CC BY
124
УДК 621.314.221/.212
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ СИЛОВЫХ МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Д.И. ЗАЛИЗНЫЙ, Д.М. ЛОСЬ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого»,
Республика Беларусь
1. Введение
Силовые трансформаторы - это один из основных элементов системы электроснабжения. В процессе эксплуатации они должны быть надежно защищены от недопустимых аварийных перегрузок.
Как известно, аварийный режим силового трансформатора определяется максимально допустимыми значениями его основных тепловых параметров. Согласно ГОСТ 14209 - 85 [1] и МЭК 354 [2], к основным тепловым параметрам силовых масляных трансформаторов относят температуру наиболее нагретой точки (ННТ) обмотки, температуру ННТ масла и тепловой износ витковой изоляции. Но на сегодняшний день контролируется только один из этих параметров - температура верхних слоев масла в баке трансформатора. Контроль осуществляется с помощью специальных термометров, например манометрических типа ТКП-160, входящих в комплект к трансформатору. На основе данных термометров построена тепловая защита трансформаторов. Остальные тепловые параметры -температура ННТ обмотки, и тепловой износ изоляции фактически не контролируются. Это связано с тем, что технически очень сложно непосредственно измерять температуру обмотки, так как она находится под высоким напряжением и покрыта изоляцией. Имеющиеся отечественные и зарубежные разработки устройств, осуществляющих непосредственный контроль температуры обмотки [3], не нашли широкого применения из-за их высокой стоимости и специальных требований, предъявляемых к датчикам.
Альтернативой непосредственному измерению температуры обмотки является косвенный метод. Это так называемый метод тепловых моделей [4]. Суть метода состоит в том, что измерение температуры ННТ обмотки производится косвенно с использованием в вычислительном блоке устройства алгоритма, в основе которого лежит математическая тепловая модель силового трансформатора. Имеющиеся отечественные разработки подобных устройств [5] также не нашли широкого применения из-за их низкой надежности.
В данной статье рассмотрено разработанное авторами усовершенствованное устройство для тепловой защиты силовых масляных трансформаторов.
2. Функциональная схема устройства
Для разработки функциональной схемы предлагаемого устройства авторам данной статьи потребовалось провести ряд физико-математических исследований тепловых процессов в силовых масляных трансформаторах [6]. В частности, была рассмотрена математическая модель масляных трансформаторов, принятая в ГОСТ 14209-85 и МЭК 354. Оказалось, что разработчики этих нормативных документов для вывода расчетных соотношений существенно упростили более общую математическую модель, где масляный трансформатор рассматривается как система из трех однородных тел: обмотки, масла и магнитопровода [4]. Такая модель описывается системой из трех дифференциальных уравнений, решением которой являются временные зависимости температур обмотки, масла и магнитопровода. Каждая из полученных зависимостей представляет собой сумму из трех экспоненциальных составляющих.
Расчетные соотношения для температуры ННТ обмотки и масла выглядят следующим образом [6]:
в„, а)
к-
вм а) = і
Кн2 • 3ннт.к + (3ннт.н.к ~ Кн2 ' 3ннт.к ) ' ЄХр
V Тк J
+ 3 + в (і);
хх.ннт охл\
к=1
Кн2 • 3м.к + (3м.н.к - Кн2 • 3м.к ) • ехр
V Тк J
(1)
+ 3 + в (і)
хх. м охл У у
где вннт(і), вм(і) - временные зависимости, соответственно, температуры ННТ обмотки и
й й К S
температуры масла; к - номер экспоненциальном составляющей; Кн =----------------------
Sном
коэффициент нагрузки трансформатора; S - текущая мощность нагрузки трансформатора; Sном - номинальная мощность трансформатора; 3хх.ннт, 3хх.м - соответственно, превышения температур ННТ обмотки и масла над температурой охлаждающей среды трансформатора на холостом ходу; 3ннт.н.к, 3м.н.к - соответственно, начальные значения экспоненциальных составляющих температур ННТ обмотки и масла; 3ннт.к, 3м.к - соответственно,
установившиеся значения экспоненциальных составляющих температур ННТ обмотки и масла трансформатора при номинальной нагрузке; Тк - тепловые постоянные времени; вохл(і) - временная зависимость температуры охлаждающей среды.
Величины 3хх.ннт, 3хх.м, 3ннт.к, 3м.к, Тк - рассчитаны, исходя из паспортных данных трансформатора [6].
Функциональная схема предлагаемого устройства разработана на основе соотношений (1) и изображена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема устройства тепловой защиты силовых масляных трансформаторов
Данная функциональная схема представляет собой измерительный модуль с функциональными преобразователями, работающими в соответствии с соотношениями (1). Рассмотрим принцип работы схемы.
Напряжение с выхода датчика тока нагрузки 1, пропорциональное току нагрузки силового трансформатора, через выпрямитель 2 подается на квадратор 3. Напряжение на выходе квадратора пропорционально квадрату коэффициента нагрузки силового
2
3
7
трансформатора Кн 2. Полученный сигнал подается на входы инерционных реально-
интегрирующих звеньев 4-6, каждое из которых имеет следующую передаточную функцию:
3 • 5
Wk (р) = ннт-к ,
1 + Р-*к
где 5 - эквивалентная крутизна системы (В/°С).
Как известно, реакцией реально-интегрирующего звена на скачкообразное изменение входного сигнала является экспонента. Так как реальная нагрузка трансформатора меняется скачкообразно, то звенья 4-6 реализуют экспоненциальные составляющие в соотношениях (1).
