного контроля с помощью средств инфракрасной диагностики может также принести много полезной информации для оценки состояния внешних элементов силовых трансформаторов (высоковольтных вводов, разрядников и ОПН, системы охлаждения и т.д.), но является в значительной мере косвенным инструментом, не дающим полной картины состояния активной части, скрывающейся под толщей стенок бака трансформатора и большого объема трансформаторного масла.

Тем не менее вышеперечисленные методы оказываются не совсем эффективными в случае возникновения остаточных деформаций обмоток силовых трансформаторов при коротких замыканиях (КЗ), которые происходят практически мгновенно, не оставляя времени на анализ результатов диагностических измерений, и требуют как можно быстрого отключения с целью предотвращения или уменьшения масштабов будущего ремонта. В данной статье рассматривается метод оценки состояния обмоток силовых трансформаторов по величине параметра сопротивления КЗ (или индуктивности L, так как это - взаимосвязанные параметры) как наиболее чувствительного к появлению деформаций обмоток в результате КЗ.

Информационно-измерительные системы (ИИС) для контроля параметров силовых трансформаторов, созданные на базе этого метода, могут быть использованы для оперативного контроля за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов в ходе опытов КЗ и в процессе эксплуатации без отключения от сети. Упомянутые ИИС необходимо использовать в “связке” с быстродействующими защитами (БЗ) от режимов, возникающих в результате по-158

явления остаточных деформаций и повреждений в обмотках силовых трансформаторов вследствие КЗ, действие которой основано на изменении параметров обмоток от электродинамических усилий в них. Схема системы защиты и мониторинга, являющаяся разновидностью ИИС для контроля состояния обмоток трансформаторов в процессе эксплуатации без отключения от сети в режиме “on-line”, изображена на рис. 1 [1,2,3]. Ранее в работах [4, 5, 6] также рассматривались различные способы контроля деформаций обмоток силовых трансформаторов. Опытные работы по принципу, аналогичному упомянутым ИИС, проводились в ОАО “НИЦ ВВА”, г. Москва.

Алгоритм работы ИИС следующий. Непрерывный контроль состояния обмоток силового трансформатора обеспечивается постоянным определением значения отклонения индуктивности от базового значения индуктивности, которое берется из блока уставки индуктивности.

Во время работы трехфазного контролируемого силового трансформатора (Т) 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 ко вторичному значение первичного напряжения

°'=1Г- (|)

Л.'р

где Кт - известное заданное значение коэффициента трансформации силового трансформатора.

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

ли=ii i~U21 (2)

где t/j - значение вторичного напряжения, измененное преобразователями ТН2.

В блоке вычисления среднего значения напряжения расчет производится на заданном интервале времени:

= ' -2...... (3)

где Uj - значения разности приведенных напряжений на трансформаторе;

/] и t2 - временные границы интервала разбиения.

В блоке вычисления производной тока рассчитывается приращение по току на заданном интервале времени:

diJ!dt=lj{t2) + lj{h\ (4)

h~h

где ij - значение тока во вторичной обмотке контролируемого трансформатора, измеренное преобразователями тока (трансформаторы тока ТТ).

В блоке вычисления индуктивности определяется мгновенное значение индуктивности на заданном интервале времени

Lj =-ttj77- (5)

Jhiu (dijldt)

В блоке приведения значения индуктивности к номинальной частоте вычисляется мгновенное значение индуктивности, приведенное к номинальной частоте:

L=L (6)

J J мхи Г

J HQJlt

где/ы, - измеренное преобразователем частоты значение частоты (Hz), fH0_u - номинальное значение частоты (fH0M= 50 Гц).

В следующем блоке вычисляется среднее значение индуктивности за каждый период

! = \

О)

где N - число интервалов разбиения.

Рис. I. Схема системы защиты и мониторинга, или информационно-измеритель ной системы, для контроля состояния обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации оез отключения от сети

В блоке вычисления производной тока рассчитывается приращение по току на заданном интервале времени.

В блоке вычисления отклонения производится сравнение значения /,С|) за период со значением уставки

(~ /-и_/)' 1 оо%

М =

-о./

где - среднее значение индуктивности за период:

Ьщ — значение уставки индуктивности трансформатора, определяемое расчетным путем по результатам предварительного эксперимента.

В случае возникновения начальных деформаций, а также внутреннего виткового замыкания в обмотках трансформатора происходит развивающееся увеличение либо уменьшение значения индуктивности Ь от периода к периоду, что сопровождает необратимое разрушение обмоток контролируемого силового трансформатора. При этом с блока контроля поступает сигнал на блок управления, где формируется сигнал на отключение защитного выключателя (В). ИИС и связанная с ней БЗ останавливает процесс разрушения обмоток трансформатора (рис. 1) [1, 2 , 7, 8, 9, 10, 11. 12]. Данная ИИС является перспективным направлением контроля и диагностики рабочего напряжения, но не имеет практического внедрения из-за отсутствия финансирования.

