автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка и исследование систем измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения

У04б@3411

На правах рукописи

Хоанг Ван Ньу

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПАРЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ

05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы

(по отраслям)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 Ш 2010

Москва

-2010

004603411

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский энергетический институт" (технический университет) на кафедре Информационно-измерительной техники

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Диденко Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Совлуков Александр Сергеевич

кандидат технических наук Хоенников Алексанпп ТОпьевич

Ведущая организация: Томский политехнический университет

Защита состоится «18» июня 2010 г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.08 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д.13, М307.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « ¿. » -¿¿а 4 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.08, кандидат технических наук, доцент

Анисимов Д.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Среди трансформаторных преобразователей напряжения в напряжение можно выделить силовые трансформаторы, номинальная мощность которых не менее 1 кВ-А (ГОСТ 30830-2002), а также трансформаторы напряжения (номинальная мощность не более 1,2 кВ-А ), включающие трансформаторы для сигнализации и управления (ГОСТ 1983-2001). Испытаниям указанных видов трансформаторов посвящена данная работа. Для краткости они объединяются общим термином «трансформаторы напряжения» (ТН), что соответствует и терминологии по ГОСТ 18685-73.

Надёжность оборудования с использованием ТН в значительной степени зависит от их качества. Большое число аварий сопровождалось деформацией обмоток ТН (16% по российским данным и около 11% - по зарубежным). Было паидскс, что деформация обмоток приводит к изменению их сопротивления. Б связи со сказанным становится понятным, почему особенно интенсивно развиваются методы, контролирующие сопротивление пары обмоток. Этот контроль может проводиться при отключении ТН от сети, в которой они должны работать. Такие методы диагностики трансформаторов принято называть тестовыми. В последние годы появился ряд работ, в которых контроль сопротивления пары обмоток проводится в рабочем режиме (функциональные методы).

Важным вопросом является определение порогового значения изменения сопротивления пары обмоток, выше которого трансформатор уже нельзя уверенно применять. По разным данным, это значение может составлять от 0,2% до 5% от первоначального значения. Неуклонно проводятся работы по снижению погрешности измерения сопротивления пары обмоток. Задача осложняется тем, что нежелательное изменение сопротивления пары обмоток маскируется изменением сопротивления от изменения температуры, частоты и других факторов. Для уверенного измерения сопротивления пары обмоток с учётом влияния всех этих факторов разрабатываются специальные информационно-измерительные системы, как для тестовых, так и для функциональных методов.

Вопросам разработки методов и систем измерения сопротивления пары обмоток ТН посвящены работы следующих российских и зарубежных авторов: Алпатов М.Е., Бутырин П.А., Гольдштейн Е.И., Дробышевский A.A., Конов Ю.С., Лурье А.И., Сви П.М., Хренников А. Ю., Arri Е.. Приводимые в литературе оценки точности измерения сопротивления пары обмоток (от 2 до 9%) не всегда соответствуют современным требованиям.

Целью работы является развитие информационно-измерительных систем для контроля сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения с повышенной точностью.

Достижение цели работы предполагает решение следующих основных задач:

1. Составление классификации методов диагностики деформации обмоток трансформаторов напряжения для обоснованного выбора перспективного метода измерения сопротивления пары обмоток ТН,

2. Разработка метрологического подхода к выбору точности системы измерения сопротивления пары обмоток ТН.

3. Проведение анализа известных методов измерения сопротивления пары обмоток ТН с точки зрения методических и инструментальных погрешностей и разработка способов их снижения.

4. Разработка информационно-измерительных систем для контроля сопротивления пары обмоток ТН.

Методы исследования. Для решения поставленных в настоящей работе задач использовались методы теории электрических машин и трансформаторов, теории вероятностей, теории управления, метрологии, информационно-

йЗмсрйТсЛЬКОИ ТсХмйКй.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Дана естественная классификация способов диагностики витковой деформации обмоток трансформаторов напряжения, в результате которой найден новый вид методов и систем измерения, исключающий влияние тока намагничивания.

2. Предложено выбирать требования к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии, если пределы допустимых погрешностей эталонного и поверяемого средств измерений заменить соответственно на предел допустимой погрешности системы измерения изменения сопротивления пары обмоток и пороговое значение допустимого изменения этого сопротивления.

3. Предложен новый метод измерения сопротивления пары обмоток ТН, позволяющий исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерения путём расчёта модуля отношения разности входного и приведённого ко входу выходного напряжения на сумму входного и приведённого ко входу выходного токов с определёнными весовыми коэффициентами. Даны методики достаточно точного нахождения указанных коэффициентов приведения и весовых коэффициентов.

