CC BY
17
Подводя итоги можно сделать вывод, что описанный МДСТ имеет множество неоспоримых и качественных достоинств и ни одного видимого недостатка.
Показанные на рисунках 1 и 2 структуры в достаточной степени формируют представление о принципах создания МДСТ, но не в полной мере отражают содержимое его отдельных устройств. Дальнейшая детализация особенностей реализации концепции построения многофункциональных модульных систем будет продолжена в последующих статьях.
Список литературы 1 Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ. пособие. - Мн.: Выш. шк., 1987.- 271 с.: ил.
2 Скляр А.В., Мережин Н.И. Основные свойства модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 4 (13) / 2015, часть 5, с. 41 - 43.
3 Скляр А.В., Мережин Н.И. Особенности построения модульных многофункциональных систем. Евразийский Союз Ученых (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал № 3 (12) / 2015, часть 5, с. 6 - 8.
4 Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. Ред. И.П. Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979.-400 с., илл.
5 Ультразвуковая дефектоскопия. 2-е изд. Вы-борнов Б.И. М.: Металлургия, 1985, 256 с.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЩИТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ЗА СЧЕТ УПРЕЖДАЮЩИХ ФУНКЦИЙ
Смирнов Игорь Николаевич
Вологодский государственный университет, г. Вологда Булычев Александр Витальевич
Д.т.н., проф., техн. директор ООО «НППБреслер», г. Чебоксары
АННОТАЦИЯ
Каждое внезапное возмущение, обусловленное повреждением трансформатора, повышает риск возникновения аварийной ситуации в электроэнергетической системе. Осевая и радиальная деформация обмоток трансформаторов оказывает существенное влияние на параметры трансформаторов, и изменение параметров может являться признаком повреждения обмоток. Разработан и исследован алгоритм работы защиты силового трансформатора с функцией упреждающего действия. Защита выявляет потенциальные повреждения на ранней стадии развития, что позволяет выигрывать достаточный запас времени для локализации повреждения трансформатора без применения экстренного отключения. Алгоритм основан на связи между степенью деформации обмоток и параметрами трансформатора, доступными для контроля средствами релейной защиты.
ANNOTATION
Each sudden disturbance caused by damage of the transformer increases the risk of emergency in the electricity system. Axial and radial deformation of transformer windings has a significant influence on the parameters of transformers, and changing parameters may be a sign of damage to the windings. Developed and researched the algorithm of the power transformer protection function pre-emptive action. Protection identifies potential damage at an early stage of development, which allows to win enough time to locate damaged transformer without the use of the emergency stop. The algorithm is based on the relationship between the degree of deformation of the windings of the transformer and the parameters available for control of relay protection.
Ключевые слова: трансформатор, деформация обмоток, релейная защита
Keywords: transformer, winding deformation, relay protection
Какими бы надежными не были трансформаторы, в них неизбежно возникают дефекты и, как следствие развития дефектов, - повреждения. Каждое внезапное возмущение, обусловленное повреждением трансформатора, повышает риск возникновения аварийной ситуации в электроэнергетической системе (ЭЭС). Желательно, чтобы система релейной защиты (в соответствии с ее основным назначением) обеспечивала мгновенное отделение поврежденного трансформатора от исправной части ЭЭС [1].
В реальных условиях для выявления повреждения и осуществления коммутаций необходим определенный интервал времени. Приблизить свойства защит, устанавливаемых на трансформаторах, к идеальным в сложившихся условиях можно путем реализации упреждающих действий релейной защиты за счет выявления потенциальных повреждений на ранней
стадии развития. При этом существенно снижается риск возникновения внезапных повреждений в трансформаторах.
Цель раннего обнаружения потенциальных повреждений состоит в том, чтобы выиграть достаточный запас времени для локализации повреждения без применения экстренного отключения. Этого можно достичь путем сбора и контроля дополнительной информации и формирования предупреждающего сигнала в случае выхода контролируемого параметра за пределы допустимых значений.
Применительно к диагностике известны частные решения подобной задачи на основе уравнений состояния силового трансформатора [2, 3].
Связь между степенью деформации обмоток и параметрами трансформатора, доступными для контроля средствами релейной защиты, определена на основе следующих рассуждений.
Деградация конструкций обмоток трансформаторов происходит, как правило, по следующему сценарию:
- возникновение осевой остаточной деформации (в том числе повреждение прессующей системы обмоток и распушение верхних витков);
- радиальные остаточные деформации;
- витковые замыкания - конечный итог потери электродинамической стойкости.
Геометрические параметры обмоток во многом определяют сопротивление короткого замыкания трансформатора, поэтому измерение и непрерывный контроль этого сопротивления в процессе эксплуатации открывает возможность осуществлять выявление деформации обмоток.
Сопротивление короткого замыкания трансформатора при проектировании и расчете параметров определяется так [4,6]:
^ 7,92- {-ю2-ж-ап - аР - кР - 10~8 ХК = --±-1 Р Р-, (1)
l
ap — aj2 +
a} + a2 3
. (2)
d}2a}2 + DCP}
a
a
3
+ D.
a
CP2
_2_ 3
p
d
(3)
12
aP — a}2 + a2 + a23 +
a} + a3
3
(3.1)
aP —-
d}3(a}2 + a2 + a2s) + DCP} -J- + DCP3 -3
_3_L, (3.1)
d}3
где d}3=DCP3+a3+a23+a2+a}2.
