Способ диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов
Владельцы патента RU 2446406:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вологодский государственный технический университет" (ВоГТУ) (RU)
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для диагностики трехобмоточного трансформатора. Технический результат: повышение точности оценки состояния трехобмоточного трансформатора. Сущность: при нормальном и (или) аварийном режиме работы трехобмоточного трансформатора регистрируют фазные или линейные напряжения и токи в трех различных нагрузочных режимах. Выделяют первую гармоническую составляющую зарегистрированных токов и напряжений обмоток. Определяют симметричные составляющие полученных токов и напряжений. С помощью полученных значений путем решения систем уравнений состояния силового трансформатора, составленных на основе схемы замещения, в которой учитывают сопротивление ветви намагничивания, определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток. По отклонению полученных параметров от эталонных судят о техническом состоянии трансформатора. При этом определяют сопротивление ветви намагничивания. 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов.
Известны способы диагностики силовых трансформаторов по данным опыта холостого хода и короткого замыкания. Диагностическими параметрами при этом являются: ток I0 холостого хода; потери P0 холостого хода; сопротивление ZK короткого замыкания и численно равное ему сопротивление прямой Z1 (обратной Z2) последовательности трансформатора ZK=Z1=Z2; потери PK короткого замыкания. По отклонениям указанных диагностических параметров от их эталонных значений оценивают техническое состояние трансформатора [1].
Общим недостатком этих способов является необходимость отключения трансформатора от сети, что весьма неэкономично.
Необходимость снижения количества отключений трансформаторов при сохранении контроля над указанными диагностическими параметрами требует разработки способов их определения непосредственно при работе под нагрузкой.
Существует способ, согласно которому в различные моменты времени измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов каждой из обмоток и по измеренным значениям определяют сопротивление ZK и потери PK короткого замыкания, ток I0 и потери P0 холостого хода. По превышению указанных значений судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора [2].
Однако данный способ является недостаточно точным, так как не позволяет измерять параметры режимов синхронно, не учитывает возможное наличие гармоник в измерительных сигналах, работу трансформатора в переходных и несимметричных режимах работы, а также не позволяет определять активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток трансформатора.
Существует способ, согласно которому измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в двух различных нагрузочных режимах, по измеренным значениям путем решения уравнений состояния силового трансформатора, составленным на основе схемы замещения трансформатора, определяют сопротивление ZK и потери PK короткого замыкания, ток I0 и потери P0 холостого хода и по превышению значений ZK, PK, I0, P0 над соответствующими эталонными значениями судят о техническом состоянии и работоспособности трансформатора. Определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток и по полученным значениям сопротивлений уточняют техническое состояние витковой изоляции и состояние токоведущих частей обмоток [3].
Однако, так как согласно этому способу измерения проводят в двух различных нагрузочных режимах с двух сторон трансформатора и, соответственно, составляют матрицу узловых проводимостей второго порядка, то этот способ неприменим для диагностики трехобмоточного силового трансформатора. В [4] показано применение данного способа к диагностике трехобмоточного силового трансформатора, составлена матрица узловых проводимостей третьего порядка, на основе которой по измерениям двух различных нагрузочных режимов находят искомые величины, однако получаемая система уравнений является несовместной по методу Кронекера-Капелли и, соответственно, не может служить для определения параметров трехобмоточного силового трансформатора. Также в предлагаемой схеме замещения не учтено сопротивление ветви намагничивания.
Цель предлагаемого изобретения - это повышение точности оценки состояния трехобмоточного трансформатора по параметрам нормального и (или) аварийного режима работы трехобмоточного трансформатора путем контроля ряда важнейших диагностических показателей трансформатора без отключения его от сети. Способ заключается в том, что измеряют величины (фазные или линейные) и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в трех различных нагрузочных режимах, по измеренным значениям путем решения систем уравнений состояния силового трансформатора, независимым друг от друга, составленным на основе схемы замещения трансформатора, в которой учитывают сопротивление ветви намагничивания, определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток и ветви намагничивания для диагностики технического состояния витковой изоляции и состояния токоведущих частей обмоток, и по отклонению полученных параметров от эталонных судят о техническом состоянии трансформатора.