4. Предложено, при определении сопротивления пары обмоток ТН, ввести в измерительную систему звено с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН. В результате уменьшаются погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник токов.

5. Впервые поставлен вопрос о важности ослабления влияния синфазных напряжений при функциональных методах измерения сопротивления пары обмоток. Предложено для ослабления синфазных напряжений использовать в измерительных системах индуктивные делители, метод образцовых сигналов и метод коммутационного инвертирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в пределах неопределённости измерений результатов расчётов и

экспериментальных данных, а также совпадением результатов измерения сопротивления пары обмоток по предложенному методу и по известному методу короткого замыкания при условии исключения влияния тока намагничивания.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- Естественная классификация методов диагностики витковых деформации обмоток трансформаторов напряжения позволяет выявить новые методы измерения сопротивления пары обмоток ТН, в частности методы, свободные от влияния тока намагничивания.

- Выбор требований к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии позволяет обеспечить надёжный контроль при минимально необходимой для этого точности, то есть при минимально необходимых затратах.

- Предложенный способ измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов позволяет исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерительных систем, как при тестовом, так и при функциональном методах. Поэтому впервые удаётся получать теоретически идентичные результаты для обоих методов.

- Введение звена с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН, способствует уменьшению погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник тока, что особенно важно для контроля ТН в реальных условиях его эксплуатации.

- Разработанные методы ослабления синфазных сигналов при измерении сопротивления пары обмоток ТН могут существенно повысить точность контроля.

- Разработанные структурные схемы систем измерения сопротивления пары обмоток ТН позволяют обеспечить надёжный контроль ТН в рабочих условиях их эксплуатации.

Результаты работы учтены при выполнении договора № 2176080 от 01.07.2008 г. по теме «Разработка и изготовление измерительной аппаратуры для контроля и диагностики деформаций обмоток крупных силовых трансформаторов, находящихся под нагрузкой». Этот договор был заключён между НП «ИНВЭЛ» и ГОУВПО МЭИ (ТУ) по программе Правления ОАО РАО ЕЭС России «Повышение эффективности отечественной энергетики в современных условиях».

Некоторые результаты исследований внедрены в учебный процесс путём постановки лабораторной работы и публикации учебного пособия.

Основные теоретические результаты работы проверялись экспериментально на однофазных трансформаторах с номинальной мощностью 0,18 кВ-А при частоте 50 Гц. Рассмотрены некоторые особенности применения разработанных методов на мощных трёхфазных трансформаторах, а также влияние частоты входного напряжения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» 2006, 2008 гг., 14 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Материалы диссертационной работы опубликованы в научных изданиях. Общее число публикаций - 12, в том числе, 1 патент РФ на изобретения, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одно учебное методическое пособие.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения, библиографического списка, включающего 88 источников. Работа изложена на 138 страницах, содержит 52 рисунка и 5 таблиц.

ЛП 7ГТГ Т' А ПТ1Г Т5 Л ГЛТ1 Т

Ш/Uixilj A лили х ш

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулированы цель работы, научная новизна и практические результаты.

Первая глава содержит обзор методов и средств диагностики деформации обмоток трансформаторов напряжения. На основе обзора предложена естественная классификация на рис. 1. Анализ известных на сегодняшний день методов диагностики витковых деформаций обмоток трансформаторов напряжения показывает, что наиболее перспективным среди них является метод измерения сопротивления пары обмоток трансформатора.

Из литературы известны комплексные уравнения ТН:

(1)

É2=Ú2+Í2Z2, (2)

¿,=U' (3)

где кп? - коэффициент приведения (термин введён в диссертации впервые). В литературе этот коэффициент обычно принимается в точности равным отношению числа витков первичной и вторичной обмоток и называется коэффициентом трансформации. Во второй главе показывается, что это приближение может вызвать недопустимо большие погрешности. Термин «коэффициент трансформации» стандартизован для ТН (ГОСТ 18635-73) и равен «отношению напряжений на зажимах первичной и вторичной обмоток при холостом ходе». Это определение даёт ещё большие отличия от кпр.

