автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Контроль параметров схем замещения однофазных трансформаторов применительно к задаче мониторинга состояния их активных частей

На правах рукописи

Панкратов Алексей Владимирович

КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ

ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧЕ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ИХ АКТИВНЫХ ЧАСТЕЙ

Специальность 05.09.01 - Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2009

003466384

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Гольдштейн Е.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Обрусник В.П. кандидат технических наук Целебровский И.В.

Ведущая организация:

Омский государственный университет путей сообшения, г. Омск

Защита состоится «6» мая 2009 г. в 15 часов на заседании совета Д212.269.11 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, д.7, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета (634004, г. Томск, ул. Белинского 53а).

Автореферат разослан «02» апреля 2009 г.

Ученый секретарь совета Д212.269.11

по защите докторских и кандидатских диссертаций,

Ю.Н. Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

В последние годы обострилась задача обеспечения надежной эксплуатации силовых трансформаторов. Это связано с ростом количества трансформаторов, выработавших свой нормативный срок эксплуатации, и снижением размеров финансирования ремонтных и испытательных работ. В большинстве случаев перебои в электроснабжении потребителей вызваны внезапными повреждениями трансформаторного оборудования, при которых ремонт или замена поврежденного трансформатора являются затратными (как по времени, так и по финансовым расходам) мероприятиями.

В то же время, существующие методы испытаний и диагностирования силовых трансформаторов, не позволяют достоверно выделить трансформаторы, в которых появление дефекта наиболее вероятно. Поэтому графики ремонтов силовых трансформаторов составляются не по результатам определения их текущего состояния, а по сроку службы.

Кроме того, внезапные отказы, вызванные быстроразвивающимися дефектами, наносят значительный ущерб трансформатору, так как релейная защита от внутренних повреждений реагирует лишь на наличие короткого замыкания или выделение газов вследствие горения дуги в баке трансформатора, и не позволяет предотвратить повреждение на ранней стадии развития дефекта.

Современный уровень науки и техники дает возможность решить указанные проблемы путем организации мониторинга состояния активной части трансформаторов, то есть непрерывного контроля параметров, позволяющих напрямую или косвенно судить о состоянии контролируемого трансформатора.

Обзор известных разработок по мониторингу состояния трансформаторов показал, что возможности использования для этой цели параметров схемы замещения, определяемых в рабочем режиме по массивам мгновенных значений токов и напряжений, используются незаслуженно мало. К тому же, метод определения параметров схемы замещения трансформатора в рабочем режиме, используется только для трехобмоточного трансформатора, одна из обмоток которого ненагружена. Ряд источников информации указывает на взаимосвязь между внутренними повреждениями и параметрами схемы замещения трансформатора, что создает возможность контроля состояния активных частей трансформаторов по этим параметрам, однако конкретные алгоритмы организации непрерывного контроля параметров схемы замещения в литературе не описаны.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работой является исследование однофазных трансформаторов с позиции организации мониторинга состояния их активных частей по параметрам схемы замещения. Объектом исследования выбраны именно однофазные трансформаторы, так как рассмотрение трехфазных трансформаторов невозможно без предварительного исследования однофазных.

Ожидаемые результаты исследований: разработка методов определения параметров схем замещения различных типов однофазных трансформаторов в рабочем режиме; рекомендации по организации мониторинга состояния активных частей однофазных трансформаторов с использованием предложенных методов.

Научная новизна

При решении поставленной задачи были получены следующие результаты, определяющие научную новизну работы:

1. Предложен новый метод определения магнитных потерь однофазного трансформатора в рабочем режиме по площади «масштабированной» петли гистерезиса.

2. Предложен новый метод определения параметров схемы замещения многообмоточного однофазного трансформатора с любым количеством вторичных обмоток в рабочем режиме при наличии одной ненагруженной обмотки.

3. Предложена новая методика определения параметров схемы замещения однофазного двухобмоточного и трехобмоточного трансформатора в рабочем режиме, при нагруженных вторичных обмотках.

Практическая ценность работы

• Результаты работы расширяют возможности анализа состояния однофазных трансформаторов в рабочем режиме за счет того, что позволяют непрерывно контролировать параметры его схемы замещения. Они могут быть использованы при построении разнообразных систем мониторинга состояния активных частей силовых трансформаторов.

• Непрерывный контроль параметров схемы замещения позволит заблаговременно отключать трансформатор при появлении дефекта, не доводя до его перехода в короткое замыкание или дугу в баке трансформатора, что существенно сократит расходы на последующий ремонт трансформатора. Заблаговременное получение информации о появлении дефекта в трансформаторе дает оперативному персоналу возможность избежать перерыва в электроснабжении потребителей при выводе поврежденного трансформатора в ремонт.

• Внедрение систем мониторинга состояния трансформаторов позволит осуществлять вывод в ремонт в первую очередь трансформаторов с наиболее высокой степенью износа и уйти от графика ремонтов, составленного «вслепую», по сроку службы трансформаторов.

Аппробация работы

Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры «Электрические станции» Томского политехнического университета и на следующих конференциях:

• Девятая международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск -2003 г.):

• Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск - 2003 г.);

• Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск - 2004 г.);

• Третий международный семинар «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (г. Воронеж - 2004 г.);

• Всероссийский смотр-конкурс студентов ВУЗов «Эврика 2005» (г. Новочеркасск - 2005 г.);

• Второй международный семинар. «Физико-математическое моделирование систем» (г. Воронеж - 2005 г.);

• Пятьдесят первый интернациональный научный коллоквиум (г. Ильменау, Германия - 2006 г.).

• Всероссийская конференция-конкурс инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение» (г. Томск - 2006г.).

• Открытый конкурс ОАО «Мосэнерго» на лучшие дипломные и курсовые работы студентов ВУЗов России (г. Москва - 2006 г.).

• Международный научно-технический семинар «Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии» (г. Томск -2006г.);

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 27 печатных работ, из них: 6 патентов РФ на изобретения; 10 патентов РФ на полезную модель; 2 статьи, одна из которых в издании по списку ВАК; 9 тезисов докладов.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы были рассмотрены и положительно оценены на технических совещаниях Томского предприятия филиала ОАО «ФСК ЕЭС» - «МЭС-Сибири» и Филиала ОАО «МРСК Сибири» -«Омскэнерго», где прошли производственные испытания.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и шести приложений, содержит 111 страниц основного текста, список литературы - из 97 наименований, 57 иллюстраций, 20 таблиц. Общий объем работы составляет 127 страниц.

Личный вклад автора

Из 27 работ 5 работ написаны автором единолично; проведение экспериментов по 16 патентам производилось лично автором.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе дано описание конструкции и основных видов повреждений трансформаторов. Приведен сравнительный анализ

существующих методов диагностирования силовых трансформаторов в рабочем режиме, сделан вывод о незаслуженно малом внимании, уделяемом электромагнитным параметрам при организации мониторинга состояния силовых трансформаторов.

На основе анализа литературы составлена таблица 1, отражающая взаимосвязь между дефектами и электромагнитными параметрами трансформатора.

Таблица 1. Связь между дефектами трансформатора и его параметрами

Дефект Изменение параметра

Межвитковое замыкание Уменьшение К,, Л",, Я2 и Хг

Деформация обмоток после КЗ Увеличение Ц, Ь2

Ухудшение контактных соединений Увеличение Я,, И2

Замкнутый контур в магнитопроводе Увеличение Р0, ()„

Изменение свойств ферромагнитного материала Изменение Л0, Ха

Процессы нагрева, выделения газов, разрушения изоляции и т.п. Увеличение Р„, Ри Рг

Рассмотрены различные виды схем замещения трансформаторов, сделан выбор в пользу применения Т- и Г-образных схем замещения (см. рис. 1 и 2).

хх ¿до) а ¿с,) А к'

я

И, (О

X,

я.

