CC BY
47
Е.С. Павлова
математическое моделирование технических .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Введение в математическое моделирование: Учебное пособие; под ред. П.В. Трусова. % М.: Логос, 2005 - 440с.
2. Зарубин В.С., Математическое моделирование в технике: ученик для вузов - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 496с.
3. Палфёрова, С.Ш. Математические модели в преподавании экономических дисциплин / Ярыгин А.Н., Палферова С.Ш. // Вектор науки ТГУ. 2009. № 7 (10).
4. Иванов О.И., Палфёрова С.Ш. Тенденции фун-даментализации образования в эпоху информационных технологий // Вестник Костромского государственного университета им. Н.А. Некрасова. 2004. Т. 9. № 6. С. 7-12.
5. Палфёрова С.Ш., Иванов О.И., Бабенко Н.Г. Экономико-статистические методы в прогнозировании // Наука и современность. 2010. № 5-2. С. 349-355.
6. Самарский, А. А., Михайлов А.П., Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. - 2-е изд., испр.- М.: Физматлит, 2001.
MATHEMATICAL MODELING TECHNICAL OBJECT
© 2014
E.S. Pavlova, candidate of pedagogical sciences associate professor of the chair "Higher mathematics and mathematical modelling"
Togliatti State University, Togliatti (Russia)
Annotation: The Primary task technical university at present is preparation specialist, capable to realize the complex approach to decision of the complex technical problems. This promotes the decision an межпредметных problems with use of mathematical modeling. Mathematical modeling technical object consists of several stages: building to the most mathematical model; check to mathematical model; use to mathematical model at analysis and syntheses different object.
Keywords: Mathematical modeling, mathematical model, building математичкой to models, check to mathematical model.
УДК621.314.222.6
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗРАСХОДОВАННОГО СРОКА СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
© 2014
А. С. Серебряков, доктор технических наук, профессор кафедры «Электрификация и автоматизация» Д. А. Семенов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация»
Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Княгинино (Россия)
Аннотация: Предложено устройство для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции по температурному параметру, с помощью которого в реальном режиме времени можно отслеживать состояние трансформатора без его отключения от начала эксплуатации до предельного значения, что позволит предупредить внезапные отказы и тем самым повысить качество электроснабжения. Принцип действия устройства заключается в определение наиболее нагретой точки изоляции (ННТ) по методуМонтзингера. Суть метода состоит в том, что при рабочей температуре трансформатора 98 °С изоляция сможет работать в течение всего полного срока службы, который принимается равным 30 годам, а в случаи повышения температуры на 6 °С ресурс изоляции уменьшается в два раза, и становится равным 15-ти годам. И наоборот приснижении температуры наиболее нагретой точкитрансфор-матора на 6 °С ресурс изоляции увеличивается в два раза, и становится равным 60-ти годам. С каждым увеличением температуры на 6°Сотносительная скорость старения изоляции трансформаторов удваивается. При температуре меньше80 °С тепловое старение изоляции пренебрежительно мало.Соответственно потеря срока службы при любой температуре наиболее нагретой точки в течение часа, дня или месяца выражается количеством отработанных нормальных часов, дней или месяцев, в течение которых температура наиболее нагретой точки равна 98 °С. Таким образом, предлагаемое устройство сможетопределить израсходованный срок службы электрической изоляции, рассчитывая в каждый интервал времени относительную скорость ее старения и изменяя реальное отработанное время в соответствии со скоростью старения на время расходования ресурса в зависимости от рабочей температуры.
Ключевые слова: главная изоляция, израсходованный ресурс, наиболее нагретая точка изоляции (ННТ), правило Монтзингера, тепловое старение изоляции, температура, трансформатор, электрическая изоляция.