Под полным сопротивлением пары обмоток трансформатора (Zo6„) в данной работе понимается сумма комплексных сопротивлений первичной обмотки (Z0 и вторичной обмотки (Z2), приведенной к первичной обмотке Z'2= ZJk2^, для Т-образной схемы замещения трансформатора (рис. 2). Модуль полного сопротивления пары обмоток трансформатора (кратко - сопротивление пары обмоток трансформатора)

Напряжением пары обмоток назовём разность напряжения на первичной обмотке и напряжения на вторичной обмотке, приведенного к первичной обмотке.

Методика нахождения коэффициента приведения рассмотрена в третьей

главе.

Рис. 1. Классификация методов диагностики деформации обмоток трансформаторов.

7 k об» 7' ¿.j 2 1

о-CZJ-.——СП-о

—>■ { —>■

А 1

с-:-,--с

Рис. 2. Т-образная схема замещения трансформатора напряжения.

Одним из существенных признаков в данной классификации принята возможность исключения влияния намагничивающего тока 1М. В этом случае схема на рис. 2 преобразуется к двухполюснику, описываемому (4). Целый ряд известных методов предполагает это допущение. Однако, для повышения точности измерения, желательно применять способы, исключающие это влияние, как при тестовом, так и функциональном методах контроля. В настоящее время, теоретически полностью это влияние исключается только в способе с дополнительной обмоткой, предложенном в Томском политехническом университете. Однако введение дополнительной обмотки может встретить затруднения при его внедрении. Поэтому в данной работе поставлен вопрос о разработке методов измерения сопротивления пары обмоток с исключением влияния намагничивающего тока без применения дополнительной обмотки. Этот способ развивается в третьей главе.

Вторая глава посвящена анализу погрешностей известных методов измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения. Проведена разработка метрологического подхода к выбору точности системы измерения сопротивления пары обмоток ТН. Обозначим: §од - предел допустимых погрешностей системы измерения изменения сопротивления пары обмоток ТН; 5Д - предел допустимого изменения сопротивления пары обмоток трансформатора; РНтах - максимальная условная вероятность ошибки признания негодного трансформатора годным; 6К - значения допуска контроля изменения сопротивления пары обмоток трансформатора; ох - результат измерения изменения сопротивления пары обмоток трансформатора. Соотношение между введёнными параметрами хорошо изучено в метрологии. Рассмотрим пример. Пусть 6Д = 3%, 60д= 1%, РНтах <0,1. Тогда, например, из стандарта РМГ 74-2004, находим 5К = 2,4%. Трансформатор считается пригодным для эксплуатации, если 5Х < 2,4%. Мы рассмотрели предел допустимых погрешностей измерения изменения сопротивления пары обмоток ТН: 80д= 1%. Предположим, что два измерения, с помощью которых находится это изменение, независимы между собой. Тогда предел допустимой погрешности измерения сопротивления пары обмоток ТН должен быть выбран в 42 раз меньше, то есть Soä_Zo6m ~ 0,71%. В литературе описаны системы, в которых предел допустимой погрешности измерения сопротивления пары обмоток ТН составляет от 2% до 9%. Достоверность контроля с помощью таких систем представляется недостаточной.

Рассмотрим методическую погрешность измерения сопротивления пары обмоток от влияния тока намагничивания для известных способов и устройств. Экспериментальная зависимость тока намагничивания от напряжения питания для трансформатора ТС -180 показана на рис. 3. При номинальном напряжении 127 В ток намагничивания (холостого хода) составляет 0,3 А или 20% от номинального тока 1,5 А. Сходные соотношения между током холостого хода и номинальным током приводятся в литературе и для некоторых мощных трансформаторов, хотя для многих из них это отношение не превышает единиц процента.

50 100

Рис. 3. Зависимость тока намагничивания /м от напряжения в режиме холостого хода для трансформатора ТС-180.

Рис. 4. Зависимость сопротивления гм от тока короткого замыкания для трансформатора ТС-180.

В тестовом методе, с помощью метода короткого замыкания вторичной обмотки ТН, находится сопротивление короткого замыкания. Это сопротивление можно с помощью схемы на рис. 2 представить в виде

Z..+Z'.

(5)

Сопротивление намагничивания, для исследованного в работе образца ТН, показано на рис. 4. Данный график относится к режиму короткого замыкания, при котором напряжение на сопротивлении намагничивания не превышает 15 вольт. Из сравнения (4) и (5) можно найти отличие сопротивления пары обмоток от сопротивления короткого замыкания. Для исследованного ТН оно составило около 0,5 %. Это отличие может не являться погрешностью, если контроль ТН проводится только по сопротивлению короткого замыкания. Однако в рабочем режиме влияние тока холостого тока существенно больше, а получение результата (5) невозможно. Поэтому точное сравнение результатов тестового и функционального метода становится принципиально недостижимым.