л Су)

иЩ)

Рис. 1. Т-образная схема замещения однофазного трансформатора Я - активное сопротивление провода первичной обмотки; Л", - индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки; Л „ - индуктивное сопротивление намагничивания; Л„ - сопротивление, учитывающее магнитные потери. [{', = К.,1 ■ /?2 - приведенное активное сопротивление вторичной обмотки; Х[ - Ктг ■ А",- приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки;

где К, ~ —— коэффициент трансформации трансформатора.

I

МО

X, Л12

\ 'о (О

<(0

Рис. 2. Г-образная схема замещения однофазного трансформатора

Приведен обзор известных методов определения параметров схем замещения однофазных трансформаторов и сделан вывод об актуальности использования для данной цели массивов мгновенных значений токов и напряжений.

Отмечен ряд недостатков известных методов определения параметров схем замещения однофазных трансформаторов в рабочем режиме:

• Строгое решение получено только для трансформатора, имеющего недогруженную обмотку;

• Не рассмотрены случаи, когда трансформатор имеет более чем две обмотки;

• Не используются возможности повышения точности за счет проведения расчетов параметров схсм замещения трансформаторов несколькими методами;

• Не рассматривается возможность определения индуктивностей и активных сопротивлений непосредственно по массивам мгновенных значений токов и напряжений;

• Недостаточно рассмотрены возможности определения магнитных потерь в трансформаторе и построения его характеристики намагничивания по результатам измерений в рабочем режиме.

Сформулирована цель работы: развитие методов определения параметров схем замещения однофазных трансформаторов и рассмотрение возможности их использования применительно к задаче мониторинга состояния силовых однофазных трансформаторов. Под мониторингом при этом понимается непрерывный контроль параметров схемы замещения трансформатора, рассчитываемых по результатам измерения токов и напряжений непосредственно в рабочем режиме.

В связи с тем, что традиционные методы не позволяют определять параметры схемы замещения трансформаторов в рабочем режиме, паспортные данные трансформатора не могут быть использованы для оценки погрешности разрабатываемых методов. При этом диагностической ценностью будут обладать не абсолютные значения контролируемых параметров, а их изменение относительно параметров, полученных ранее на том же самом трансформаторе тем же самым методом. Таким образом, собственная погрешность метода не имеет принципиального значения.

В качестве объекта исследования выбраны однофазные трансформаторы, так как решение ряда вопросов определения параметров схемы замещения однофазного трансформатора представляет известные трудности. Исследования однофазных трансформаторов послужат подготовительным этапом, «базой» для перехода к решению аналогичных вопросов по трехфазным трансформаторам.

Во второй главе описаны разработанные автором методики определения параметров продольных ветвей схемы замещения однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Для трансформатора, имеющего ненагруженную обмотку (рис. 3), использована Т-образная схема замещения.

1,0)

г Л1-

и-

IV,

•ж,

"к (О

ж

И, (О

Рис. 3. Схема измерения рабочего режима трансформатора, имеющего ненагруженную обмотку Для трансформатора, не имеющего ненагруженной обмотки (рис. 4), использована Г-образная схема замещения.

«„(О

Рис. 4. Схема измерения рабочего режима трансформатора, не имеющего ненагруженной обмотки Описаны предложенные автором методики определения параметров продольных ветвей методом характерных точек и методом решения систем разностных уравнений. Данные методики опробованы на маломощном трансформаторе, произведено сопоставление полученных результатов с известной методикой определения параметров продольных ветвей методом мощностей.

Метод характерных точек

Так как сопротивления продольных ветвей схемы замещения трансформатора линейны, то справедливо известное соотношение для падения

напряжения в цепи ЯЬ (дифференциальное уравнение цепи с постоянными параметрами):

«^^•¿.(д+А^Ч'у)-

В этом уравнении два неизвестных: Л, и I,. Уравнение записано для момента времени tJ, поэтому мы имеем N таких уравнений на периоде. Так как для определения параметров й, и достаточно решить систему всего лишь из двух таких уравнений, то выбираем моменты времени, при которых это сделать проще всего. А именно, для определения индуктивности 1Л решим уравнение (1) для моментов времени ¿п и г, 2, когда !,(<.) = О, при этом уравнение (1) переходит в уравнение (2).

=",(',)/%',); (2) ш

Для определения сопротивления Я, решим уравнение (1) для моментов

времени /2, и 112, когда — (/,) = 0, при этом уравнение (1) переходит в

<Л

уравнение (3).

я,=",('2)/<-,02); (3)

Метод решения системы разностных уравнений сводится к решению системы уравнений типа

И,(0 = Л, •«,(/,) + «1(?2) = Л|-/1(^) + /^(?2); (4)

м т

записанной для двух моментов времени, выбираемых через заданные

промежутки.

Результаты определения параметров Т- и Г-образной схем замещения маломощного трансформатора различными методами приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры схемы замещения маломощного трансформатора

Опыт НН1 Т-образная СЗ Г-образная СЗ

я,. Ом ъ, Ом Ом Ом Ом *|2,0м

Метод мощностей 2,52 5,92 8,443 1.15 8,54 1,11

Метод характерных точек 2.53 5,92 8,451 1,15 8,31 1,41

Метод решения системы разностных уравнений 2.52 5,92 8,447 1,13 8,55 1,09

В третьей главе описаны разработанные автором методики определения параметров ветви намагничивания схемы замещения однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Магнитные потери трансформатора могут быть определены двояко. Первый способ заключается в следующем. Имея массивы мгновенных значений тока намагничивания |/0(?;)| и напряжения намагничивания ¡и0(^)|,

по формуле (5) сразу рассчитываем мощность магнитных потерь:

•"„(',)]■ (5)

N

Второй способ определения мощности магнитных потерь использует известный факт, что потери в магнитопроводе пропорциональны площади динамической петли магнитного гистерезиса Ум. И так как ток !0(/) с некоторыми допущениями пропорционален напряженности магнитного поля в магнитопроводе, а |ц'(/)с// - его индукции, то зависимость = /(г0)

представляет собой масштабированную петлю гистерезиса. Её площадь, отнесенная к периоду, равна потерям в магнитопроводе в единицу времени, то есть мощности потерь:

р" = р /т 'о гм '1 ■

При этом индукция в магнитопроводе рассчитывается численным интегрированием массива |и0(*-)|.

Площадь находится как площадь многоугольника, заданного

координатами его вершин

У"!

Динамическая петля гистерезиса является характеристикой намагничивания трансформатора для данного конкретного режима работы и поэтому представляет особенную ценность для оценки состояния магнитной системы трансформатора. Ниже на примере маломощного трансформатора мы рассмотрим несколько таких характеристик, полученных непосредственно в рабочем режиме трансформатора.

Активное сопротивление ветви намагничивания трансформатора легко может быть определено при известной мощности магнитных потерь по формуле:

где /„ - действующее значение тока намагничивания (см. рис. 1).

Намагничивающая мощность £\ может быть определена по площади вольтамперной характеристики и0= /((„): 1 1 " Щ I н

Тогда индуктивное сопротивление ветви намагничивания определяют по формуле:

Схема замещения многообмоточного трансформатора

Особенностью многообмоточного трансформатора является наличие нескольких вторичных обмоток. Это приводит к тому, что в схеме замещения многообмоточного трансформатора появляются несколько вторичных цепей, включенных параллельно (см. рис. 5).

А"1, , Л, ,

г'

I М-1

Рис. 5. Т-образная схема замещению многообмоточного трансформатора Частным случаем многообмоточного трансформатора является трехобмоточный трансформатор. Вопрос определения параметров трехобмоточного трансформатора заслуживает особого внимания в связи с тем, что значительная часть силовых трансформаторов, эксплуатируемых в энергетике, является трехобмоточными. Схема замещения одной фазы трехфазного трансформатора приведена на рис. 6. Здесь учтен известный факт, что обмотка, находящаяся посредине двух других обмоток может иметь нулевое или даже отрицательное значение индуктивного сопротивление рассеяния. Принимая также во внимания тот факт, что в силовых трансформатора активное сопротивление обмоток пренебрежимо мало по сравнению с индуктивным, можно считать, что собственное сопротивление обмотки среднего напряжения (СН), которая, как правило, находится между обмотками НИ и ВН, в схеме замещения трехобмоточного трансформатора мало и может быть принято равным нулю.

