Патент на изобретение №2339963

(54) СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора в рабочем режиме. Технический результат: повышение надежности и эффективности контроля и защиты обмоток трансформатора. Сущность: во время работы контролируемого силового трансформатора производят измерение мгновенных значений напряжения первичной обмотки, напряжения и тока вторичной обмотки. Приводят вторичные величины к первичным. Определяют разность приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток. Одновременно определяют индуктивную составляющую разности напряжений, вычитая из полученной разности напряжений произведение приведенного тока вторичной обмотки и активного сопротивления обмоток. Определяют мгновенные значения производной приведенного тока вторичной обмотки по времени. Находят мгновенные значения индуктивности обмоток как отношение мгновенных значений индуктивной составляющей разности напряжений к мгновенным значениям производной приведенного тока вторичной обмотки. Усредняют полученные значения индуктивности на периоде. Определяют мощность активных потерь в обмотках и действующее значение приведенного тока вторичной обмотки, которые используют для определения активного сопротивления обмоток. При усреднении мгновенных значений индуктивности исключают пиковые значения. Затем определяют относительные отклонения полученных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток от величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе. Далее сравнивают полученные отклонения с заранее заданной уставкой, и если хотя бы одно из этих отклонений больше заданной уставки, то делают вывод о неисправном состоянии обмоток контролируемого трансформатора и подают сигнал на его отключение. 2 табл, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора в рабочем режиме.

Известен способ контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях [Пат. РФ 2136099, МПК G01R 31/02. Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях / А.Ю.Хренников. – Заявлено 06.10.94; опубл. 27.08.99], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что во время работы контролируемого силового трансформатора производят измерение мгновенных значений напряжения первичной обмотки U_вх, напряжения U_н и тока I₂ вторичной обмотки. Вычисляют приведенное к вторичной цепи значение напряжения первичной обмотки , где K_т – известное заданное значение коэффициента трансформации силового трансформатора. Определяют разность напряжений, приведенных к вторичной цепи U₁₂=U’_вх-U_H. Вычисляют среднее значение напряжения на заданном интервале времени

где t₁ и t₂ – временные границы интервала разбиения. Вычисляют приращение по току на заданном интервале времени

где ij – значение тока во вторичной обмотке контролируемого трансформатора, измеренное трансформаторами тока. Вычисляют падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора как произведение ij·R, где ij – значение тока во вторичной обмотке контролируемого трансформатора, R – значение уставки активного сопротивления трансформатора, которое определяют или расчетами, или по результатам предварительного эксперимента. Определяют мгновенное значение индуктивности на заданном интервале времени

Вычисляют мгновенное значение индуктивности, приведенное к номинальной частоте

где f_изм – измеренное частотомером значение частоты, f_ном – номинальное значение частоты (f_ном=50 Гц). Вычисляют среднее значение индуктивности за каждый период

где N – число интервалов разбиения. Производят сравнение значения L_ср за период со значением уставки L_0j и вычисляют их отличие

где Z_cp – среднее значение индуктивности за период, L_0j – значение уставки индуктивности трансформатора, определяемое расчетами и по результатам предварительного эксперимента. В случае возникновения начальных деформаций, а также в случае внутреннего виткового замыкания в обмотках трансформатора происходит развивающееся увеличение либо уменьшение значения L от периода к периоду, что сопровождает необратимое разрушение обмоток контролируемого силового трансформатора. При этом поступает сигнал на отключение защитного выключателя. Этим останавливается процесс разрушения обмоток трансформатора.

Недостатком известного способа является то, что величину активного сопротивления обмоток трансформатора определяют либо расчетами, либо по результатам предварительного эксперимента, что приводит к неточности в определении индуктивности обмоток и не позволяет использовать активное сопротивление обмоток в качестве диагностического показателя. Этот недостаток приводят к снижению надежности и эффективности описанного способа.

Задачей изобретения является разработка более надежного и эффективного способа оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора, позволяющего контролировать активное сопротивление обмоток трансформатора непосредственно в рабочем режиме и использовать его для определения индуктивности обмоток и в качестве диагностического показателя.

Это достигается тем, что способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора в рабочем режиме, так же, как в прототипе, заключается в том, что во время работы контролируемого силового трансформатора производят измерение мгновенных значений напряжения первичной обмотки, напряжения и тока вторичной обмотки, приводят вторичные величины к первичным. Определяют разность приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток. Одновременно определяют индуктивную составляющую разности напряжений, вычитая из полученной разности напряжений произведение приведенного тока вторичной обмотки и активного сопротивления обмоток, и определяют мгновенные значения производной приведенного тока вторичной обмотки по времени. Находят мгновенные значения индуктивности обмоток как отношение мгновенных значений индуктивной составляющей разности напряжений к мгновенным значениям производной приведенного тока вторичной обмотки, усредняют полученные значения индуктивности на периоде. Согласно изобретению определяют мощность активных потерь в обмотках и действующее значение приведенного тока вторичной обмотки, которые используют для определения активного сопротивления обмоток. При усреднении мгновенных значений индуктивности исключают пиковые значения. Затем определяют относительные отклонения полученных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток от величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе. Далее сравнивают полученные отклонения с заранее заданной уставкой, и если хотя бы одно из этих отклонений больше заданной уставки, то делают вывод о неисправном состоянии обмоток контролируемого трансформатора и подают сигнал на его отключение.