На современном этапе эксплуатации энергетических систем более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами [1]. Поэтому возникает проблема внезапного их отказа, что приводит к снижению качества электроснабжения и увеличению затрат на устранение внезапных отказов. При этом более 25 % отказов приходится на долю главной изоляции. Как показывает практика, трансформаторы могут проработать намного дольше установленного срока службы или меньше, что зависит от загрузки трансфор-матора, а именно от его рабочей температуры, так как главной причиной, вызывающей старение изоляции, является высокая температура [2, 3, 4].
Чтобы своевременно выявлять развивающиеся дефекты и не допускать аварий за счет внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в процессе эксплуатации необходимо периодически проверять [5, 6]. Такие мероприятия обеспечивают поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в процессе его эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса транс-
форматорного оборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Авторами предлагается новое устройство для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции. Измерить израсходованный срок службы изоляции можно, например, с помощью счетчика времени, считающего время работы электрооборудования. Недостатком такого устройства является то, что израсходованный срок службы или ресурс службы не всегда совпадает с временем работы электрообо-рудования.
Как показано в [7], израсходованный ресурс совпадает со временем работы электрооборудования, например трансформатора, только при нормальной скорости теплового старения электрической изоляции. Нормальная относительная скорость теплового старения ^ изоляции силовых трансформаторов, равная единице, обеспечивается при температуре наиболее нагретой точки изоляции (ННТ), равной 98 °С [8]. При такой скорости теплового старения изоляция сможет работать в течение всего полного срока службы, который принимается равным 30 годам. При повышении температуры относи-
А. С. Серебряков, Д. А. Семенов устройство для измерения израсходованного ...
тельная скорость теплового старения
V
изоляции уве-
личивается, и срок службы уменьшается, а при уменьшении температуры - скорость старения уменьшается, и срок службы увеличивается. Зависимость относительной скорости теплового старения у изоляции от температуры выражается уравнением, предложенным Монтзингером, и которое называется правилом Монтзингера [7]
Ян -8 Ян -8 . (1)
V = 2 ДТ = 2 6
Здесь Ян - температура наиболее нагретой точки
изоляции в градусах цельсия, ДТ = - превышение
температуры, вызывающее увеличение скорости теплового старения в два раза, т.е. вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.
Как следует из формулы (1), относительная скорость старения изоляции трансформаторов удваивается при каждом увеличении температуры на 6°С, что показано в приведенной таблице 1.
Таблица 1 - Относительная скорость старения изоляции трансформаторов в зависимости от температуры
При температуре меньшей 80 °С тепловое старение изоляции пренебрежи-тельно мало.
Потеря срока службы при любой температуре наиболее нагретой точки в течение часа, дня или месяца выражается количеством отработанных нормальных часов, дней или месяцев, в течение которых температура наиболее нагретой точки равна 98 °С.
Например, трансформатор проработал один месяц с температурой ННТ, равной 104 °С (превышение составило 104-98 = 6 °С). Относительная скорость теплового старения изоляции У равна 2. Следовательно, израсходованный срок службы будет равен не одному месяцу, а двум месяцам работы в нормальных условиях. Трансформатор, работающий с превышением температуры ННТ на 6 °С в течение одного месяца, израсходовал такой ресурс, который он израсходовал бы за два месяца, если бы работал при нормальной температуре 98 °С. Если он постоянно будет работать с такой температурой, то срок его службы будет не 30 лет, а в два раза меньше - 15 лет, так как изоляция будет расходовать ресурс в два раза быстрее. Потеря (расход)! срока службы в течение некоторого времени t при постоянной температуре, а следовательно, при постоянной скорости старения составит Ь=vt. Если относительная скорость теплового старения меняется во времени, то потеря срока службы на интервале времени от t1 до t2 определяется по формуле
12 . (2)
Ь = | уЛ
п
Если разбить интервал времени на N интервалов, в течение которых температура наиболее нагретой точки не меняется, то формула (2) упростится, так как интеграл в этом случае можно заменить суммой
N . (3)
Ь = У V t
/ 1 п п
п=1
рой.