Рис. 6. Схема замещения трехобмоточного трансформатора

Тогда напряжение обмотки СН будет равно напряжению на ветви намагничивания У„, что позволяет нам рассчитать все напряжения в схеме замещения трансформатора.

Результаты определения параметров ветви намагничивания однофазного маломощного трансформатора различными методами приведены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры намагничивания маломощного трансформатора

№ Опыта НН1 ННЗ НН4 НН5 НН8

иех, В 89,1 133,3 182,7 217,6 256,5

Р,1, Вт 1,47 2,983 5,395 7,218 8,901

С, Вт 1,455 2,957 5,345 7,161 8,846

К, Ом 1906.395 1584,652 928,868 468,223 158,401

Я", Ом 1886,6 1570,535 920,359 464,581 157,412

й,,вар 1,855 4,617 11,626 23,544 52.832

А',,, Ом 2406,7 2452,2 2001,8 1527,4 940,2

На графике рис. 7 приведено семейство масштабированных динамических петель гистерезиса для опытов нагрузочного режима при различных значениях входного напряжения для маломощного трансформатора,

Рис. 7. Динамические характеристики намагничивания для Т-образной СЗ На рис. 8 приведено семейство вольтамперных характеристик для опытов нагрузочного режима при различных значениях входного напряжения для маломощного трансформатора.

К, в

Рис. 8. Вольтамперные характеристики для ветви намагничивания Т-образной СЗ

В четвертой главе диссертации описаны результаты испытаний предложенных методик на однофазном трансформаторе цифро-аналого-физического комплекса ОАО «НИИПТ» и на силовом трансформаторе ТДТН-63000/110/35/10 ПС «Восточная» Томской энергосистемы, а также рассмотрены вопросы организации мониторинга состояния активных частей трансформаторов различных типов.

Результаты измерения массивов мгновенных значений токов и напряжений и паспортные данные опытов холостого хода и короткого замыкания трансформатора были предоставлены автору ОАО «НИИПТ» в рамках договора на проведение исследований. В таблице 4 приведены полученные при расчетах параметры схемы замещения однофазного трансформатора ОАО «НИИПТ».

Таблица 4. Результаты определения схемы замещения однофазного

трансформатора ОАО «НИИПТ»

Входное напр. 200 В 100 В

N 40 1 80 ! 160 40 | 80 I 160

Действующие значения напряжений и токов

Ubx В 214.6 215.2 215.2 107.2 106.9 107.3

Ubbix В 207.5 208 208.1 103.6 103.2 103.8

U0 В 209.8 210.4 210.3 104.8 104.5 104.9

11 А 2.804 2.813 2.81 1.399 1.398 1.402

12 А 2.69 2.7 2.696 1.345 1.344 1.347

10 А 0.1678 0.1667 0.1672 0.086 0.0857 0.0861

U1=UBX-U0 В 4.802 4.79 4.853 2.4 2.424 2.435

U2=U0-Ubux В 2.298 2.486 2.203 1.19 1.235 1.136

Мощности

Рвх Вт 62.948 62.731 62.256 16.147 16.137 16.167

Рвых Вт 34.721 34.504 34.183 8.465 8.431 8.519

Р0 Вт 26.802 26.677 26.599 7.359 7.287 7.272

Р1 Вт 0.46 0.498 0.57 0.082 0.164 0.162

Р2 Вт 0.965 1.052 0.904 0.241 0.254 0.213

Овх вар 596.285 601.491 601.319 148.542 148.378 149.617

Овых вар 554.967 559.799 559.283 138.541 138.637 139.487

00 вар 21.85 21.629 22.565 5.098 4.744 5.234

01 вар 13.408 13.454 13.627 3.335 3.374 3.396

02 вар 6.061 6.61 5.844 1.568 1.624 1.5

Сопротивления

КЛ Ом 0.058 0.063 0.072 0.042 0.084 0.083

1*2 Ом 0.133 0.144 0.124 0.133 0.141_ 0.118

ЯО Ом 951.653 960.191 951.258 995.729 993.261 980.95

XI Ом 1.705 1.7 1.726 1.703 1.726 1.727

Х2 Ом 0.837 0.907 0.804 0.867 0.899 0.827

ХО Ом 775.827 778.489 806.983 689.789 646.583 706.103

В таблице 5 для сопоставления, приведены параметры схемы замещения трансформатора, рассчитанные по паспортным данным опытов холостого хода

и короткого замыкания.

Таблица 5. Параметры схемы замещения трансформатора НИИ ПТ по паспортным данным опытов XX и КЗ

Ш Ом 0,3 XI Ом 5

Е12 Ом 0,25 Х2 Ом 3,2

ЯО Ом 1029 Х0 Ом 886

Сопоставление данных, представленных в таблице 4, с параметрами из таблицы '5 показывает значительную погрешность определения параметров продольных ветвей Ш, К2, XI, Х2 по массивам мгновенных значений токов и напряжений. В то же время погрешность определения параметров ветви намагничивания КО и ХО не столь значительна.

При определении параметров схемы замещения трансформатора ТДТН-63000/110/35/10 ПС Восточная были получены похожие результаты. В таблице 6 приведены данные для ветви намагничивания; при расчете параметров продольных ветвей были получены результаты, значительно отличающиеся от паспортных и заводских данных.

Таблица 6. Параметры намагничивания трансформатора ПС Восточная

10=1хх%*1ном. Р0=1/3*Рхх, до, ЯО, Х0,

А кВт квар Ом Ом

Заводские испытания 1.71 25 110,7 8550 37858

Данные расчетов 1,62 38,79 96 14769 36466

Значительное отличие полученных результатов от паспортных данных объясняется принципиальным отличием предложенных методик от традиционных, а также высокой результирующей погрешностью. Одной из основных составляющих погрешности при этом является погрешность трансформаторов тока и напряжения. Тем не менее, явным преимуществом предложенных методик перед традиционными является возможность их применения на работающем трансформаторе без отключения его от сети. Это, в свою очередь, позволяет говорить о возможности организации непрерывного контроля состояния активной части трансформатора по указанным параметрам.

Как уже указывалось в первой главе, снижение погрешности методик при этом достигается за счет сравнения контролируемого параметра со значением, полученным ранее на том же самом трансформаторе тем же самым методом.

Сказанное выше иллюстрирует таблица 7, в которой приведены параметры схемы замещения трансформатора ПС Восточная, определенные через равные промежутки времени 0,02 с.

Таблица 7. Изменение параметров трансе юрматора ПС «Восточная»

1, с 0 0,02 0,04 0,06

/¡, кВт 6,21 6,22 6,25 5,80

Рг, кВт 10,74 10,94 11,60 11,58

й. квар 41 42 43 46

а. квзР 145 145 144 142

Л,, Ом 0,94 0,94 0,94 0,87

Яг, Ом 3,43 3,50 3,71 3,70

6,17 6,28 6,39 6,92

Х2, Ом 46,45 46,35 46,01 45,32

Таким образом, при одном и том же режиме работы и отсутствии развивающихся дефектов в трансформаторе контролируемые параметры схемы замещения трансформатора остаются практически неизменными во времени, а при появлении дефекта следует ожидать заметного изменения одного из контролируемых параметров в соответствии с таблицей 1.

Предложена структурная схема программно-аппаратного комплекса (ПАК) для мониторинга состояния активной части трансформатора, приведенная на рис. 9.