В работе найдена относительная погрешность измерения сопротивления пары обмоток от влияния отличия коэффициента приведения от номинального значения (для простоты предполагается совпадение напряжений по фазе)

Согласно литературным данным, приведённое выходное напряжение может превышать напряжение пары обмоток до 160 раз (с учётом измерения напряжения при токах в 25% от номинального значения). При отличии коэффициента приведения напряжения от номинального значения на 0,1 % погрешность измерения сопротивления пары обмотки равна 16 %. Напомним, что порог допустимого изменения сопротивления пары обмоток составляет типично всего 3%, а предел допустимого значения погрешности измерения сопротивления пары обмоток при этом равен 0,71%.

При измерении напряжения пары обмоток, напряжение 1/Сф = 0,5(11\ + &пр и г) является влияющей величиной, которую в диссертации предлагается называть синфазным напряжением. В отличие от хорошо изученного синфазного входного напряжения (напряжения общего вида, продольной помехи) в дифференциальных усилителях, в трансформаторах напряжения, в общем случае, кпр Ф1, а напряжения их и 1/2 могут не иметь общей точки «общей земли»). Синфазное напряжение вызывает погрешность измерения напряжения пары обмоток. Обозначим эту погрешность как ДСф. Точность измерения зависит от коэффициента ослабления синфазных напряжений

Если принять допустимую относительную погрешность измерения сопротивления пары обмоток от влияния синфазного напряжения на уровне 0,16 %, то может потребоваться обеспечение коэффициента ослабления синфазных напряжений не менее 100 дБ. Такое подавление обеспечивается современными цифровыми вольтметрами с плавающим входом. Однако их непосредственное включение ограничено (смотри третью главу). Если измерять напряжения 1}\ и Иг непосредственно, как это делается в ряде известных работ, то разность относительных погрешностей измерения должна быть менее 0,001%, что на переменном токе в настоящее время недостижимо. При использовании, например, измерительных ТН, обеспечение высокого подавления синфазных напряжений вызывает определённые технические трудности. Лучшие современные измерительные рабочие ТН имеют класс точности 0,2 %. Если принять, что измерительные ТН на входе и выходе контролируемого ТН имеют различие погрешностей на 0,1 %, то К0с.сф падает до 60 дБ. Погрешность измерения сопротивления пары обмоток может при этом возрасти до 16 %.

Третья глава посвящена разработке новых методов измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения.

Допустимость и целесообразность применения тех или иных методов в большой мере зависит от поставленных задач и условий измерения. Соответствующая классификация приведена на рис. 5.

Общая земля у первичной и вторичной обмоток позволяет в принципе измерять напряжение пары обмоток непосредственно. На практике это

Яос.сф = 20¡Усф/Дсф-

(7)

возможно для тестовых методов при не слишком высоких напряжениях. Для функциональных методов наличие общей земли маловероятно.

Исследуемый трансформатор может быть с единичным или неединичньш коэффициентом приведения. В первом случае измерение упрощается благодаря возможности подключения цифрового вольтметра или АЦП с плавающим входом. Во втором случае, для применения такого прибора можно предложить использовать делители напряжения. Известны резистивные, индуктивные и емкостные делители. В настоящее время наибольшую точность (предел допустимой относительной погрешности до делители.

10') обеспечивают индуктивные

По напряжению первичней обмотхи трансформатора

По наличию общей земли входных и выходных напряжений

По отличию коэффициента приведения трансформатора от единицы

Рис. 5. Классификация задач по измерению сопротивления пары обмоток

ТН.

Для исключения влияния тока намагничивания предлагается новый алгоритм измерения сопротивления пары обмоток ТН, который пригоден как для тестовых, так и для функциональных методов.

По схеме замещения трансформатора на рис. 2 напряжение пары обмоток

к X

Кпр 2

2Х+К% кщ

Введём в рассмотрение коэффициенты

(В)

а--

(9)

1 -а--

(10)

Тогда из (8)-(10) получаем новую формулу для расчета сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения:

г. (П)

где /с5м =а1, +(!-«)—— ток пары обмоток трансформатора.

К

Формула (11) позволяет теоретически точно рассчитать сопротивление пары обмоток при любом токе намагничивания.