кВ и

Г° 1». о -Л о*» /"Х 0,04 /-ч. 0,18 /

-гаг- \У1 ч/ V/

-ЭОО

МГН 1_

мГн

0,1 В 0,2 1, сек

600

400

200

0

1 і \ 1

і І \ 3 !

л 1 І і 1 і і 1 Л 1

Д/ л ) и X и А Л J 1л 1/и и иі ЛД

ода

0.04

□Л36

0,0В

0,1

0.1?

0.1 4

0.16

0,1 В 0,7 і.сен.

Р и с. 2. Осциллограммы тока (я), напряжения (б), расчетная кривая изменения среднего значения индуктивности (в) и расчетная кривая изменения мгновенного значения индуктивности (с) во 2-м зачетном опыте КЗ автотрансформатора типа АОДЦТНО-167000/500/220

На основе вышеизложенного алгоритма (формулы (1-8)) была создана специальная программа для расчетов мгновенного значения индуктивности Ь в ходе электродинамических испытаний силовых трансформаторов и высокочастотных заградителей (реакторов) на стойкость

161

токам КЗ под рабочим напряжением. Программа позволяет по (7) определять среднее значение индуктивности за каждый период. Эта величина является более показательной в случае обнаружения момента повреждения обмотки (начальные деформации, витковое замыкание). Для оценки возможной эффективности работы данной ИИС были проведены расчеты мгновенного и среднего значений индуктивности Ь для случаев аварийных и ненормированных режимов (НАР) вследствие возникновения повреждений в ходе испытаний на стойкость токам КЗ на мощном испытательном стенде (МИС) НТЦ ВЭИ им. В.И. Ленина (г. Тольятти) автотрансформатора типа АОДЦТНО-167000/500/220.

При испытаниях автотрансформатора типа АОДЦТНО-167000/500/220 (производство “Запорожтрансформатор”, зав. №131134, испытания проходили в ноябре-декабре 1988 г.) во 2м зачетном опыте КЗ, т.е. опыте со 100%-ным значением ударной (апериодической) составляющей тока КЗ (согласно программе испытаний) длительностью 0,2 сек (время задавалось условиями опыта КЗ - 10 периодов тока и регулировалось высоковольтными тиристорными вентилями) произошло срабатывание газовой защиты автотрансформатора. Ревизия с поднятием бака и осмотр активной части автотрансформатора на МИС показали наличие электрического повреждения регулировочной обмотки (РО) - виткового замыкания. На рис. 2 приведены реальные осциллограммы тока, напряжения, расчетная кривая изменения среднего значения индуктивности за 10 периодов, расчетная кривая изменения мгновенного значения индуктивности во 2-м зачетном опыте КЗ. Из кривых изменения значения индуктивности на рис. 2 видно, что электрическое повреждение обмотки РО произошло в 4-м периоде тока и продолжало развиваться в оставшиеся периоды опыта КЗ.

Проведенные расчеты мгновенного и среднего значений индуктивности показывают, что применение для контроля величины индуктивности I силовых трансформаторов ИИС и связанной с ней БЗ позволило бы подать команду на отключение защитного выключателя В уже на 4-м периоде тока. С учетом работы защиты с воздушным выключателем (не менее трех периодов тока, то есть 0,06 сек, а при большем быстродействии - 0,01-0,02 сек) аварийный процесс остановился бы в районе 7-го периода тока или, при большем быстродействии, - на 5-м периоде. Таким образом, можно было уменьшить масштабы повреждения обмотки РО и затраты на ее восстановительный ремонт на заводе-изготовителе.

Выводы

1. В системе защиты и мониторинга, или информационно-измерительной системе (ИИС), рассматриваемой в данной статье, впервые предлагается использовать быстродействующую защиту (БЗ) от режимов, возникающих в результате появления остаточных деформаций и повреждений в обмотках силовых трансформаторов вследствие КЗ, действие которой основано на изменении параметров обмоток от электродинамических усилий в них.

2. Использование ИИС и БЗ позволяет в случае прохождения через трансформатор предельного для его обмотки сквозного тока КЗ подать команду на отключение защитного выключателя до получения трансформатором значительных повреждений обмоток, исключить возникновение аварийных и ненормированных режимов (НАР), пожаров вследствие выбросов и воспламенения трансформаторного масла и, соответственно, уменьшить размеры вероятного ущерба и затрат на восстановительный ремонт.

3. Учитывая определенную сложность, высокую стоимость и опасность ложного срабатывания защит на основе данных ИИС, на 1-м этапе они должны быть апробированы и использоваться на стендах электродинамических испытаний на стойкость КЗ мощных силовых трансформаторов напряжением 220-750 кВ, а уже на 2-м этапе - в процессе эксплуатации.

4. Защитный выключатель и весь комплекс защит силового трансформатора, на котором установлена ИИС, должны обладать достаточным быстродействием (не более 0,5 периода, т.е. 0,01 секунды) для своевременного отключения трансформатора в случае возникновения аварийных и ненормированных режимов (НАР).