Данные об изменении параметров во времени

Рис. 9. Структурная схема ПАК

На вход блока расчета параметров (БРП) поступают массивы мгновенных значений токов и напряжений в обмотках трансформатора. В БРП по алгоритмам, описанным в главах 2 и 3, рассчитывают электромагнитные параметры трансформатора, а именно, параметры его схемы замещения, потери в обмотках и магнитопроводе, индуктивности рассеяния обмоток и намагничивающую мощность трансформатора. Параметры, рассчитанные в БРП, поступают на вход блока сравнения (БСр) и блока сохранения результатов и уставок (БСРиУ). В БСРиУ накапливаются данные об изменении параметров трансформатора за время его работы через некоторые одинаковые промежутки времени. Кроме того, в БСРиУ задаются уставки, относительно которых затем рассчитываются отклонения параметров. Эти уставки могут корректироваться в зависимости от предшествующих значений электромагнитных параметров. В блоке сравнения (БСр) значения параметров, получаемые из БРП, сравниваются со значениями уставок, задаваемых БСРиУ. В зависимости от величины, модуля и знака отклонения параметров от уставок на выходе БСр формируются сигналы о наличии той или иной неисправности трансформатора в соответствии с таблицей 1. При недопустимом увеличении отклонения подается сигнал о необходимости немедленного отключения трансформатора. Описываемая система непрерывно получает и сохраняет на жестком диске значения электромагнитных параметров трансформатора.

В качестве опорных значений электромагнитных параметров принимаются значения, полученные для данного трансформатора при первом включении системы мониторинга («заведомо исправное состояние трансформатора»). После капитального ремонта трансформатора опорные значения параметров могут быть уточнены.

Опорные значения должны определяться для нескольких режимов работы трансформатора. Выбор уставок, при превышении которых подается сигнал на отключение трансформатора, проводится на основе анализа статистических данных, полученных при эксплуатации трансформаторов с предлагаемой системой мониторинга.

Как частные случаи применения изложенного подхода в четвертой главе описаны два способа контроля состояния обмоток трансформатора.

• При оперативном контроле состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой регистрируют массивы мгновенных значений входного и выходного напряжения, напряжения на ненагруженной обмотке, входного и выходного токов. Затем вторичные ток и напряжение приводят к первичной цепи и производят дифференцирование входного и выходного токов. Находят массив и, как разность мгновенных значений входного напряжения и приведенного напряжения на ненагруженной обмотке и массив как разность мгновенных значений приведенного напряжения на ненагруженной обмотке и приведенного выходного напряжения. Далее методом характерных точек находят значения активных сопротивлений и индуктивностей рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Полученные значения усредняют на периоде и рассчитывают относительные отклонения средних значений активных сопротивлений и индуктивностей рассеяния обмоток от образцовых величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе. Сравнивая полученные отклонения с заранее заданной уставкой, делают вывод об исправном, либо неисправном состоянии соответствующей обмотки контролируемого трансформатора.

• Второй способ оперативного контроля и защиты обмоток предполагает, что трансформатор не имеет ненагруженной обмотки и основан на определении параметров продольной ветви Г-образной схемы замещения трансформатора. При этом активное сопротивление обмоток определяют методом мощностей, а для определения индуктивности рассеяния обмоток решают уравнение

«и ('.,) - "я ('/) = «.2' 4 Су) ■+ Аг^ С,) относительно 1лг для каждого момента времени Далее усредняют полученные значения индуктивности Ьи на периоде и определяют относительные отклонения полученных значений индуктивности и активного сопротивления обмоток от величин, определенных на заведомо исправном трансформаторе. Сравнивая полученные отклонения с заранее заданной уставкой, делают вывод об исправном, либо неисправном состоянии обмоток контролируемого трансформатора. При превышении отклонением индуктивности и активного сопротивления обмоток заданного значения подают сигнал на отключение трансформатора.

Основные результаты работы:

• Предложены новые методы определения параметров продольных ветвей схемы замещения однофазного трансформатора по массивам мгновенных значений токов и напряжений - метод характерных точек (защищен патентом РФ), и метод решения системы разностных уравнений. Исследовано влияние интервала, для которого записаны уравнения, на точность результатов измерений, даны рекомендации по выбору этого интервала. Оба метода опробованы на маломощном однофазном трансформаторе.

• Решена задача определения параметров схемы замещения однофазного трансформаторов, не имеющих ненагруженной обмотки, в рабочем режиме. Для двухобмоточного трансформатора таким решением является использование упрощенной Г-образной схемы замещения. Методика опробована на маломощном трансформаторе, и защищена патентом РФ. Оценка погрешности показала её достаточно высокую точность.

• Для трехобмоточного однофазного трансформатора задача определения параметров схемы замещения в рабочем режиме решена на основе допущения о нулевом значении полного сопротивления обмотки, геометрически находящейся посередине двух других. Метод опробован на силовом трехобмоточном трансформаторе.

• Предложен метод построения «масштабированной» петли гистерезиса, которая соответствует динамической кривой намагничивания однофазного

трансформатора в рабочем режиме но массивам мгновенных значений токов и напряжений и показана возможность его использования при определении магнитных потерь однофазного трансформатора в рабочем режиме.

• Разработана схема замещения многообмоточного однофазного трансформатора и предложен метод определения её параметров в рабочем режиме, защищенный патентом РФ.

• Проведены испытания разработанных методов на однофазном трансформаторе цифро-аналого-физического комплекса ОАО «НИИПТ» и на силовом трехобмоточном трансформаторе ТДТН -63000/110/35/10, в рабочем режиме

• Даны рекомендации по организации мониторинга состояния обмоток и магнитной системы для однофазных трансформаторов четырех типов: трехобмоточных с ненагруженной обмоткой; двухобмоточных; трехобмоточных без ненагруженной обмотки; многообмоточных трансформаторов с любым количеством обмоток при наличии одной ненагруженной обмотки.

• Описаны два способа контроля состояния обмоток однофазного трансформатора в рабочем режиме.

Основные положения диссертации отражены в публикациях

1. Технический контроль параметров схемы замещения трансформаторов по результатам их измерений в режимах холостого хода и номинальной нагрузки. Гольдштейн Е.И., Бацева Н.Л., Панкратов A.B. // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: Сб. статей. Ч. 1. Специальные электрические машины и электромагнитные устройства. Вопросы энергоснабжения. Образоват. Проекты. Екатеринбург: Вестник УГТУ-УПИ. 2003. №5(25). С.398-401.

2. A.B. Панкратов. К вопросу определения параметров схемы замещения трансформаторов малой мощности // IX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Труды,- Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2003. -Т.1 с.34-35.

3. A.B. Панкратов. Определение параметров схемы замещения однофазного трансформатора по результатам опытов холостого хода и номинальной нагрузки // Материалы докладов всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации»: Изд-во НГТУ, 2003. Часть 1,-с. 142-143.

4. A.B. Панкратов. Методы определения параметров схемы замещения однофазного трансформатора по массивам мгновенных значений токов и напряжений // Материалы докладов всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации«: Изд-во НГТУ, 2004. Часть 3,- с.103-104.

5. Вычислительные процедуры определения основных параметров и характеристик однофазных трансформаторов малой мощности в рабочем

режиме. Гольдштейн Е.И., Бацева H.JI., Панкратов A.B. // Материалы третьего международного семинара «Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах» (Воронеж, 22-24 апреля 2004 г.). - Воронеж: ВГТУ, 2004. - с.213-216.

6. Патент РФ №47108 МПК7 G 01 R 27/02. Устройство для определения параметров продольных ветвей Т-образной схемы замещения однофазного трансформатора с незагруженной третьей обмоткой в рабочем режиме / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов. - Заявлено 17.02.2005; Опубл. 10.08.2005. Бюлл. №22.

7. Патент РФ №61891 МПК G01R 27/02. Устройство для определения параметров Т-образной схемы замещения многообмоточного однофазного трансформатора с одной ненагруженной обмоткой в рабочем режиме / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 29.11.2005; Опубл. 10.03.2007 Бюл. №7.

8. Патент РФ №2276376 МПК G01R 27/02. Способ определения параметров продольных ветвей Т-образной схемы замещения однофазного трансформатора с незагруженной третьей обмоткой в рабочем режиме / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 17.02.2005; Опубл. 10.05.2006. Бюл. №7.