Благодаря тому, что частота сети и напряжение реальных силовых трансформаторов остаются практически неизменными в различных режимах их работы, изменения индуктивности рассеяния и активных сопротивлений обмоток указывают на наличие внутренних повреждений, таких как межвитковые замыкания, деформация, снижение усилия прессовки и другие. Поэтому, определив значения индуктивности и активного сопротивления обмоток для заведомо исправного трансформатора предложенным способом, задав некоторую уставку , определенную эмпирическим путем, и сравнивая относительное отклонение текущих значений индуктивности обмоток L_ср и активного сопротивления от значений исправного трансформатора с этой уставкой, можно непрерывно контролировать состояние обмоток трансформатора. В случае необходимости будет подан сигнал на отключение трансформатора, и тем самым обеспечена защита трансформатора от развития внутренних повреждений.

Предлагаемый способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора позволяет контролировать значения индуктивности рассеяния и активного сопротивления обмоток трансформатора в рабочем режиме на каждом периоде тока и по отклонению этих параметров от значений, полученных на заведомо исправном трансформаторе, контролировать состояние обмоток трансформатора. За счет введения дополнительного параметра – активного сопротивления обмоток и учета его значения при расчете индуктивности обмоток, отбрасывания пиковых значений мгновенной индуктивности при расчете среднего значения предлагаемый способ является более точным, эффективным и надежным, чем прототип.

На фиг.1 представлена аппаратная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

На фиг.2 представлена схема измерений трансформатора в рабочем режиме.

На фиг.3 представлен график зависимости индуктивности от времени.

В табл.1 приведены исходные экспериментальные данные измерения токов и напряжений трансформатора ПОБС 5М в рабочем режиме и результаты промежуточных вычислений.

В табл.2 приведены полученные результаты.

Способ может быть осуществлен с помощью схемы (фиг.1), содержащей блок приведения 1 (БПр), блок вычисления разности 2 (БВр), блок вычисления сопротивления 3 (БВС), блок индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН), блок дифференцирования 5 (БД), блок вычисления индуктивности 6 (БВИ), блок усреднения 7 (БУср) и программатор контроля 8 (П).

Соответствующие входы блока приведения 1 (БПр) и блока вычисления разности 2 (БВр) соединены с аналого-цифровыми преобразователями (не показаны на фиг.1). Входы программатора контроля 8 (П) соединены с кнопочной клавиатурой (не показана на фиг.1). Выходы блока приведения 1 (БПр) соединены с соответствующими входами блока вычисления разности 2 (БВр), блока вычисления сопротивления 3 (БВС), блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН) и блока дифференцирования 5 (БД). Выход блока вычисления разности 2 (БВр) соединен с соответствующими входами блока вычисления сопротивления 3 (БВС) и блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН). Выход блока вычисления сопротивления 3 (БВС) соединен с соответствующими входами блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН) и программатора контроля 8 (П). Выходы блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН) и блока дифференцирования 5 (БД) соединены с соответствующим входом блока вычисления индуктивности 6 (БВИ), выход которого соединен с входом блока усреднения 7 (БУср), выход которого соединен с соответствующим входом программатора контроля 8 (П).

Блок приведения 1 (БПр), блок вычисления разности 2 (БВр), блок вычисления сопротивления 3 (БВС), блок индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН), блок дифференцирования 5 (БД), блок вычисления индуктивности 6 (БВИ), блок усреднения 7 (БУср) и программатор контроля 8 (П) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53.

В качестве примера приведен способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора ПОБС-5М в рабочем режиме при частоте f=50 Гц с количеством витков первичной обмотки W₁=380 и количеством витков вторичной обмотки W₂=62. Дискретность массивов мгновенных значений тока вторичной обмотки |i₂(t_j)|, входного напряжения |u_вх(t_j)| и выходного напряжения |u_H(t_j)|-t=0,000625 с.

При работе трансформатора в режиме, близком к номинальному, в соответствии со схемой измерений фиг.2, через измерительные преобразователи и аналого-цифровые преобразователи (не показаны) на входы блока приведения 1 (БПр) и блока вычисления разности 2 (БВр), как показано на фиг.1, подают массивы мгновенных значений тока i₂(t) и напряжений u_вх(t) и u_н(t), приведенные в таблице 1. В программатор контроля 8 (П) вводят значения активного сопротивлений R_испр и индуктивности рассеяния обмоток L_испр, определенные на заведомо исправном трансформаторе, показанные в таблице 2.

