CC BY
190
УДК 621.314.222.6
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРОВ В ИНТЕРАКТИВНОМ РЕЖИМЕ
© 2015
А. А. Гузанов, студент 3-го курса кафедры «Информационные технологии и системы связи» В. Г. Крестинков, студент 4-го курса кафедры «Электрификация и автоматизация» Д. А. Семенов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация»
Нижегородский государственный инженерно-экономический университет, Княгинино (Россия)
Аннотация. На сегодняшний день энергетика уже достаточно сильно развита, но, тем не менее, проблемы есть. Одна из них состоит в том, что на современном этапе эксплуатации энергетических систем более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами. В связи с этим в современной энергетике фиксируется большое количество внезапных отказов, которые приводят к снижению качества электроэнергии, а также к повышению ее себестоимости, так как исправление внезапного отказа требует существенно большего финансирования, в отличие от запланированного ремонта [2]. Для предотвращения внезапных сбоев в работе энергосистем, необходимо контролировать множество параметров энергетического комплекса [3], одним из них является - остаточный ресурс трансформаторов. Контроль этого параметра, так же необходим для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Решением данной проблемы является устройство, измеряющее остаточный ресурс трансформаторов. На сегодняшний день одним из таких является устройство контроля качества электрической изоляции, определяющее остаточный ресурс трансформатора по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. Данная методика достаточно эффективна, но имеет ряд недостатков: требует непосредственного участия человека, не имеет возможности работы при включенном в сеть оборудовании, не имеет возможности удаленной работы, полученные данные об остаточном ресурсе действительны только на момент измерения [1]. Проанализировав работу вышеизложенного метода, разработано следующее устройство, которое позволяет измерять остаточный ресурс трансформаторов без участия человека, без отключения оборудования от сети, позволяющее наблюдать за данными в любой момент времени. Это устройство производит мониторинг остаточного ресурса по температуре наиболее нагретой точке (ННТ) трансформатора [4].
Ключевые слова: энергетика, трансформатор, остаточный ресурс, выработанный ресурс, правило Монтзингера, скорости теплового старения изоляции, наиболее нагретая точка, сопротивление изоляции.
Экономическая эффективность предприятий Были проанализированы существующие методи-
страны и ее экономика в целом напрямую зависят от ки и приборы, позволяющие производить мониторинг
качества и стоимости эксплуатируемых энергетических остаточного ресурса трансформаторов, и представлены
систем [5]. Их качество, в свою очередь, зависят от новая методика и прибор, позволяющие получать дан-
оборудования, эксплуатируемого компаниями энерго- ные с учетом недостатков их предшественников. Пре-
поставщиками. Одним из важнейших звеньев в достав- дложены варианты решения проблемы и приведены
ке энергии до потребителя являются электрические обоснования.
трансформаторы. На сегодняшний день существенная Анализ состояния современного трансформатор-часть эксплуатируемого трансформаторного оборудо- ного оборудования Нижегородской области показал, вания не выработала свой календарный ресурс но при что более 70 % выработало свой нормативный срок этом выработала свой рабочий ресурс, из-за перегру- службы, в то время как данные о технической выра-зок, перегревов и т. д., по этой причине отказы элек- ботке отсутствуют. По этой причине на сегодняшний трических трансформаторов в настоящее время в день нельзя спрогнозировать отказы и запланировать большинстве случаев непредвиденны, а следовательно, замену трансформаторов, как следствие, мы имеем пои их замена также не запланирована и выходит дороже, тери в качестве поставляемой электроэнергии, суще-чем плановый ремонт [6]. Сегодня существует методи- ственно большие затраты на исправление внезапных ка, позволяющая оценивать состояние изоляции транс- отказов, и как следствие повышение себестоимости. форматоров по ее сопротивлению, но данный способ Решением проблемы внезапных отказов, и как требует отключения трансформатора от сети при каж- следствие уменьшение затрат на исправление сбоев в дом замере и непосредственного участия человека, а работе электросети, мог бы быть счетчик времени, ко-также не имеет возможности определения часов торый бы фиксировал время работы каждого транснаибольшей нагрузки и т. д. [7].