9. A.B. Панкратов. Метод функционального диагностирования однофазных трансформаторов // Научно-техническое творчество студентов вузов. Матер, всерос. смотра-конкурса студ. вузов и «Эврика 2005»/ Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. тех. ун-т.(НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ,2005 г.-4.1.-е. 382-386.

10.А.В. Панкратов. Функциональное диагностирование однофазных трансформаторов по массивам мгновенных значений токов и напряжений // Физико-математическое моделирование систем: Материалы II Междунар. семинара. Ч. 2: Моделирование технических систем. Воронеж: Воронеж, гос. тех. ун-т, 2005. с. 29-34.

11. Функциональный контроль и диагностирование электроэнергетических систем и их элементов. Гольдштейн Е.И., Хрущев Ю.В., Сулайманов O.A., Бацева H.JI., Джумик Д.В.. Кац И.М., Радаев Е.В., Панкратов A.B. // Системы электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии: Материалы Международного научно-технического семинара. - Томск: Томский политехнический университет, 2006. - 153 с.

12.Е. Goldstein, A. Pankratov. The Determination of Single-phase Transformer No-load Losses // Information technologies and electrical engineering - device and systems, materials and technologies for the future: Materials of the 51st IWK -Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Ilmenau, German, pp. 383-384.

13.Патент РФ №61433 МПК7 G 01 R21/133. Устройство для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора с одной ненагруженной обмоткой // Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 02.05.2006; Опубл. 27.02.2007 Бюл. №9.

14.Патент РФ №61434 МПК7 G 01 R21/133. Устройство для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем

режиме // Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 02.05.2006; Опубл. 27.02.2007 Бюл. №9.

15.Патент РФ №2296339 МПК G01R 27/02. Способ определения параметров Т-образной схемы замещения многообмоточного однофазного трансформатора с одной ненагруженной обмоткой в рабочем режиме / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 29.11.2005; Опубл. 27.03.2007 Бюл. №9.

16.Джумик Д.В., Кац И.М., Панкратов A.B. Программно-аппаратный комплекс (прибор, алгоритмы и программное обеспечение) для функционального обследования элементов ЭЭС // Труды всероссийской конференции-конкурса инновационных проектов студентов и аспирантов по приоритетному направлению Программы «Энергетика и энергосбережение». -Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2006. с. 34-40.

17.Патент РФ №2304787 МПК G 01 R21/133. Способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме/ Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 02.05.2006; Опубл. 20.08.2007 Бюл, №23.

18.Патент РФ №71446 МПК G 01 R 31/02. Устройство для оперативного контроля состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов, H.H. Харлов - Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

19.Патент РФ №71445 МПК G 01 R 31/02. Устройство для оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов. H.H. Харлов - Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

20.Патент РФ №71443 МПК G 01 R 21/133. Устройство для определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов, Ю.В. Хрущев - Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

21.Патент РФ №71444 МПК G 01 R 21/133. Устройство для определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов - Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

22.Патент РФ №2333503 МПК G 01 R 31/02. Способ оперативного контроля состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 18.06.2007; Опубл. 10.09.2008.

23.Патент РФ №2339963 МПК G 01 R 31/06. Способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 22.06.2007; Опубл. 27.11.2008 Бюл. №33.

24.Патент РФ №2340907 МПК G 01 R 21/00. Способ определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 10.08.2007; Опубл. 10.12.2008 Бюл. №34.

25.1 [атеит РФ №2340908 МПК G 01 R 21/00. Способ определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного

трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. - Заявлено 20.08.2007; Опубл. 10.12.2008 Бюл. №34.

26.Патент РФ №73493 МПК G 01 R 27/02. Устройство для определения параметров Г-образной схемы замещения однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме / Е.И. Гольдштейн, A.B. Панкратов -Заявлено 29.11.2005; Опубл. 20.05.2008.

27.Гольдштейн Е.И., Панкратов A.B. Определение параметров и характеристик ветви намагничивания однофазного трансформатора по массивам мгновенных значений токов и напряжений // Известия ВУЗов. Электромеханика. - 2008. - №5. - С. 20-24.

Подписано в печать 31.03.2009 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. 1,10. Тираж 100 экземпляров. Отпечатано ООО "СГ)£ Заказ № 05.

Адрес: 634034. г. Томск, ул. Усова, 4а-150, т. (38-22) 224-789

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Обзор литературы и уточнение решаемых в диссертации задач.

1.1 Вопросы диагностирования силовых трансформаторов.

1.1.1 Устройство трансформатора.

1.1.2. Дефекты, возникающие в трансформаторах электрических систем.

1.1.3. Методы диагностирования силовых трансформаторов в рабочих режимах (мониторинг силовых трансформаторов).

1.2 Схема замещения трансформатора.

1.2.1 Виды схем замещения.

1.2.2 Т-образная и Г-образная схемы замещения.

1.2.3 Известные методы и процедуры определения параметров схемы замещения трансформаторов.

1.3. Применение дискретизированной электротехники для определения параметров схемы замещения трансформатора.

1.3.1. Регистраторы электрических сигналов.

1.3.2. Основные положения и соотношение дискретизированной электротехники.

1.3.3. Применение дискретизированной электротехники для определения параметров схемы замещения трансформатора.

1.4. Выводы по главе и уточнение решаемы задач.

Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОДОЛЬНЫХ ВЕТВЕЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ.

2.1. Общие сведения.

2.2. Расчет параметров продольных ветвей схемы замещения трансформатора, имеющего ненагруженную обмотку.

2.2.1 Методика проведения исследований и обработки их результатов.

2.2.2 Определение параметров продольных ветвей через мощности.

2.2.3 Определение параметров продольных ветвей методом характерных точек и методом решения системы уравнений.

2.3. Расчет параметров продольных ветвей схемы замещения трансформатора, не имеющего ненагруженной обмотки.

2.3.1 Методика проведения исследований и обработки их результатов.

2.3.2 Определение параметров продольных ветвей через мощности.

2.3.3 Определение параметров продольной ветви Г-образной схемы замещения методом характерных точек и методом решения системы уравнений.

2.4. Результаты определения параметров схемы замещения маломощного трансформатора ПОБС-5М в рабочем режиме.

2.5. Выводы.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТВИ НАМАГНИЧИВАНИЯ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ.

3.1. Особенности определения параметров ветви намагничивания схемы замещения однофазного трансформатора.

3.2. Определение магнитных потерь; построение характеристики намагничивания трансформатора в рабочем режиме; расчет параметров ветви намагничивания схемы замещения однофазного трансформатора.

3.3. Определение мгновенных значений индуктивности намагничивания.

3.4. Схема замещения многообмоточного трансформатора, определение её параметров.

3.5. Результаты определения параметров схемы замещения маломощного трансформатора ПОБС-5М в рабочем режиме.

3.6. Выводы.

Глава 4. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ. ВОПРОСЫ МОНИТОРИНГА

СОСТОЯНИЯ АКТИВНЫХ ЧАСТЕЙ ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ.

4.1. Производственные испытания методов определения параметров схем замещения однофазных трансформаторов в рабочем режиме.

4.1.1. Результаты определения параметров схемы замещения электродинамической модели трансформатора ОАО «НИИПТ».

4.1.2. Результаты определения параметров схемы замещения силового трансформатора ТДТН-63/110/35/10.

4.2. Вопросы организации мониторинга состояния активных частей однофазных трансформаторов различных типов.

4.2.1. Организация мониторинга состояния активных частей однофазного трансформатора, имеющего ненагруженную обмотку.

4.2.2. Организация мониторинга состояния активных частей однофазного двухобмоточного трансформатора.

4.2.3. Организация мониторинга состояния активных частей однофазного многообмоточного трансформатора.

4.2.3. Организация мониторинга состояния активных частей однофазного трехобмоточного трансформатора.

4.3. Выводы.