Как известно из литературы и подтверждено экспериментами автора, передаточная функция пары обмоток в широком частотном диапазоне может быть представлена последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности 4бм • В связи с этим при измерении сопротивления пары обмоток возникает ряд проблем. При изменении частоты появляется частотная погрешность. Вследствие отставания по фазе тока пары обмоток от напряжения пары обмоток возникает динамическая погрешность. Наконец, ток пары обмоток может содержать высшие гармоники, прежде всего за счёт нелинейности сопротивления намагничивания (смотри рис. 3 и рис. 4). Вследствие этого появляется погрешность от неинформативного параметра входного сигнала. Для исключения влияния частоты сети, улучшения динамических характеристик систем и уменьшения влияния высших гармоник, предлагается подавать напряжение пары обмоток й7 на блок с передаточной

функцией Кцс, обратной передаточной функции сопротивления пары обмоток. В простейшем случае этот блок может быть реализован при последовательном соединении резистора и конденсатора:

1 (12)

" «С

Тогда напряжение на конденсаторе

г) =/„,„(«-+—!------(13)

' \+ ¡о)ЯС

Если выбрать

(14)

* ойч

то получаем расчетную формулу для сопротивления пары обмоток, приведённого к частоте 50 Гц, независимо от её фактического значения

+ (15)

I 0бМ|

Применение алгоритма, описываемого формулой (11), и блока с передаточной функцией Ккс. обратной передаточной функции сопротивления

пары обмоток (12), иллюстрируется на примере трансформатора с единичным коэффициентом трансформации. Соответствующая схема показана на рис. 6.

Для определения весовых коэффициентов а и 1 - а, а также постоянной времени RC, вначале коэффициент приведения /спр предполагается равным номинальному значению (типично - отношению числа витков первичной и вторичной обмоток). С помощью измерений при прямом и обратном включении ТН определяются параметры Zb Z2, ЕоЫ и ¿оЕм. По формуле (9) находится весовой коэффициент а. По формуле (14) находится постоянная времени RC. Для исследуемого трансформатора ТС - 180, вначале коэффициент приведения кир полагался равным единице. Было найдено: весовой коэффициент а = 0,62, постоянная времени RC = 0,0065 с. На рис. 6, образцовые резисторы R\ и R6 преобразуют токи в напряжения. Делитель R1-Л8 выбирается в соответствии с отношением (1-а)/а. Цепочка Л9С, выбирается в соответствии с полученными значениями ни (14). Режим при нулевом сопротивлении нагрузки RH=0 предлагается в работе как дополнение к общепринятому режиму короткого замыкания ТН. Зависимость значения сопротивлений zoflM и zK от тока пары обмоток трансформатора показана на рис. 7. Основная причина отличий (около 0,5%) - влияние тока намагничивания. Другим достоинством метода является исключение влияния ненулевого сопротивления нагрузки, что создаёт определённые проблемы в общепринятом методе при очень малых сопротивлениях zK. Влияние погрешности определения коэффициента приведения в данном случае мало, так как напряжение на вторичной обмотке близко нулю. Погрешность определения коэффициента а здесь также обычно несущественна, поскольку ток намагничивания при коротком замыкании относительно мал. Практически относительная погрешность измерения сопротивления пары обмоток при RH=0 определяется метрологическими характеристиками вольтметра и легко может быть обеспечена на уровне меньше 0,1 %.

1

17,7 | 1

17,2 f 0,0

!обм (А) 1,0 1,5

0,0 0,5 1,0 1,5

Рис.7. Зависимость сопротивления zK и ^обм от тока пары обмоток трансформатора

Рис.6. Схема для измерения сопротивления zo5:,,

Тестовый метод с общей землёй, но при * 0, может быть также реализован с помощью схемы на рис. 6. Получаемые зависимости сопротивления пары обмоток от тока пары обмоток могут отличаться от

соответствующих кривых для й„ = 0 вследствие отличия коэффициента приведения от номинального значения и (в меньшей степени) от неточного определения коэффициента а. Путем регулировки делителей Я2-Я3 и Й4-К5 можно учесть отклонения коэффициента приведения кпр от принятого раньше значения. Путем регулировки делителя можно учесть отклонения

коэффициента а. Для трансформатора ТС-180 была найдена к„р = 0,9995, а = 0,63. Отличие измеренных значений сопротивления пары обмоток от полученных ранее при Я„ = 0 не превышало 0,26 % в диапазонах входного напряжения (101-127) В и тока пары обмоток (0,375-1,5) А (рис. 8). По существу, данный метод приближается к испытанию ТН в рабочем режиме. Без использования предложенных методов погрешность измерения при тех же условиях составляла около 1 %. При значительном отличии кир от единицы можно применить индуктивные делители, о которых говорилось выше.