5. Авторами данной статьи на базе материалов, полученных в ходе испытаний на стойкость токам КЗ на МИС г. Тольятти, получены уникальные результаты:

- реально зафиксированы процессы поведения обмоток силовых трансформаторов, в том числе мощных и сверхмощных (до 666 МВА), при предельных токах КЗ;

- создана специальная программа для расчетов мгновенного и среднего значения индуктивности I в ходе электродинамических испытаний силовых трансформаторов и реакторов;

ИИС и БЗ для контроля параметров и защиты обмоток силовых трансформаторов от деформаций при КЗ;

- предложена ИИС для контроля состояния обмоток трансформаторов в процессе эксплуатации без отключения от сети.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ,

1. Патент РФ №2136099; Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформации при коротких замыканиях/ А.Ю. Хренников, 1999. Бюл. изобр. №24. Юс.

2. Патент РФ №2063050. Устройство контроля и защиты трансформаторов от деформации обмоток при коротких замыканиях в процессе эксплуатации / А.И. Лурье, А.И. Шлегель, А.Ю. Хренников. 1996. Бюл. изобр. №18. 5 с.

3. Шлегель О.А,, Мелентьев B.C., Хренников А.Ю. Информационно-измерительная система (ИИС) для контроля

параметров обмоток силовых трансформаторов при коротком замыкании U Науч.-техн. конф. по электротехнике: Тез. докл. Ульяновск, 4-10 окт. 1996 г. Ульяновск. 1996. 35 с. '

4. А.С. СССР №1221620. Способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов / Ю,С. Конов, С.В. Цурпал. 1986. Бюл. изобр. №12.

5. А.С. СССР №1377778. Устройство для контроля обмоток трансформаторов ка наличие механических деформаций / Ю.С. Конов. 1988. Бюл. изобр. №8.

6. А.С. СССР №1644050. Способ контроля деформаций обмоток силовых трансформаторов / Ю.С. Конов,

B.В. Котиков, А.В. Малышев. 1991. Бюл. изобр. №15.

7. Хренников А.Ю,, Шлегель О.А., Мелентьев B.C. Информационно-измерительная система для контроля параметров обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации // Электротехника-2010 год. Наука, производство, рынок: Докл. на 4-м Междунар. симпоз. Москва, май 1997. Т. 2. М.. 1997. С. 44-49.

8. Хренников А.Ю., Шлегель О.А., Мелентьев B.C., Бажина И.С. Информационно-измерительная система для контроля параметров обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации / СамГТУ, 1997. Деп. В ВИНИТИ 21.02.97. №567-В97.

9. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Определение закона распределения погрешности измерения индуктивного сопротивления КЗ при электродинамических испытаниях силовых трансформаторов // Электричество. 1998. №5.

C. 10-15.

10. Лурье А.И., Шлегель О.А. Измерение отклонения индуктивного сопротивления при электродинамических испытаниях силовых трансформаторов//Электротехника. 1991. №12. С. 35.

! 1. Непрерывный контроль и комплексная диагностика повреждений силовых трансформаторов (реакторов): Отчет о НИР. Руководитель А.Ю, Хренников. № ГР 01.9.60003423. Инв. № 02.9.80000680. ВИНИТИ . 1997. 46 с.

12. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Информационно-измерительные системы для контроля сопротивления КЗ силовых трансформаторов и реакторов И Электротехника-2010 год. Перспективные виды электротехнического оборудования для передачи и распределения электроэнергии: Докл. на 7-м Междунар. симпоз. Москва, май 2003. М., 1997.

13. Хренников А. Ю., Шлегель О.А. Контроль изменения индуктивного сопротивления трансформатора для определения повреждений в обмотках // Энергетик. №2. 2004.

Статья поступила в редакцию 14 сентября 2007 г.

УДК 621.315.66 Н.А. Шергунова

ПРОПИТАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ ОПОРЫ - ИДЕАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Статья посвящена проблемам выбора материала опор воздушных линий (ВЛ) и разработке теоретических основ расчета электрофизических свойств пропитанных деревянных конструкций в зависимости от влияющих на них факторов.

В последнее время в России на воздушных линиях электропередачи 0,4 и 6(10) кВ происходит замена голых проводов на самонесущие изолированные и защищенные провода, в связи с чем возникает масштабная проблема, обусловленная необходимостью замены устаревших опор. На железных дорогах России эксплуатируется более 1,4 миллионов различных типов опор контактной сети, из которых около 90% составляют железобетонные. По данным [1], в 1996 г. на них приходилось до 10% всех повреждений контактной сети, Опоры составляют значительную долю в стоимости всех подсистем контактной сети. Однако со временем наступает старение бетона и арматуры опор, в связи с чем на действующих участках железных дорог в среднем ежегодно заменяется 5,1 тыс. таких конструкций. Одновременно с этим