Одной из главных проблем современной энергетики является наличие большого количества силовых трансформаторов, выработавших свой нормативный ресурс. По некоторым данным суммарная мощность парка ключевых силовых трансформаторов, установленных в энергосистемах стран СНГ и отработавших свыше 25 лет составляет более 600 ГВА. Ежегодно количество таких трансформаторов увеличивается примерно на 200 единиц.

Таким образом, наиболее актуальной задачей электроэнергетики на ближайшие 1020 лет становится обеспечение продолжения надежной эксплуатации «старого» парка. Существует, по крайней мере, две причины, по которым никакие гарантии не могут закрыть проблемы безотказной, безаварийной эксплуатации силовых трансформаторов: во-первых, срок службы любого изделия - величина вероятностная и, во-вторых, несоответствие предписанных режимов эксплуатации реальным может приводить к ускорению расходования ресурса. Решают эту проблему с помощью диагностического контроля.

Анализ дефектов, возникающих в силовых трансформаторах, показывает, что их можно разделить на три группы по времени развития:

- медленно развивающиеся дефекты со временем развития более года;

- быстро развивающиеся дефекты со временем развития менее года;

- внезапные отказы со временем развития от долей секунд до нескольких часов. Доля внезапных отказов увеличивается вместе со временем, в течение которого трансформатор находится в эксплуатации. Увеличение доли быстро развивающихся и внезапных отказов приводит к необходимости уменьшения периодичности контроля вплоть до непрерывного.

Наибольшее количество отказов происходит именно в период нормальной эксплуатации, и основное количество трансформаторов не «дотягивает» до износовых отказов. Причиной высокой аварийности трансформаторов в период «нормальной» эксплуатации является, по-видимому, уровень капитальных ремонтов (на 12 и 24 году эксплуатации). Именно поэтому столь остро для силовых трансформаторов встала проблема перехода от ремонтов по сроку эксплуатации к ремонту по состоянию. В связи с вышесказанным актуальны работы по созданию систем мониторинга трансформаторов.

Под мониторингом понимается непрерывное (с частотой большей, чем частота, необходимая для оценки наблюдаемого события) слежение за установленным параметром с целью контроля за приближением его значения (или зависящего от него другого параметра) к граничному для последующего принятия соответствующего решения по восстановлению контролируемого параметра. При наличии системы мониторинга сигнал о необходимости более глубокого диагностического обследования должен поступать от неё.

Именно мониторинг силовых трансформаторов является на сегодняшний день наиболее эффективным и соответствующим современному уровню развития техники решением проблемы эксплуатации трансформаторов, выработавших свой нормативный ресурс. Сегодня мониторингу уделяется большое внимание; разрабатываются и совершенствуются такие методы обследования трансформаторов, как анализ масла, измерение частичных разрядов, вибро-акустическое обследование, измерение температуры, регистрация электромагнитного излучения. Как правило, все эти методы могут использоваться совместно при комплексном обследовании силовых трансформаторов. Однако хорошо известно, что создание идеальной системы мониторинга принципиально невозможно, и всегда остается возможность для её совершенствов ания.

В этом плане нельзя не обратить внимание на всё более широкое распространение в электроэнергетике оперативно-измерительных комплексов, позволяющих контролировать в реальном времени параметры электрического режима в различных точках энергосистемы. С внедрением в энергетику регистраторов электрических сигналов, появилась возможность контроля мгновенных значений токов и напряжений на входе и выходе силового трансформатора. Именно с помощью такого инструментария можно значительно повысить эффективность диагностирования. К сожалению, при попытках организации мониторинга силовых трансформаторов, такой возможностью сегодня незаслуженно пренебрегают.

Таким образом, мы имеем актуальную проблему - построение систем мониторинга силовых трансформаторов и новый подход к её решению - обработку массивов мгновенных значений токов и напряжений на входе и выходе трансформатора. При этом речь идет о возможности дополнить уже существующие методы непрерывного контроля новыми, тем самым, повысив эффективность диагностирования в целом.

Цель предлагаемой работы: исследовать однофазные трансформаторы с позиции возможности организации мониторинга их состояния с помощью массивов мгновенных значений токов и напряжений; определить наиболее информативные диагностические параметры и разработать конкретные методики их определения в рабочем режиме.

В качестве диагностических параметров при организации мониторинга трансформаторов можно использовать параметры их схемы замещения. По изменению активного сопротивления обмоток можно судить о целостности электрических цепей и состоянии контактных соединений. Изменение индуктивного сопротивления рассеяния обмоток указывает на наличие деформаций и повреждений в обмотках.

Кроме параметров схемы замещения, в качестве диагностических параметров представляют интерес потери в магнитопроводе трансформатора и его намагничивающая мощность, которые позволяют оценить состояние магнитной системы трансформатора.

Электромагнитные диагностические параметры имеют то неоспоримое преимущество, что отражают процессы, происходящие в трансформаторе практически мгновенно. Кроме них таким свойством обладают, пожалуй, только механические параметры акустики и вибрации, так как тепловые параметры и параметры масла являются инерционными. Учитывая, что электромагнитные параметры в общем случае могут быть зафиксированы в течение одного периода переменного тока, равного 0,02 с при 50 Гц, системы мониторинга, основанные на контроле таких параметров, вполне могут служить защитой при внезапных отказах и быстроразвивающихся дефектах.

Несмотря на то, что доля однофазных трансформаторов, используемых в электроэнергетических системах, весьма мала, вопросы определения электромагнитных параметров в рабочем режиме целесообразно рассмотреть именно на них, рассматривая эту работу, как подготовительный этап к исследованию трехфазных трансформаторов. Действительно, многие вопросы непрерывного контроля электромагнитных параметров трансформаторов остаются открытыми, и их решение для трехфазных трансформаторов без предварительного рассмотрения однофазных представляется затруднительным.

Еще одной актуальной задачей, которой не уделяется достаточного внимания в литературе, является определение параметров многообмоточных трансформаторов в рабочем режиме. Эту задачу также планируется решить в настоящей работе.

Список источников литературы представлен в порядке упоминания в тексте. Номера формул состоят из двух цифр: первая - номер главы, вторая - порядковый номер формулы.

4.3. Выводы

В четвертой главе приведены результаты производственных испытаний процедур, описанных во второй и третьей главах диссертации на примере электродинамической модели трансформатора по результатам измерения нагрузочного режима, предоставленным ОАО «НИИПТ».

Произведены исследования данных силового трансформатора ТДТН-63000/110/35/10, установленного в томской энергосистеме на ПС «Восточная».

Определены параметры его схемы замещения для одной фазы по результатам измерения массивов мгновенных значений токов и напряжений в рабочем режиме. Несмотря на некоторое отличие полученных данных от результатов заводских испытаний, предложенные методы вполне могут быть использованы для организации мониторинга состояния активных частей силовых трансформаторов.

Рассмотрена возможность непрерывного контроля в рабочем режиме: активных и индуктивных сопротивлений обмоток; индуктивностей рассеяния обмоток; потерь активной мощности в обмотках; магнитных потерь и намагничивающей мощности. Показана динамика изменения параметров трансформатора Т1 ПС «Восточная». Даны рекомендации по внедрению результатов работы на силовых трансформаторах, эксплуатируемых в электроэнергетике и выбору уставок.

Предложены методы организации мониторинга состояния активных частей однофазных трансформаторов четырех типов: трехобмоточных при наличии ненагруженной обмотки; двухобмоточных; трехобмоточных при условии, что все три обмотки нагружены; многообмоточных трансформаторов, имеющих одну ненагруженную обмотку. Предложена структурная схема ПАК, позволяющая производить мониторинг состояния активных частей трансформатора и схемы подключения ПАК к каждому из четырех типов трансформаторов. Разработаны способы мониторинга состояния обмоток трансформатора, два из которых опробованы на маломощном трансформаторе и защищены патентами РФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором в Электротехническом институте Томского политехнического института в 2005-2008 гг.

Обобщая выводы, изложенные в отдельных главах, отметим основные результаты работы.