Коэффициент Роговского может быть рассчитан
по формуле:
kP — }
-}
-а(1 - e 7 ), (4)
где 7 —
a}2 + a, + a
}
l2
7-1
где f - частота сети, aP - ширина приведенного канала рассеяния, kp - коэффициент Роговского (коэффициент приведения идеального поля рассеяния к реальному), d}2 - диаметр осевого канала между обмотками; l - высота обмотки (осевой размер); т - количество витков.
Ширина приведенного канала рассеяния, в случае, когда радиальные размеры обмоток a} и a2 мало
отличаются друг от друга (для трансформаторов мощностью до 10 МВА), находится в соответствии со следующим выражением:
Обычно значение кР находится в пределах от 0,93 до 0,98.
В реальных трансформаторах витки не всегда распределены равномерно по высоте обмоток. При наличии регулятора напряжения в части витков обмотки нет тока. Регулировочные витки располагаются, как правило, в средней части обмотки или на конце обмотки (гораздо реже).
Анализ подобных случаев показал [4], что сопротивление обмоток в таких частных ситуациях распределения витков по высоте можно оценить так:
^ 7,92■ /-ю2-ж-Лп ■ аР ■ кР ■ 10~8 , ХК = ----1 Р Р--кп, (5)
где
kq — } +
l
l - x2
m - aP - kP
x=lx/l; lx - раз-
ница в высотах обмоток, т = 3.
Таким образом, значение сопротивления короткого замыкания трансформатора при любом исполнении однозначно связано с геометрическими параметрами его обмоток.
Сопротивление короткого замыкания ХК есть функция высоты обмотки I в случае осевой деформации и функция размера осевого канала между обмотками а12 в случае радиальной деформации внутренней обмотки по всей окружности.
Для трансформаторов мощностью более 10 МВА при определении этого параметра надо учитывать средние диаметры обмоток:
XK — f(l) , (6) XK — f(a}2) . (7)
где Dcp}, Dcp2 - средние диаметры обмоток. Для трехобмоточных трансформаторов мощностью до 10 МВА этот параметр можно определить так:
Формально чувствительность функции сопротивления короткого замыкания к изменению геометрических размеров определяется дифференциалами
ЛХК <^Хк
dl da
где а}, а2, а3 - ширина наружной, средней, внутренней обмотки соответственно; а}2, а23 - ширина каналов между соответствующими обмотками.
При мощности трехобмоточного трансформатора более 10 МВА:
12
Если принять для (1) следующие постоянные при осевом смещении обмоток
А1 = 7,92 - /-ю2-ж-йп - аР - 10~8, А^ = а12+а1 + а1
то
А,
Хк —
-1
(1 - А-(1 - е*>)) 1
Тогда
X
к
А1 • 1 - А1 • А2
1
2
. (8)
сX
к
2А1 • А2 - А1 • 1
Тз
Тогда относительное изменение сопротивления короткого замыкания при осевом смещении обмоток можно определить так:
АХк _ А12(А2 -1) + Ы(2А2 • 1 -12)
2
При реальном соотношении параметров состав-
„А2
ляющая выражения (8) е «1, и можно принять
еА = 0.
АХк* —'
X,
(1+ А1)2 • (1 - А2)
Выражение (9) применимо для однотипных трансформаторов, изготовленных по одинаковой технологии.
При определении сопротивления КЗ трансформатора по данным регистрации аварийных процессов, определен диапазон, в котором может находиться значение сопротивления (таблица 1) [5]. Здесь приняты следующие обозначения: 01 - погрешность измерения модуля тока, ви - погрешность измерения модуля напряжения, Хг - погрешность измерения аргумента тока, Хи - погрешность измерения аргумента напряжения.
Учет этого диапазона позволяет снизить вероятность возможного ошибочного вывода о состоянии обмоток, когда отклонение значения сопротивления Хк вызвано методической и инструментальной погрешностями, а не повреждением обмоток трансформатора.
Если принять, что при радиальном смещении обмоток:
-. (9)
В диапазоне реальных значений параметров чувствительность функции сопротивления короткого замыкания к изменению геометрических размеров представляет собой нелинейную функцию третьего порядка и неудобна для анализа:
С1 13
Иначе, приращение функции Хк(1), соответствующее приращению А1, можно определить как разность между базовой функцией и функцией, учитывающей приращение:
АХк — Хк(1) - Хк(1 + А1).
В
1
7,92• /•а2 пйп • 10~8-.
В2 — Щ + й2,
то
Хк — В1
3а12 + В2 (1_°12 + В2 , а12 + В2 „а12+В:
п
■ + -
п
п
е"'22).