Определяют диагностические параметры с повышенной точностью, так как все измерения для одного режима производятся синхронно, снижаются погрешности от наличия гармоник в измерительных сигналах и несимметрии режимов работы трансформатора.
Способ может быть реализован следующим образом: измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в трех различных нагрузочных режимах, по измеренным значениям путем решения систем уравнений состояния силового трехобмоточного трансформатора, составленным на основе схемы замещения трехобмоточного трансформатора с учетом сопротивления ветви намагничивания, определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток и по полученным значениям сопротивлений уточняют техническое состояние витковой изоляции и состояние токоведущих частей обмоток.
На фиг.1 изображена электрическая схема измерительной цепи, реализующая способ. На фиг.2 изображена схема замещения силового трехобмоточного трансформатора на основе узловых сопротивлений с соединением «звезда» (здесь ZB, ZH, ZC - сопротивления ветвей схемы замещения, соответственно, обмоток высшего, низшего, среднего напряжения, Zµ - сопротивление ветви намагничивания). На фиг.3 изображена схема замещения силового трехобмоточного трансформатора на основе узловых сопротивлений с соединением «треугольник».
Для реализации предложенного способа диагностики трансформаторов может быть использована измерительная цепь, электрическая схема которой изображена на фиг.1.
Измерительная цепь содержит первый 1, второй 2 и третий 3 трансформаторы тока, первый 4, второй 5 и третий 6 трансформаторы напряжения, шины 7, 8 и 9 высшего, среднего и низшего напряжений соответственно для подключения обмоток контролируемого трехобмоточного трансформатора 10, измерительно-вычислительный комплекс 11, эквивалентную нагрузку 12, 13 и эквивалентную электрическую систему 14, причем на сторонах контролируемого трансформатора 10 установлены трансформаторы тока 1, 2 и 3, первичные обмотки трансформаторов напряжения 4, 5 и 6 подключены соответственно к шинам 7, 8 и 9, к которым присоединен контролируемый трансформатор 10, вторичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3, 4, 5 и 6 подсоединены к измерительно-вычислительному комплексу 11, эквивалентная нагрузка 12, 13 подключена к шинам 8 и 9 среднего и низшего напряжений, эквивалентная электрическая система 14 подключена к шине 7 высшего напряжения.
В качестве измерительно-вычислительного комплекса может быть использован цифровой регистратор аварийных процессов, имеющий функции измерения не менее 6 сигналов (3 фазных тока и 3 фазных напряжения) с каждой стороны трехобмоточного трансформатора либо 5 сигналов (3 фазных тока и 2 линейных напряжения) с каждой стороны трехобмоточного трансформатора, регистрации осциллограмм токов и напряжений.
Измеряют одновременно сигналы фазных токов и напряжений всех обмоток трансформатора. Регистрируют измеренные токи и напряжения в виде цифровых осциллограмм, выделяют основные гармоники напряжений ,
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, и токов 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Также можно измерять сигналы линейных напряжений обмоток трансформатора: 
, 
, 
, 
, 
, 
и фазных токов , , 
, , , , . Либо эквивалентный достаточный набор. Здесь 
, 
- фазные токи и напряжения обмоток (k - номер режима; i - буква индекса, обозначающая сторону трансформатора; t - буква индекса, обозначающая фазу), 
- линейное напряжение обмоток (здесь k=1; 2; 3 - номер режима; i - буква индекса, обозначающая сторону трансформатора; 
- буквы индекса, обозначающие фазы).
В реальных условиях эти сигналы, как правило, содержат ряд составляющих с частотой, отличной от основной. Корректные результаты вычислений сопротивлений можно получить лишь при синусоидальных входных сигналах с частотой основной гармоники. Поэтому предварительно необходимо выделить основные гармоники сигналов и использовать их при вычислении параметров трансформаторов.