Далее, в соответствии с соотношениями (1), сигналы с выходов инерционных звеньев 4-6 складываются на сумматоре 8ш\. Затем на сумматоре 5т2 к полученному результату прибавляется напряжение, пропорциональное величине 3ххннт, сформированное с помощью источника опорного напряжения (ИОН) 7; а также прибавляется напряжение, пропорциональное температуре охлаждающей среды вохл(Р). Температура охлаждающей среды измеряется с помощью датчика, выполненного на основе терморезистора и преобразователя температура - напряжение (ПТН) 11.
После этого сигнал с выхода сумматора 5т2, пропорциональный температуре вннт({), поступает на устройство индикации (УИ) 12, отображающее текущие значения температур, и на релейное устройство 13, включающее компаратор и реле, и срабатывающее при достижении температур ННТ обмотки и масла критических значений. Таким образом устройство определяет температуру ННТ обмотки трансформатора.
Температура ННТ масла вм(1) определяется аналогично на сумматорах 5т3 и 5т4, только сигналы с выходов инерционных звеньев 4-6 снимаются через масштабные усилители 8-10 с коэффициентами передачи, соответственно, а1, а2, а3, которые равны:
а1 = 3мА ; а2 = 3м2 ; а3 = 3м 3 .
1 3 3 3
ннт.1 ннт.2 ннт.3
Кроме того, при определении 6М(0, учитывается, что [6]:
3 = 3
хх.ннт хх. м'
3. Принцип работы реально-интегрирующих звеньев с большими постоянными времени
Главными элементами рассмотренной функциональной схемы рис. 1 являются реально-интегрирующие звенья 4-6. Их работа заключает в себе ряд особенностей, так как тепловые постоянные времени трансформаторов тк - величины достаточно большие [6]. Для трансформаторов ТМ250 - ТМ2500 минимальные их значения (т\) находятся в пределе восьми минут, а максимальные (г3) - могут достигать четырех часов и более.
Для реализации инерционного звена с большой постоянной времени была разработана функциональная схема, изображенная на рис. 2.
ивх Я і
Q
У.
і і
DA
ивых
Сі
С2
Г
ТМ
Рис. 2. Функциональная схема инерционного звена с большой постоянной времени
Инерционное звено с большой постоянной времени работает подобно устройству выборки - хранения. В момент выборки электронный ключ Q замкнут, и, поскольку в данной схеме емкость конденсатора С1 намного меньше емкости С2, то конденсатор С2 заряжается по экспоненте с постоянной времени т, равной:
Процесс выборки протекает в течение времени Т. Затем ключ Q размыкается и схема переходит в режим хранения. Напряжение хранится на конденсаторе С2 в течение времени хранения іх, которое в N раз больше времени выборки:
При очередном замыкании ключа Q процесс заряда или разряда конденсатора С2 должен начаться с того же значения, что и закончился в предыдущий момент выборки и протекать также по экспоненте. Для достижения данного условия в схему введен конденсатор С1, емкость которого намного меньше емкости С2. Конденсатор С1 - это своеобразный демпфер переходного процесса в момент выборки. При коммутации напряжений, имеющихся на С1 и С2, выполняется принцип емкостного делителя, и результирующее напряжение фактически мгновенно становится равным напряжению, хранившемуся на С2, поскольку его емкость намного больше.
Ключом Q управляют генератор импульсов ГИ, частота которого равна:
С генератора частота поступает на таймер ТМ, представляющий собой двоичный счетчик с импульсным выходом переполнения, с которого снимается управляющий сигнал для ключа Кл. Причем N - это число импульсов, подсчитанное счетчиком.
Таким образом реализуется «растяжка» экспоненты во времени. Полученный ступенчатый сигнал можно заменить экспонентой, соединив точки в моменты начала выборки. Погрешность от такой замены мала, так как ^ намного больше Т. Постоянная времени полученной «растянутой» экспоненты будет равна:
тр = N■ т = N■R1 -С2.
При N = 512 легко получить тр = 4 часа.
Выходной сигнал снимается с повторителя DA, который имеет высокое входное сопротивление. Погрешность работы схемы не превышает 5 %.
іх = N■T.
4. Выводы
1. Разработанное устройство по сравнению с приборами-аналогами имеет такие преимущества, как низкая стоимость (не более 100 у.е.), максимальная безопасность эксплуатации, расширенные функциональные возможности.
2. Функциональная схема рис. 1 универсальна, и на ее основе может быть создано программное обеспечение при реализации рассмотренного устройства на микроЭВМ.
3. Внедрение данного устройства в эксплуатацию позволит максимально эффективно использовать по мощности силовые масляные трансформаторы и защищать их от недопустимых аварийных перегрузок.
4. Разработанное устройство может быть использовано при контроле теплового износа изоляции трансформаторов.
Литература
1. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки. - М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1987.
2. IEC loading gruide for oil immersed power transformers. IEC Revision of Publication 354, draft 2, 1991.
3. Трансформаторы. Перенапряжения и координация изоляции: Переводы докладов международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ-84) /Под ред. С.Д. Лизунова. - М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Боднар В.В. Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов. - М.: Энергоатомиздат, 1983.
5. А. с. 1785583 СССР, МКИ Н02Н7/04. Устройство для защиты силового трансформатора от перегрузки /Я. К. Розенкрон. - Опубл. в Б. И., № 48, 1992.
6. Зализный Д.И. Использование тепловой модели для теоретических исследований тепловых процессов в масляных трансформаторах 10/0,4 КВ //Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. - 2001. - № 3-4.
Получено 11.10.2002 г.