Таким образом, чтобы измерить израсходованный срок службы электрической изоляции, необходимо в каждый интервал времени знать относительную скорость ее старения и изменять реальное отработанное время в соответствии со скоростью старения.
Структурная схема предлагаемого устройства, приведена на рис. 1. Устройство содержит датчик измеряемой температуры 1, задатчик номинальной температуры 2, сумматор 3, нелинейный преобразователь 4, генератор линейно изменяющегося напряжения 5, нуль-компаратор 6, генератор тактовых импульсов 7, К8-триггер 8, генератор импульсов стабильной частоты 9, управляемый ключ 10, пересчетное устройство 11 и отсчетное устройство 12.
Устройство работает следующим образом. После включения устройства в работу генератор 7 тактовых импульсов, синхронизированный с реальным временем, вырабатывает через определенное заданное время, например, через каждые 2 минуты (120 секунд на рис. 2) тактовые импульсы, устанавливающие К8-триггер по входу 8 в единичное состояние. Триггер 8 включает управляемый ключ 10 и импульсы стабильной частоты поступают на вход пересчетного устройства до тех пор, пока открыт ключ 10. Одновременно с включением управляемого ключа 10 триггер 8 запускает генератор 5 линейного напряжения. Напряжение на выходе этого генератора, изменяющееся по линейному закону, подается на первый вход нуль-компаратора, который сравнивает этот сигнал с сигналом, поступившим от нелинейного преобразователя 4. Напряжение на выходе нелинейного преобразователя 4 формируется по формуле (1) в зависимости от разности температуры наиболее нагретой точки изоляции и заданной температуры (98°С или другое значение в зависимости от класса изоляции), при которой обеспечивается номинальная скорость старения изоляции, равная 1. Таким образом, если разность этих температур равна нулю, то на выходе нелинейного преобразователя сигнал будет равен единице, например, 1 В. Если разность температур равна 6 °С, то сигнал на выходе нелинейного преобразователя будет равен 2 В и т.д. Нуль-компаратор отслеживает момент времени, когда напряжение с выхода генератора 5 линейно изменяющегося напряжения станет равным напряжению на выходе нелинейного преобразователя 4. Как только эти напряжения станут равными, сигнал с выхода нуль-компаратора сбрасывает Я8-триггер 8 по входу Я в исходное состояние. Ключ 10 размыкается и сигналы на пересчетное устройство 11 больше не поступают.
10
9 11 12
К
8
в
Здесь - номер интервала с постоянной температу-
Рисунок 1 - Структурная схема устройства для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции На рис. 2 частота сигналов генератора 9 импульсов стабильной частоты для примера выбрана равной 6 Гц, то есть 6 колебаний в секунду. Напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения 5 изменяется по закону и5 = 0,6 t, Таким образом, напряжение на выходе генератора 5 будет равно 1 В через 20 с. При номинальной температуре и скорости старения у=
А. С. Серебряков, Д. А. Семенов
устройство для измерения израсходованного ..
1через 20 секунд с начала такта нуль-компаратор сбросит триггер 8. Следовательно, на пересчетное устройство импульсы будут поступать в течение 20 секунд. Общее число поступивших импульсов за 20 секунд будет равно 6 20 =120, что соответствует времени одного такта генератора 7 тактовых импульсов, равному 120 с или 2 минуты. Значит, если относительная скорость старения равна 1 (1 В), то израсходованный ресурс будет равен времени работы изоляции. Если же температура наиболее нагретой точки изоляции повысится, например, станет равной 107,5 °С, то относительная скорость старения в соответствии с формулой (1) будет равна 3 и напряжение на выходе нелинейного преобразователя будет равно 3 В. В этом случае компаратор будет срабатывать в каждом двухминутном такте через 60 секунд (рисунок 2).