1. Произведен анализ существующих методов мониторинга состояния силовых трансформаторов. Сделан вывод о актуальности использования для этой цели параметров его схемы замещения.

2. Систематизированы существующие методы определения параметров схем замещения однофазных трансформаторов в рабочем режиме, намечены основные направления развития этих методов.

3. Предложены ранее не известные методы определения параметров продольных ветвей схемы замещения однофазного трансформатора по массивам мгновенных значений токов и напряжений - метод характерных точек, защищенный патентом РФ, и метод решения системы уравнений, дающие более точную информацию о поведении индуктивности рассеяния обмоток. Исследовано влияние интервала, для которого записаны уравнения, на точность результатов, даны рекомендации по выбору этого интервала. Оба метода опробованы на маломощном однофазном трансформаторе, оценена погрешность.

4. Решена задача определения параметров схемы замещения однофазного трансформаторов, не имеющих ненагруженной обмотки, в рабочем режиме. Для двухобмоточного трансформатора таким решением является использование упрощенной Г-образной схемы замещения. Методика опробована на маломощном трансформаторе, и защищена патентом РФ. Оценка погрешности показала её достаточно высокую точность.

5. Для трехобмоточного однофазного трансформатора задача определения параметров схемы замещения в рабочем режиме решена при помощи ввода допущения о нулевом значении полного сопротивления обмотки, геометрически находящейся посередине двух других. Метод успешно опробован на силовом трехобмоточном трансформаторе.

6. Введено понятие «масштабированной» петли гистерезиса, которая соответствует динамической кривой намагничивания однофазного трансформатора в рабочем режиме. Предложен метод построения этой характеристики по массивам мгновенных значений токов и напряжений.

7. Предложен не известный ранее метод определения магнитных потерь однофазного трансформатора в рабочем режиме, использующий площадь «масштабированной» петли гистерезиса. Опробование метода на маломощном трансформаторе показало его низкую погрешность. Метод защищен патентом РФ.

8. Разработана схема замещения многообмоточного однофазного трансформатора с любым количеством вторичных обмоток. Предложен метод определения её параметров в рабочем режиме при наличии одной ненагруженной обмотки. Метод защищен патентом РФ.

9. Проведены производственные испытания предложенных методов на электродинамической модели однофазного трансформатора ОАО «НИИПТ» и на силовом трехобмоточном трансформаторе.

10. Даны рекомендации по организации мониторинга состояния обмоток и магнитной системы для однофазных трансформаторов четырех типов: трехобмоточных с ненагруженной обмоткой; двухобмоточных; трехобмоточных без ненагруженной обмотки; многообмоточных трансформаторов с любым количеством обмоток при наличии одной ненагруженной обмотки.

1. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. В 2-х т. Том 1: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Издательство МЭИ, 2004.

2. Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов М.: Высш. шк., 2004. -607 с.

3. Алексеев Б. А. Контроль состояния (диагностика) крупных силовых трансформаторов.—М.: НЦ ЭНАС, 2002.—216 с.

4. Sokolov V., Hanson D. Impact of Oil Properties and Characteristics on Transformer Reliability, Proceedings of the TechCon 2006 NA, February 6-8, 2006, Scottsdale, Arizona.

5. Аракелян В.Г. Цели, понятия и общие принципы диагностического контроля высоковольтного электротехнического оборудования: Электротехника. — 2002. №5. — с. 23-27.

6. Комплексный подход к диагностике и оценке технического состояния электрического оборудования. Ляпин А.Г., Певчев Б.Г., Пимошин А.А. -Электрические станции, 2005 г. №8, с 64-67.

7. Мониторинг силовых трансформаторов в системе "Диагностика^-" Электронный ресурс.: Режим доступа http://www.transform.ru/ diagnostikamonitor.shtml.

8. Григорьев А.В., Осотов В.Н. Диагностика в технике. Понятия, цели, задачи. Электротехника 2003, №4, с. 46-50.

9. Импульсное дефектографирование трансформаторов при испытаниях на электродинамическую стойкость. // Аветиков Г.В., Левицкая Е.И., Попов Е.А. — Электротехника 1978, №4, с 53-57.

10. Манин С.А. Разработка метода диагностики магнитных систем силовых трансформаторов. Автореферат к магистерской работе: ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2006.

11. ГОСТ 11677-85. Трансформаторы силовые. Общие технические условия.

12. ГОСТ 16110-82. Трансформаторы силовые. Термины и определения.

13. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения.

14. ГОСТ 30830-2002. Трансформаторы силовые. Общие положения.

15. ГОСТ 3484 — 77. Трансформаторы силовые. Методы испытаний. М.: Изд-во стандартов.

16. TDM система мониторинга технического состояния силовых трансформаторов Электронный ресурс.: - Режим доступа: http://www.vibrocenter.ru/tdm.htm.

17. Пат. 2242830 РФ 7 Н02Н7/04, Н02Н6/00. Устройство для мониторинга силовых трансформаторов / А.Н. Рассальский. Заявлено 10.07.03; Опубл. 20.12.04.

18. Хренников А.Ю. Основные причины повреждения обмоток силовых трансформаторов при коротких замыканиях. Электричество 2006. №7, с. 17-24.

19. НИЦ «ЗТЗ-Сервис». Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ztz-service.com.ua/info.html.

20. Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Диагностика силовых трансформаторов под нагрузкой. // Известия РАН. Энергетика. 1996, №1, с. 74-81.

21. Бутырин П.А.,- Алпатов М.Е. Непрерывная диагностика трансформаторов. // Электричество, 1998, №7, с. 45-55.

22. Котеленец Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин: Учебник для ВУЗов / Н.Ф. Котеленец, Н.А. Акимова, М.В. Антонов. М.: Издательский центр «Академия», 2003 — 348 с.

23. Васютинский С.Б. Вопросы теории и расчета трансформаторов. JI. «Энергия», 1970.

24. Вольдек А.И. О схеме замещения трансформаторов и её параметрах // Электричество, 1952, №8, с. 21-25.

25. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. JL, «Энергия», 1974. 840 с.

26. Алексенко Г.В. Параллельная работа трансформаторов и автотрансформаторов. M.-JL, изд-во «Энергия», 1967, 608 с.

27. Лейтес Л.В., Пинцов A.M. Схемы замещения многообмоточных трансформаторов. М. «Энергия», 1974.

28. Лейтес Л.В. Эквивалентная схема двухобмоточного трансформатора: Опыт холостого хода и короткого замыкания // Вопросы трансформаторостроения. Под ред. Э.А. Манькина. Труды ВЭИ. М.: 1969.

29. Бацева Н.Л. Определение параметров схемы замещения однофазных трансформаторов малой мощности в рабочем режиме. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Совет К 212.269.03 при Томском политехническом университете, 2005 год.

30. Бутырин П. А., Алпатов М.Е. К созданию аналитической теории трансформаторов // Известия РАН, Энергетика, 2002, №2, с. 44-53.

31. Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Уравнения и схемы замещения трансформаторов с учетом магнитопроводов. // Известия академии наук. Энергетика. 2002, №2, с, 44-53.

32. Ильина А.Г., Кардонов Г.А. Исследование однофазных трансформаторов в пакете MatLab // Изв. ВУЗов. Приборостроение. 2003. Т 46, №6.

33. Марквардт Е. Г. Электромагнитные расчеты трансформаторов. М.: Объединенное научно-техническое издательство, 1938.-135 с.

34. Марквардт Е. Г. Индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. «Электричество», 1936, №23.

35. Марквардт Е. Г. Об электромагнитном рассеянии. «Электричество», 1935, №9.

36. Марквардт Е. Г. О рассеяния обмоток трансформатора. «Электричество», 1937, №11.

37. Меерович Э. А. Полная и раздельные индуктивности рассеяния обмоток трансформатора при учете насыщения железа. «Электричество», 1937, №11.

38. Петров Г. Н. Об индуктивностях рассеяния обмоток трансформатора. «Электричество», 1936, №11.