форматора и по истечении регламентируемого ресурса подавал бы сигнал о его замене [8].
Этот способ был бы эффективен, если нагрузка трансформаторов была абсолютно неизменной на протяжении всего времени его эксплуатации и данные о его нагрузке и температуре оставались постоянными, но в современных условиях это практически невозможно, нагрузка трансформаторов и их температура меняется почти ежеминутно. Проанализировав данные
0 реальной нагрузке, приходящей на трансформатор, и данные о его температуре, можно утверждать, что выработанный и остаточный ресурсы будут различны.
Для решения вышеизложенных проблем был разработан комплекс, основная задача которого - мониторинг выработанного и остаточного ресурса трансформаторов. При использовании данного комплекса можно с высокой точностью определить остаточный срок службы трансформаторов и объективно спрогнозировать дату их выхода из строя, соответственно, заранее запланировать их замену или ремонт. На рисунке
1 представлен комплекс, измеряющий остаточный ресурс трансформаторов в режиме реального времени по температуре наиболее нагретой точки трансформатора, разработанный на базе высокотехнологичного ресурсного центра подготовки кадров в области информационных технологий и систем связи для региона.
Рисунок 1 - Комплекс, измеряющий остаточный ресурс трансформаторов в режиме реального времени по температуре наиболее нагретой точки (ННТ) трансформатора
Комплекс состоит из уникального программного обеспечения и измерительно-передающего прибора, при их совместном использовании, пользователь имеет возможность:
- определять выработанный и остаточный ресурс каждого трансформатора, имеющегося в электросети;
- определять часы наибольших нагрузок каждого трансформатора;
- обоснованно выбирать новые трансформаторы;
- обоснованно прогнозировать отказы трансформаторов, и как следствие преждевременно планировать их замену.
В основу работы комплекса взято правило Монтзингера [9], суть которого заключается в фиксации температуры ННТ и определения по ней срока службы, т. е. при рабочей температуре изоляция сможет работать в течение всего полного срока службы, а в случае повышения температуры на 6 °С ресурс изоляции сократится в два раза. Выявлено, что израсходованный ресурс совпадает со временем работы трансформатора в том случае, если скорость старения электрической изоляции - нормальна. Равенство ее единице обеспечивается в том случае, если температура наиболее нагретой точки (ННТ) трансформатора равна 98 °С, в этом случае срок службы трансформаторного оборудования равен заявленному и составляет 25-30 лет в зависимости от трансформатора. Скорость теплового старения «V» изоляции изменяется в зависимости от температуры, она возрастает с ее увеличением и соответственно уменьшается с понижением температуры масла трансформатора [10]. Зависимость скорости теплового старения «V» изоляции от температуры наиболее нагретой точки можно описать с помощью предложенной Монтзингером формулой:
Яь -98
Яь -98
V = 2 АГ = 2 6 здесь Qh - температура наиболее нагретой точки изоляции в градусах Цельсия, А Т = 6 °С - превышение температуры, вызывающее увеличение скорости теплового старения в два раза, т.е. вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.
Например, трансформатор проработал один месяц с температурой ННТ, равной 104 °С (превышение составило 104-98=6 °С). Относительная скорость теплового старения изоляции V 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.
Потеря (расход) Ь срока службы в течение некоторого времени t при постоянной температуре составит Ь = VI. Если относительная скорость теплового старения меняется во времени, то потеря срока службы на интервале времени от 11 до 12 определяется по формуле [11]:
Ь = | vdt.
Проведенные нами экспериментальные работы выявили, что применение комплекса актуально как для новых трансформаторов, так и для трансформаторов с уже имеющейся наработкой.