'.о л ......(Он)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Рис. 8. Зависимость сопротивления пары обмоток трансформатора го5ч от тока пары обмоток при применение а=0,63, £пр = 0,9995 и 11С цепи

В четвертой главе рассмотрены информационно-измерительные системы, которые основаны на предложенных методах измерения сопротивления пары обмоток. На рис. 9 показана структурная схема одной из этих систем. В соответствии с классификацией на рис. 5, реализуется рабочий режим с высоковольтным напряжением питания; принято, что входное и выходное напряжения имеют разные земли, а трансформатор имеет неединичный коэффициент приведения.

Исследуемый трансформатор

АЦПЗ

' №N-3202 ;

Рис. 9. Структурная схема системы измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения в рабочем режиме.

Для понижения высоковольтных напряжений используются прецизионные индуктивные делители напряжения ИДН1 и ИДН2, с относительной погрешностью деления менее 5-10"6. Индуктивные делители выпускаются в России и за рубежом с диапазонами входных напряжений от сотен вольт (например, ВТТ1А, 7924 №1, ДИ-Зм) до сотен киловольт (индуктивный делитель напряжения с конденсаторной коррекцией типа А'ЯС-РТВ с коэффициентами деления от (110/2 кВ)/( 100/2 В) до (400/л/З кВ)/(100ЛЛ В)). Пределы допустимых значений относительных погрешностей этих делителей лежат в пределах от ±5-10"7 до ±5-10""'. В соответствии с анализом, проведённым во второй главе, худший из рассмотренных делителей вносит несущественную погрешность при самом большом отношении входного напряжения к напряжению пары обмоток. Коэффициенты деления выбираются исходя из номинального значения коэффициента приведения. Для коррекции отличия значения коэффициента приведения напряжения кар от номинального значения подключается подстроечный резистивный делитель напряжения на резисторах Ю и Н4. Требования к точности этих резисторов невелики, поскольку номинальный коэффициент деления близок единице. Если, например, кч = 0,9995 (смотри главу 3), то погрешность любого из резисторов ИЗ или 114 на 1% вызовет погрешность делителя на пренебрежимо малую величину 5-10"6. Для уменьшения погрешности взаимодействия можно включить на выходе делителя повторитель напряжения (не показан на рис. 9).

При измерении напряжения пары обмоток 01 - кпр02 требуется обеспечение гальванического разделения. Оно позволяет защищать элементы систем измерения сопротивления пары обмоток ТН от высоковольтных

напряжений и даёт возможность измерения напряжения пары обмоток с разными землями входных и выходных напряжений. В системе на рис. 9 гальваническое разделение выполняется с помощью дифференциального трансформатора тока ДТТ с резистивными преобразователями напряжения в ток на резисторах и К2. Этот трансформатор состоит из двух одинаковых входных обмоток и одной выходной обмотки. Для повышения коэффициента ослабления синфазных напряжений (смотри главу 2), если это окажется необходимым, можно предусмотреть подстройки или применить один из двух, ниже приведённых способов.

Первый способ основан на подаче образцового сигнала и отображён на рис. 9. Первоначально, ключ находиться в положении 1-Г, а аналого-цифровой преобразователь АЦПЗ имеет на входе напряжение

А и ВЫХ. изм = и 1(1+81) - и 1(1+82), (16)

где 5[ и 62 - погрешности преобразования входных и выходных напряжения трансформатора.

В положении ключа 2-2' сигнал на входе АЦПЗ

О вых. изм = V 1(1+81) - 0 2(1+82), (17)

Если погрешности каналов существенно различаются, то выражение (17) предсказывает возможность очень большой погрешности, когда синфазное напряжение намного больше дифференциального (смотри главу 2).

В вычислительном устройстве ВУ выходные сигналы АЦПЗ, соответствующие (16) и (17), вычитаются в одинаковые по фазе моменты времени. Полученная последовательность кодов затем обрабатывается для реализации численным методом функции (12). Затем находится действующее напряжение, которое может отличаться от идеального значения на относительную погрешность 82.