В силу того что почти всегда режим трансформатора несимметричен (неравномерная нагрузка, различные коэффициенты трансформации по фазам и т.п.), для измеренных величин применим метод симметричных составляющих.
По методу симметричных составляющих определяют значения токов 
и напряжений 
прямой последовательности (k=1; 2; 3 - номер режима; i - буква индекса, обозначающая сторону трансформатора) на стороне высшего напряжения:
на стороне среднего напряжения:
на стороне низшего напряжения:
где а - оператор поворота векторов на 120 градусов по направлению против часовой стрелки.
В случае измерения линейных напряжений можно воспользоваться системой:
Из которой можно определить необходимые фазные напряжения. Использование в качестве входных сигналов двух линейных напряжений вместо трех фазных минимизирует количество сигналов.
Цикл измерений и вычислений повторяют при других режимах (нормальном или аварийном) работы трехобмоточного трансформатора и находят: 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Схему на фиг.2 преобразуют в схему на фиг.3 путем эквивалентного преобразования «звезда-треугольник», в чем есть необходимость, так как на схеме фиг.2 имеется точка О, значения напряжения и тока в которой невозможно измерить, в то же время схема на фиг.3 исключает эту точку. Также на схеме фиг.3 параллельные ветви сопротивлений Zµ и ZB-O заменены ветвью Zm.
Для составления систем уравнений по фиг.3 осуществляют замену узловых сопротивлений узловыми проводимостями:
Вычисляют значения узловых проводимостей по трем системам уравнений:
Находят значения сопротивлений ZB-C, ZB-H, ZC-H, ZB-0, Zµ, ZC-0, ZH-0 по полученным значениям узловых проводимостей.
Уравнения систем (1), (2), (3) нельзя объединить в одну систему, так как она будет несовместна согласно методу Кронекера-Капелли.
Полученные таким образом значения сопротивлений обмоток трехобмоточного трансформатора сравнивают с эталонными значениями, по отклонениям значений от эталонных судят о наличии дефекта, а при недопустимых отклонениях показателей от эталонных принимают решение об отключении трансформатора от питающей сети.
Таким образом, реализация данного способа диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов позволяет точно оценить техническое состояние элементов трансформатора благодаря непрерывности их контроля, а также получить более точные значения параметров схемы замещения для расчета токов короткого замыкания, необходимые при расчете уставок релейной защиты и автоматики. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, снижении эксплуатационных затрат за счет сокращения продолжительности отключений трансформатора для ревизий, повышении надежности электрической сети в целом и снижении вероятности внезапных аварий.
Источники информации
1. ГОСТ 3484 - 77. Трансформаторы силовые. Методы испытаний. - М.: Изд-во стандартов.
2. Патент РФ 2069371, кл. G01R 35/02, 1996.
3. Патент РФ 2237254 С1, 7 G01R 31/02, H 02 H 7/04.
4. Алюнов А.Н. Идентификация параметров схем замещения электрических систем по данным регистраторов аварийных процессов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - С-Пб.: СПбГТУ, 2004., 266 с.
Способ диагностики силовых трехобмоточных трансформаторов, заключающийся в том, что измеряют величины и фазовые углы напряжений и токов всех обмоток трансформатора в различных нагрузочных режимах, выделяют первую гармоническую составляющую зарегистрированных токов и напряжений обмоток, определяют симметричные составляющие полученных токов и напряжений, с помощью полученных значений путем решения систем уравнений состояния силового трансформатора, составленных на основе схемы замещения трансформатора, в которой учитывают сопротивление ветви намагничивания, определяют активные и индуктивные сопротивления каждой из обмоток для диагностики технического состояния витковой изоляции и состояния токоведущих частей обмоток и по отклонению полученных параметров от эталонных судят о техническом состоянии трансформатора, отличающийся тем, что при нормальном и (или) аварийном режиме работы трехобмоточного трансформатора регистрируют фазные или линейные напряжения и токи в трех различных нагрузочных режимах, в схеме замещения трехобмоточного силового трансформатора учитывают и определяют сопротивление ветви намагничивания.