Работа комплекса предполагает сбор и обработку данных о температуре программой, полученных по беспроводному каналу связи от измерительно-передающих устройств, установленных на каждом интересующем нас трансформаторе [12]. Данные о температуре каждого трансформатора фиксируются и передаются один раз в минуту на интернет-сервер, не зависимо от того, подключена ли программа к серверу. Конвертация данных о температуре в данные о выработанном ресурсе происходит практически в тот же момент, как только компьютер с установленной программой будет подключен к сети Интернет и вводе логина и пароля пользователя [13]. Программа вырисовывает график температур во времени по каждому трансформатору, с помощью которых можно сделать вывод о загруженности трансформаторов.
Конструкция измерительно-передаю-щего прибора представляет собой плату на базе программируемого контроллера [14] Arduino UNO [15], накладываемого на нее GPRS шилд [16] и комплект терморезисторов, определяющих температуру, при этом программирование прибора производится через USB кабель в программной среде «С++» [17]. Сборка, программирование и монтаж прибора на трансформатор занимает около 15 минут. Имя каждого прибора может задаваться как порядковым номером, так и неким текстовым описанием, позволяющим более точно и быстро определить, данные какого трансформатора мы получаем [18].
Рисунок 2 - Сборка измерительно-передающего устройства.
Для проведения наладочных работ и ввода поправочных коэффициентов в работу программы было проведено экспериментальное опробование прибора: замерен остаточный ресурс трансформатора, имеющегося на базе Нижегородского государственного инженерно-экономического института, методом определения остаточного ресурса по напряжению саморазряда и возвратному напряжению изоляции [19], затем на трансформатор был смонтирован измерительно-передающий прибор. Спустя месяц эксплуатации трансформатора были повторно произведены замеры остаточного ресурса методом контроля качества электрической изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению. В результате экспериментальных работ была получена диаграмма температур трансформатора, по которой мы выявили часы наибольших нагрузок и получили данные, подтверждающие правильность работы комплекса.
Следует отметить, что следующим этапом экспериментальных работ будет установка на измерительно-передающий прибор дополнительного датчика, фиксирующего температуру окружающей среды, с помощью которого можно будет производить анализ влияния окружающей среды на ресурс трансформатора [20].
В результате проведеного исследования были выявлены и проанализированны проблемы современной энергетики: неспрогнозированные отказы работы трансформаторного оборудования, изучены и проанализированы имеющиеся на сегодняшний день решения проблемы: определение остаточного рессурса трансформаторов по сопротивлению изоляции, выявлены минусы имеющихся решений: требуется отключение трансформатора от сети, непосредственное участие человека, не имеет возможности мониторинга на удаленном доступе, нет возможности определения часов наибольшей нагрузки, недостаточная точность в связи с возможными перегрузками трансформатора после замеров.
В работе описан прибор, который учитывает все минусы и недостатки предшедственников, позволяющий избежать человеческого фактора. Данный прибор способен спрогназировать с очень высокой точностью последующий ремонт или замену трансформатора, следовательно повысить качество электроэнергии и снизить ее себестоимость.
Температуре: 26.00 I: 0.000244140625
Остаточный ресурс: 29:5:13:23:22 (Г:М:Д:Ч:М)
Рисунок 4 - Результаты измерений, отображаемые на дисплее ноутбука
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Серебряков А. С. Определение оставшегося ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов // Электротехника. 2013. № 6. С. 2-8.
2. Водянников В. Т. Анализ динамики роста тарифов на электрическую энергию Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования // Московский государственный агроинженерный университет им. В. П . Горячкина. 2012. № 1 (52). С. 124-127.
3. Воропай Н. И. Разработка оборудования и систем управления крупных энергетических систем // Отчет о НИР № 02.527.11. 0004 от 23.06.2008 (Министерство образования и науки РФ).
4. Васин В. П. Оценки выработанного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 2. С. 37-41.
5. Вавилова Е. В. Топливно-энергети-ческий комплекс России и его роль в позиционировании страны в системе мирового хозяйства // Вестник Российского государственного торгово-экономического университета (РГТЭУ). 2008. № 2.
6. Манусов В. З. Статистика дефектов, приведших к выходу из строя силовых трансформаторов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. С. 405-407.
7. Семенов Д. А. Результаты измерений параметров корпусной изоляции автотрансформатора класса 500 кВ // Вестник НГИЭИ. 2013. № 6 (25). С. 96-106.