V /
у у"
1 1 1
Л й 1 1 1 г t
20 40 60 80 100 120 140 с
Рисунок 2 - Временная диаграмма устройства для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции
Ключ 10 будет находиться во включенном состоянии 60 с. На вход пересчетного устройства в этом случае поступит число импульсов 660=360, равное 360с или 6 минут. Таким образом, каждые 2 минуты изоляция будет расходовать ресурс, равный 6 минутам, то есть расходование ресурса возрастает в три раза. Возможны и другие
значения частот, приведенных в качестве примера.
При разработке описываемого устройства было принято допущение, что температура наиболее нагретой точки в течение одного такта генератора тактовых импульсов не меняется. Поскольку постоянная времени обмоток силовых трансформаторов гораздо больше времени одного такта генератора тактовых импульсов, то принятое допущение не вносит заметной погрешности при определении израсходованного ресурса изоляции.
В результате с помощью предложенного устройства можно определить остаточный ресурс трансформатора в онлайн режиме и тем самым быть готовым к его своевременной замене, что повышает качество электроснабжения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеева Б. А., Когана Ф. Л., Мамиконянца Л. Г. // Объем и нормы испытаний электрооборудования.М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001. 256с.
2. ГОСТ Р 51910-2002 - Методика исследования и проверки ускоренными методами влияния внешних воздействующих факторов на долговечность и сохраняемость технических изделий.
3. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1999.
4. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки.
5. Алексеев Б. А. Продление срока службы силовых трансформаторов. Новые виды трансформаторного оборудования //СИГРЭ-2002. Электрические станции, 2003. № 7. С. 63-69.
6. Бондарева В.Н., Ершов Б. Г., Комаров В. Б., Львов М. Ю., Львов Ю. Н., Рубцов А. В. Анализ методов оценки ресурса бумажной изоляции силовых трансформаторов. // Материал IV Международная конференция «Силовые трансформаторы и системы диагностики» 23-24 июня 2009 года международная ассоциация «травэк».
7. Лизунов С.Д., Лоханина А. К.Силовые трансформаторы. Справочная книга. М.: Энергоиздат, 2004. 616 с.
8. Ершов М.С.,Максютов С. Г.Контроль температурного режима и ресурса изоляции обмоток электрооборудования в процессе эксплуатации. //Промышленная энергетика №4, 2009.С.20-22.
THE DEVICE FOR MEASUREMENT OF CONSUMED SERVICE LIFE OF ELECTRICAL INSULATION OF ELECTRICAL EQUIPMENT
© 2014
A. S. Serebryakov, doctor of technical sciences, the professor of the chair «Electrification and automation» D. A. Semenov, candidate of technical sciences, the docent of the chair «Electrification and automation»
Nizhny Novgorod State Engineering-Economic Institute, Knyaginino (Russia)
Annotation: The arrangement for measurement of the run out service life of electric isolation on temperature parameter by means of which time in an actual mode can trace a condition of the transformer without its switching-off from the beginning of operation up to limiting value that will allow to warn sudden refusals and by that to raise quality of electro supply is offered. The principle of action of an arrangement consists in definition the hottest points of isolation (NNT) on method Montzinger. The essence of a method consists that at working temperature of the transformer 98°C isolation can work during all full service life which strikes root to equal 30 years, and in cases of rise in temperature on 6°C the resource of isolation decreases twice, and becomes equal 15 years. And on the contrary at decrease in temperature the hottest points of the transformer on 6°C the resource of isolation increases twice, and becomes equal 60 years. With each increase of temperature on 6°C relative speed of ageing of isolation of transformers is doubled. At temperature less 80°C thermal ageing of isolation negligibly a little. Accordingly loss of service life at any temperature the hottest points within hour, day or month is expressed by quantity of the fulfilled normal hours, days or months during which the temperature the hottest points is equal 98°C. Thus, an offered arrangement can define the run out service life of electric isolation, counting in each interval of time relative speed of its ageing and changing actual fulfilled time in conformity with speed of ageing for the period of an expenditure of a resource depending on working temperature.
Keywords: electric isolation, spent resource, the most heated point of isolation, the rule of Montzinger, thermal ageing of isolation, transformer.