39. Костенко М. П., Пиотровский JI. М. Электрические машины. В 2-х ч. Ч. 1 -Машины постоянного тока. Трансформаторы. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 3-е перераб. JL, «Энергия», 1972,544 с.

40. Бессонов JI.A. Электрические цепи со сталью. Гос. энергетич. изд-во. — M-JL: 1948.

41. Образцов B.C., Айзатулин Ф.Н. Расчет потерь в линиях и трансформаторах на базе коммерческого счетчика Альфаплюс (А2) // Метрология электрических измерений в энергетике 2004 155 с.

42. Лурье А.И., Шлегель О.А. Измерение отклонения индуктивного сопротивления при электродинамических испытаниях силовых трансформаторов. Электротехника 1991, №12, с. 35-38.

43. Пат. 2231799 РФ МПК G 01 К 27/02. Способ определения параметров т-образной схемы замещения двухобмоточного низкочастотного трансформатора в режиме холостого хода / Гольдштейн Е.И., Бацева H.JL. — Заявлено 10.12.2002; Опубл. 27.06.2004, Бюл. №18.

44. Суворов А.А., Шелюг С.Н. Экспериментальное исследование методов определения схемных параметров трансформаторов // Электромеханика, 2004 142 с.

45. Пат. 2237254 РФ МПК G 01 R 31/02. Способ диагностики силовых трансформаторов / А.Н. Алюнов, В.А. Бабарушкин, А.В. Булычев, В.А. Гуляев — Заявлено 08.01.03; Опубл. 27.09.04.

46. Хренников А.Ю., Шлегель О.А. Контроль изменения индуктивного сопротивления трансформатора для определения повреждений в обмотках. Энергетик 2004, №2, с. 27-30.

47. А.с. 1221620 СССР, МПК G 01 R 31/02. Способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов / Ю.С. Конов, С.В. Цурпал (СССР). 3790086/24-21; Заявлено 12.07.84; Опубл. 30.03.86, Бюл. №12.

48. А.с. 1377779 СССР, МПК G 01 R 31/02. Способ контроля обмоток трансформаторов на наличие механических деформаций и витковых замыканий / В.Ю. Горшунов, Ю.С. Конов (СССР). 4062386/24-21; Заявлено 31.03.86; Опубл. 29.02.88, Бюл. №8.

49. А.с. 1622851 СССР, МПК G 01 К 31/02. Способ контроля силовых трансформаторов на наличие внутренних повреждений / Ю.С. Кононов, В.В. Котиков (СССР). -4434133/21; Заявлено 06.04.08; Опубл. 23.01.91, Бюл. №3.

50. А.с. 1644050 СССР, МПК G 01 R 31/02. Способ контроля деформаций обмоток силовых трансформаторов / Ю.С. Конов, В.В. Котиков, А.В. Малышев (СССР). — 4441294/21; Заявлено 06.05.88; Опубл. 23.04.91, Бюл. №15.

51. А.с. 1742750 СССР, МПК G 01 R 31/02. Способ контроля состояния обмоток трансформатора / A.M. Гиновкер (СССР). 4847370/21; Заявлено 11.05.90; Опубл. 23.06.92, Бюл. №23.

52. А.с. 1760476 СССР, МПК G 01 R 31/00. Способ контроля технического состояния обмоток трансформатора / П.М. Сви, В.В. Смекалов (СССР). 4825928/21; Заявлено 20.0490; Опубл. 07.09.92, Бюл. №33.

53. Пат. 2136099 РФ МПК G 01 R 31/02. Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях / А.Ю. Хренников. -Заявлено 06.10.94; Опубл. 27.08.99.

54. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов, М., «Энергия», 1969.

55. Контроль характеристик магнитопроводов измерительных трансформаторов в сложных условиях перемагничивания// Ю.И. Дидик, Г.С. Корзунин, JI.JI. Эткинд и др. -Дефектоскопия. 2001. №11, с. 23-38.

56. Быстродействующий аварийный регистратор сигналов БАРС Электронный ресурс. Режим доступа: http://bars.vei.ru/main.htmldd.

57. Цифровой регистратор электрических процессов Парма РП 4.06. Техническое описание. Электронный ресурс. — Режим доступа: http://parma.spb.rU/russian/products.htm# 1.

58. НТЦ «ГОСАН». Электронный ресурс. — Режим доступа: http://gosan.ru/.

59. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. — М.: Энергия, 1978.-320 с.

60. Гольдштейн Е.И. Диагностирование электрических цепей: учеб. пособие / Е.И. Гольдштейн, H.J1. Бацева, Д.В. Джумик, Ю.П. Усов. Томск: Изд-во ТПУ, 2006. - 152 с. (пп. 1.5, 4.3 - Панкратов А.В.)

61. Корн, Гранино. Справочник по математике для научных работников и инженеров; Определения, теоремы, формулы : пер. с англ. / Г. А. Корн, Т. М. Корн. — 2-е амер. изд., перераб. — М. : Наука, 1973. — 831 с. : ил.

62. Отчет ОАО «НИИПТ» по договору №172-03-3-08. Измерение мгновенных значений токов и напряжений однофазной линии электропередач и однофазного трехобмоточного трансформатора на цифро-аналого-физическом комплексе ОАО «НИИПТ» СПб.: 2008, - 150с.

63. Патент РФ №61433 МПК7 G 01 R21/133. Устройство для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора с одной ненагруженной обмоткой // Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. — Заявлено 02.05.2006; Опубл. 27.02.2007 Бюл. №9.

64. Патент РФ №61434 МПК7 G 01 R21/133. Устройство для определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме // Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 02.05.2006; Опубл. 27.02.2007 Бюл. №9.

65. Патент РФ №2304787 МПК G 01 R21/133. Способ определения магнитных потерь в магнитопроводе однофазного трансформатора в рабочем режиме/ Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 02.05.2006; Опубл. 20.08.2007 Бюл. №23.

66. Патент РФ №71446 МПК G01 R31/02. Устройство для оперативного контроля состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой / Е.И. Гольдштейн, А.В. Панкратов, Н.Н. Харлов Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

67. Патент РФ №71445 МПК G 01 R 31/02. Устройство для оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора / Е.И. Гольдштейн, А.В. Панкратов, Н.Н. Харлов — Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

68. Патент РФ №71443 МПК G 01 R 21/133. Устройство для определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Е.И. Гольдштейн, А.В. Панкратов, Ю.В. Хрущев Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

69. Патент РФ №71444 МПК G 01 R 21/133. Устройство для определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Е.И. Гольдштейн, А.В. Панкратов Заявлено 27.08.2007; Опубл. 10.03.2008 Бюл. №7.

70. Патент РФ №2333503 МПК G 01 R 31/02. Способ оперативного контроля состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой / Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 18.06.2007; Опубл. 10.09.2008.

71. Патент РФ №2339963 МПК G 01 R 31/06. Способ оперативного контроля и защиты обмоток трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 22.06.2007; Опубл. 27.11.2008 Бюл. №33.

72. Патент РФ №2340907 МПК G 01 R 21/00. Способ определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 10.08.2007; Опубл. 10.12.2008 Бюл. №34.

73. Патент РФ №2340908 МПК G 01 R 21/00. Способ определения мгновенных значений индуктивности намагничивания однофазного трансформатора / Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Заявлено 20.08.2007; Опубл. 10.12.2008 Бюл. №34.

74. Патент РФ №73493 МПК G 01 R 27/02. Устройство для определения параметров Г-образной схемы замещения однофазного двухобмоточного трансформатора в рабочем режиме / Е.И. Гольдштейн, А.В. Панкратов — Заявлено 29.11.2005; Опубл. 20.05.2008.

75. Определение параметров и характеристик ветви намагничивания однофазного трансформатора по массивам мгновенных значений токов и напряжений. Гольдштейн Е.И., Панкратов А.В. Изв. ВУЗов: Электромеханика, Изд-во ЮРГТУ, Новочеркасск, №5 2008г. с20-24.