8. Семенов Д. А., Серебряков А. С. Диагностика главной изоляции трансформаторов продольной линии электроснабжения железных дорог. // Электротехника. 2013. № 6. С. 2-8.
9. Серебряков А. С., Семенов Д. А. Устройство для измерения израсходованного срока службы
электрической изоляции электрооборудования // Карельский научный журнал. 2014. № 4. С. 178-180.
10. Васин В. П., Долин А. П. Оценки выработанного ресурса изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2009. № 2. С. 37-41.
11. Васин В. П., Долин А. П. Ресурс изоляции силовых маслонаполненных трансформаторов // Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2008. № 3. С. 12-17.
12. Дегтярев В. В. Комплекс локальной мобильной связи tetra быстрого развертывания (кобр) // Патент на полезную модель RUS 88890 09.04.2009
13. Касенова М. Б. Администрация адресного пространства Интернета (iana) в трансграничном механизме управления Интернетом. // Евразийский юридический журнал. 2013. № 2 (57). С. 63-67.
14. Кулаковский К. А. Оконечное оборудование пользователя для обработки данных о жилищно-коммунальных услугах. // Патент на полезную модель RUS 67708 26.12.2005.
15. Электронный конструктор arduino. [Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru /Hardware /ArduinoBoardüno (дата обращения 20.11.2014).
16. Амперика. [Электронный ресурс]. URL: http: //amperka.ru/collection/boards?page=3 (дата обращения 20.11.2014).
17. Материал из Википедии - свободной энциклопедии [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B (дата обращения 22.11.2014).
18. Амперика сенсоры. [Электронный ресурс]. URL: http: // amperka. ru /collection /sensors (дата обращения 22.11.2014).
19. Cyberleninka [Электронный ресурс]. URL: http://cyberleninka.ru/ article/n/monitoring-izolyatsii-trans formatorov-v-protsesse-kspluatatsii (дата обращения 22.11.2014).
20. Вэлта-центр [Электронный ресурс]. URL: http: // velta-c.ru / catalog / ab / transformator / (дата обращения 22.11.2014).
THE DEVICE FOR MEASUREMENT OF RESIDUAL LIFE TRANSFORMERS IN INTERACTIVE MODE
© 2015
А. А. Guzanov, the student of the third course of the chair «Informational technologies and systems of net» V. G. Krestinkov, the student of the fourth course of the chair «Electrification and automatization» D. А. Semenov, the candidate of technical sciences, the associate «Электрификация и автоматизация» Nizhniy Novgorod state engineering-economic university, Knyaginino (Russia)
Annotation. Currently, energy is already quite well developed, but nevertheless there are problems. One of them is that at the present stage of operation of energy systems for more than 70% of the main transformer equipment already exhausted their resources of time, regulated by the normative documents. In this regard, in the modern energy industry recorded a large number of sudden failures that lead to a decrease in the quality of electricity, as well as to increase its cost since the hot fix sudden failure requires significantly more funding, unlike scheduled maintenance [2]. To prevent sudden failures in power systems, it is necessary to control many parameters of the energy complex [3], one of them is - residual life of transformers. Control of this parameter is as necessary to justify the selection of priority replacement of this equipment. The solution to this problem is a device that measures the remaining life of transformers. To date, one such device is the quality control of electrical insulation, specifying the residual life of the transformer voltage and discharge return voltage. This technique is quite effective, but has several disadvantages: requires direct human intervention, nor can you work when included in network equipment, has no opportunity for remote work, data obtained on the residual resource is valid only at the time of measurement [1]. After analyzing the operations of the above method, developed following a device that allows you to measure the remaining life of transformers without human intervention, without disconnecting the equipment from the network, allowing to observe the data at any time. This device monitors the residual resource according to the temperature of the heated point (MHP) of the transformer [4].
Keywords: energy, transformer, residual life, developed the resource, the rule of Montzinger, the rate of thermal aging of the insulation, the most heated point, the insulation resistance.