В блоке приведения 1 (БПр) массивы мгновенных значений тока вторичной обмотки и напряжений на вторичной обмотке приводят к первичной цепи по формулам

С выхода блока приведения 1 (БПр) массив мгновенных значений приведенного напряжения вторичной обмотки |u’_H(t_j)| поступает на вход блока вычисления разности 2 (БВр). В блоке вычисления разности 2 (БВр) находят разность приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора

Мгновенные значения разности напряжений на обмотках трансформатора |u₁₂(t_j)| (столбец 5 таблицы 1) поступают на вход блока вычисления сопротивления 3 (БВС) и блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН).

Одновременно мгновенные значения приведенного тока вторичной обмотки |i’₂(t_j)| c выхода блока приведения 1 (БПр) поступают на вход блока дифференцирования 5 (БД), вход блока вычисления сопротивлений 3 (БВС) и вход блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН).

В блоке вычисления сопротивления 3 (БВС) рассчитывают значение мощности активных потерь Р₁₂ в обмотках трансформатора по массивам мгновенных значений тока |i’₂(t_j)| и напряжения |u₁₂(t_j

Определяют действующее значение приведенного тока вторичной обмотки

Определяют активное сопротивление обмоток трансформатора

Значение активного сопротивления обмоток R₁₂ (таблица 2) с выхода блока вычисления сопротивления 3 (БВС) поступает на вход блока индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН) и на вход программатора контроля 8 (П).

В блоке вычисления индуктивной составляющей напряжения 4 (БИСН) находят индуктивную составляющую разности напряжений, вычитая из разности приведенных напряжений на обмотках трансформатора его активную составляющую, полученную произведением активного сопротивления обмоток на приведенный ток вторичной обмотки

Массив мгновенных значений индуктивной составляющей разности напряжений |u_L(t_j)| (столбец 6 таблицы 1) поступает на вход блока вычисления индуктивности 6 (БВИ).

В блоке дифференцирования 5 (БД) производят численное дифференцирование массива мгновенных значений приведенного тока вторичной обмотки [i’₂(t_j) | и получают массив значений производной указанного тока по времени. Для численного дифференцирования, в частности, может быть использована формула [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров – М., 1974, 832 с. Стр.696].

Массив мгновенных значений производной вторичного тока по времени

(столбец 7 таблицы 1) поступает на вход блока вычисления индуктивности 6 (БВИ).

Определенные в блоке вычисления индуктивности 6 (БВИ) мгновенные значения индуктивности обмоток трансформатора

(столбец 8 таблицы 1) поступают на вход блока усреднения 7 (БУср).

В блоке усреднения 7 (БУср) исключают пиковые значения мгновенной индуктивности |L(t_j)|, как показано на фиг.3, и рассчитывают среднее значение на периоде

(таблица 2), которое поступает на вход программатора контроля 8 (П).

В программаторе контроля 8 (П) вычисляют относительные отклонения индуктивности и активного сопротивления обмоток от значений, полученных на заведомо исправном трансформаторе, по формулам

Результаты вычисления относительных отклонений приведены в таблице 2. Далее в программаторе 8 (П) относительные отклонения L, и R₁₂ сравнивают с уставкой , которую определяют эмпирически для каждого конкретного случая. В нашем случае =5%. Так как значения L=3,45 и R₁₂=1,33 меньше , то обмотки трансформатора ПОБС 5М находятся в исправном состоянии, что подтверждается результатами остальных испытаний. Таким образом, на выходе программатора контроля 8 (П) будет сигнал об исправном состоянии обмоток трансформатора и сигнал на отключение подан не будет. В случае, если значение одного из относительных отклонений от значений для заведомо исправного трансформатора превысит значение уставки, на выходе программатора контроля будет сигнал о том, что соответствующая обмотка трансформатора находится в неисправном состоянии и будет подан сигнал на отключение трансформатора.

Формула изобретения

Способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора в рабочем режиме, заключающийся в том, что во время работы контролируемого силового трансформатора производят измерение мгновенных значений напряжения первичной обмотки, напряжения и тока вторичной обмотки, приводят вторичные величины к первичным, определяют разность приведенных напряжений первичной и вторичной обмоток, одновременно определяют индуктивную составляющую разности напряжений, вычитая из полученной разности напряжений произведение приведенного тока вторичной обмотки и активного сопротивления обмоток и определяют мгновенные значения производной приведенного тока вторичной обмотки по времени, находят мгновенные значения индуктивности обмоток, как отношение мгновенных значений индуктивной составляющей разности напряжений к мгновенным значениям производной приведенного тока вторичной обмотки, усредняют полученные значения индуктивности на периоде, отличающийся тем, что определяют мощность активных потерь в обмотках и действующее значение приведенного тока вторичной обмотки, которые используют для определения активного сопротивления обмоток, при усреднении мгновенных значений индуктивности исключают пиковые значения, затем определяют относительные отклонения полученных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток от величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе, далее сравнивают полученные отклонения с заранее заданной уставкой, и если хотя бы одно из этих отклонений больше заданной уставки, то делают вывод о неисправном состоянии обмоток контролируемого трансформатора и подают сигнал на его отключение.

РИСУНКИ