Для определения сопротивления пары обмоток необходимо знать модуль взвешенных токов (смотри главу 3). Нужное значение обеспечивают трансформаторы токов ТТ1 и ТТ2, блоки преобразователей тока в напряжение П1 и П2 с масштабным преобразователем, сумматор С и аналого-цифровой преобразователь АЦП2. Далее находится действующее значение тока пары обмоток и рассчитывается сопротивление пары обмоток как

|^вых.изм ^^вых изм I /1 0\

гоб„=!-¡у—]-(1»)

| обм [

Второй способ подавления синфазного сигнала основан на применении метода коммутационного инвертирования. Применительно к схеме на рис. 9 его реализация означала бы изменение мест подключения не только цепи с резистором Й1, но и цепи с резистором /?2. Затем рассчитывается полу-разность векторов напряжения, реализуется в численном виде (12), находится действующее значение напряжения. Остаточная относительная погрешность в этом случае определяется как

Если погрешности 5i и 62 независимы и имеют одинаковый диапазон изменения симметричный относительно нуля, то метод коммутационного инвертирования при прочих равных условиях даёт в V2 раз меньшую погрешность, чем метод образцового сигнала, ценой большей сложности.

Температура испытуемого ТН преобразуется в код и вводится в ВУ для приведения сопротивления пары обмоток к номинальной температуре и для коррекции параметров в выражении (15).

В качестве ИИС предполагается два варианта реализации с применением микроконтроллеров (МК), например МК Aduc8l6 фирмы Analog Devices или с более совершенной технологией фирмы National Instruments с программным обеспечением Labview для получения, обработки и отображения результатов. Измерительные узлы компании National Instruiiic/its могут работать от четырех аккумуляторных батарей до трех лет, что является идеальным решением при долгосрочной эксплуатации системы. Узел с аналоговым входом N1 WSN-3202 с четырьмя каналами и с диапазоном входного напряжения ± 10 V и узел термоэлемента N1 WW-3212 с четырьмя каналами и с разрешением 24 двоичных разряда имеют по четыре цифровых I/O-канала, которые могут быть сконфигурированы как вход (сток) или выход (источник). В платформу входит также Ethernet коммутатор N1 WSN-9191, предназначенный для подключения измерительных модулей к LabVIEW.

В систему также входит программное обеспечение N1WSN, позволяющее управлять измерительными модулями из среды программирования LabVIEW, запущенной на удаленном контроллере под ОС Windows или LabVIEW RealTime. Программное обеспечение N1WSN базируется на стандарте IEEE 802.15.4 и позволяет снимать данные измерений с распределенных в пространстве измерительных модулей. Программное обеспечение также позволяет контролировать энергопотребление во всей системе, что дает возможность поддерживать работоспособность сети при перемещении измерительных модулей на большое расстояние. Отметим, что среда графического программирования LabVIEW позволяет конфигурировать проводные измерительные устройства, а также измерительные платформы других производителей. За счет использования среды графического программирования LabVIEW специалисты могут с легкостью конфигурировать измерительные узлы, увеличивая время их работы от батареи, создавать собственные алгоритмы обработки данных и увеличивать быстродействие.

В данной работе предлагается следующая последовательность испытаний

ТН.

1-ый этап: измеряем а - отношение модуля сопротивления первичной обмотки к сопротивлению пары обмоток при номинальном значении коэффициента приведения. С учётом полученных результатов проводим измерение сопротивления пары обмоток, активного и индуктивного сопротивления пары обмоток в функции тока пары обмоток при использовании

общей земли, при нулевом сопротивлении нагрузки, с помощью эталонных вольтметра и фазометра.

2-ый этап: измеряем сопротивление пары обмоток исследуемого трансформатора напряжения как на первом этапе, но для требуемого в рабочих условиях диапазона входных напряжений и нагрузки. Возможна корректировка коэффициентов кпр и а.

3-ый этап: подключаем измерительную систему (например, по рис. 9) и проводим измерение сопротивления пары обмоток исследуемого трансформатора напряжения для требуемого в рабочих условиях диапазона входных напряжений и нагрузки.

Алгоритм работы системы проведен ниже:

1. Измерение температуры.

2. Предварительное измерение тока пары обмоток.

3. Определение расчётных значений активного сопротивления пары обмоток, индуктивности и сопротивления пары обмоток с учётом температуры и тока.

4. Подстановка найденных значений для имитации в цифровой форме ЯС-цепочки, преобразующей напряжение пары обмоток (смотри Главу 3).

5. Измерение ряда значений напряжения А£/вых. и», в течение периода тока, когда ключ находится в положении 1-Г.

6. Измерение ряда значений тока обмотки 705м и напряжения 0 вых. шм, в течение периода тока, когда ключ находиться в положении 2-2'.