Таблица 1
Погрешности определения сопротивления Х трансф
Номер комбинации Погрешности по току и напряжению 5Х, %
1 Отсутствуют 0
2 61 — 2%,6и — 2%,Л1 — 20,Ли — 20 5,6
3 61 — т,6и — 1%о,Л1 — 10,Хи — 10 2,8
4 61 — 0,5%, 6и — 0,5%,,Яг — 0,5°, Яи — 0,5° 1,4
5 61 — 0,2%, 6и — 0,2%, Лг — 0,2°, Ли — 0,2° 0,24
Учитывая, что
-п
а +в п
—12-2еа12+В2 « 1, можно при-
п
а12 + В2 е нять-е
п
а12 +В2 _ о
а12 + В2
) . (10)
Ак — Хк(а12) - Хк(а12 + Аа12) . Тогда для однотипных трансформаторов, изготавливаемых по единой технологии можно опреде-
лить:
Х = 3Аа122 -1 -6а12 -4В2)Аа12 . (11) * 3а212 - 3ап + 4В2ап - В2ж • 1 + В22
Установленная, таким образом, связь между геометрическими и электрическими параметрами активной части трансформатора дает основание полагать, что деформации обмоток силовых трансформаторов могут быть выявлены путем контроля отклонения электрических параметров от нормы.
Тогда, приближенно:
Хк — в, •
3 %1
Аналогично, рассуждая относительно приращения радиального размера обмотки Аа^, можно записать:
Реализация рассмотренного метода контроля степени деформации обмоток трансформатора в защите связана с определенными особенностями, обусловленными высокими требованиями к точности измерения сопротивления короткого замыкания по данным регистрации электрических сигналов. Основой алгоритма служит метод определения параметров схем замещения двухобмоточных и трехобмоточных сило-
вых трансформаторов, обеспечивающий высокую точность, особенно при больших сквозных токах в трансформаторе [5].
На рис. 1 в качестве примера показана структурная схема устройства для контроля деформации, построенного на основе контроля сопротивления короткого замыкания трансформатора. Устройство содержит датчики тока и напряжения, регистратор сигналов, блок обработки данных, пороговый элемент и блок сигнализации.
Рисунок 1. Структурная схема устройства для косвенного контроля деформации обмоток трансформатора
Входными сигналами служат токи и напряжения всех обмоток контролируемого трансформатора, преобразованные трансформаторами тока ТА и напряжения ТУ, соответственно, и входными преобразователями (в составе регистратора сигналов) в сигналы, удобные для обработки средствами цифровой техники.
При возникновении возмущения в электроэнергетической системе (например, короткого замыкания в нагрузке Н2) по команде пускового органа регистратора сигналов осуществляется запись сигналов на интервале времени, соответствующем возмущению. С запаздыванием, необходимым для подготовки этих данных к использованию, происходит пуск программы
расчета сопротивлений короткого замыкания трансформатора в блоке обработки данных (рис. 2). Определяются численные значения параметров схемы замещения трансформатора. Пороговым элементом эти значения сравниваются с предельно допустимыми значениями. В случае выхода измеренных значений за пределы допусков, блоком сигнализации формируется соответствующий сигнал о наличии в трансформаторе недопустимых деформаций обмоток. Если измеренные значения параметров не выходят за пределы допусков, то блок сигнализации подтверждает нормальное состояние трансформатора.
Рисунок 2. Схема алгоритма косвенного контроля степени деформации обмоток трансформатора в защите
трансформатора
После каждого возмущения и получения новых значений параметров схемы замещения трансформатора эти значения заносятся в базу данных и им присваивается статус текущих значений.
Выводы:
1. Установлено, что осевая и радиальная деформация обмоток трансформаторов оказывает существенное влияние на параметры трансформаторов, и изменение параметров может являться признаком повреждения обмоток.
2. Разработан и исследован алгоритм работы защиты силового трансформатора с функцией упреждающего действия. Защита выявляет потенциальные повреждения на ранней стадии развития, что позволяет выигрывать достаточный запас времени для локализации поврежденного трансформатора без применения экстренного отключения. Алгоритм основан на связи между степенью деформации обмоток и параметрами трансформатора, доступными для контроля средствами релейной защиты.
Список литературы
1. Булычев А.В., Нудельман Г.С. Релейная защита. Совершенствование за счет упреждающих функций. Новости электротехники, .№4 (58), 2009 г. с. 30-33.
2. Хренников А.Ю., Нестеренко А.А. Диагностика силовых трансформаторов. Новости электротехники, №3 (87), 2014 г.
3. Бутырин П.А., Алпатов М.Е., Алексейчик Л.В. Способ диагностики силовых трансформаторов. Патент RU 94034034 Н02Н 7/04, G01R 31/02.
4. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. Учеб. пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: «Энергия», 1976. - 544 с. с ил.
5. Смирнов И.Н., Поздеев Н.Д., Бабарушкин В.А., Алюнов А.Н. Математические аспекты определения параметров схем замещения двухобмоточных и трехобмоточных силовых трансформаторов. Электро, №1'2011. Научно-технический журнал, 2011. - стр.1822.
6. Васютинский С.Б. Расчет и проектирование трансформаторов. Учеб. пособие. Л.: ЛПИ, 1976. - 84с.