7. Вычисление ряда значений напряжения после вычитания (16) из (17).

8. Вычисление значения тока пары обмоток ¡/овв[.

9. По полученным параметрам ИС цепи после обработки последовательности кодов 0 обы по численному методу определение 0 ЕЫХ в соответствии с (13).

10. Вычисление значения сопротивления пары обмоток гобм по формуле

(15).

11. Вычисление разности измеренного сопротивления пары обмоток и рассчитанного в пункте 3.

Результаты пункта 11 используются при калибровке системы - для определения необходимых подстроек, при поверке системы - для суждения о её соответствии заданной точности (ориентировочно - предел допустимой основной погрешности в рабочих условиях равен ±0,5 %). При включении системы на рабочее напряжение и требуемые нагрузки результат пункта 11 используется для суждения об исправности трансформатора.

В заключении приводятся полученные в диссертационной работе результаты, основными из которых являются следующие:

1. Предложена естественная классификация способов диагностики витковой деформации обмоток трансформаторов напряжения, в результате которой найден новый класс методов и систем измерения, исключающий влияние тока намагничивания без дополнительной обмотки.

2. Выявлено требование к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии. Если допустимое изменение сопротивления пары обмоток ТН, в соответствии с РД ЭО 0410-02, равно 3%, а максимальная условная вероятность ошибки признания негодного ТН годным РНтах < 0,1, то необходимый предел допустимой погрешности измерения сопротивления пары обмоток ТН Дод zo6m ~ 0,71 %, что в несколько раз меньше полученного в ряде известных систем (2-9%).

3. Выявлены следующие основные причины, по которым известные методы измерения сопротивления пары обмоток ТН не могут обеспечить требуемую точность (погрешность от разных причин может составлять до 1016%): влияние сопротивления намагничивания, отличие коэффициента приведения от номинального значения и погрешность от влияния синфазного напряжения.

4. Предложен новый метод измерения сопротивления парьт обмоток ТН, позволяющий исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерения путём расчёта модуля отношения разности входного и приведённого ко входу выходного напряжения на сумму входного и приведённого ко входу выходного токов с определёнными весовыми коэффициентами. Даны методики достаточно точного нахождения указанных коэффициента приведения и весовых коэффициентов. Предложено, при определении сопротивления пары обмоток ТН, ввести в измерительную систему звено с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН. В результате в несколько раз (для испытанного ТН - с 1% до 0,26%) уменьшаются погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник тока.

5. Впервые поставлен вопрос о важности ослабления влияния синфазных напряжений при функциональных методах измерения сопротивления пары обмоток. Предложено для ослабления синфазных напряжений использовать в измерительных системах индуктивные делители, метод образцовых сигналов и метод коммутационного инвертирования.

6. Разработаны структурные схемы систем измерения сопротивления пары обмоток ТН, в которых реализованы предложенные методы с результирующей погрешностью около 0,5 %, что примерно в четыре раза меньше достигнутых ранее результатов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Хоанг В.Н., Малиновский В.Н. Методы и средства контроля и диагностики состояния обмоток мощных силовых трансформаторов // Электротехника. - 2009. - N 10. С. 36-42.

2. Хоанг В.Н., Малиновская В.В., Малиновский В.Н. Прибор для измерения сопротивления короткого замыкания трансформаторов в режиме онланн-моннторинга // Вестник МЭИ. - 2009. -N 5. С. 18-23.

П-

3. Пат. 63940 Р.Ф Измерительный трансформаторный преобразователь тока в напряжение/ Малиновский В.Н, Муборакшоев Д.Т, Хоанг В.Н.; заявл. 29.01.2007; опубл. 10.06.2007 Бюл. N16.

4. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Контроль витковых деформации обмоток силовых трансформаторов //Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. - 2009. - N 1. -С. 126-129.

5. Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Повышение устойчивости к самовозбуждению трансформаторных измерительных преобразователей тока в напряжение промышленной частоты// Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». - Москва., 2008. - Т 1. - С. 397-398.

6. Хоанг В.Н. Опыты применения микроконтроллера Analog Devices ADUC816 в приборе контроля деформации обмоток трансформаторов под нагрузкой.'/ Четырнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». -Москва., 2008. - Т 1. - С. 406-407.

7. Малиновский В.Н., Муборакшоев Д.Т., Хоанг В.Н. Методы контроля и диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов в рабочих режимах (on-line monitoring)// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. - Москва., 2006. - Т 2. - С. 126-129.

8. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Контроль витковых деформации обмоток силовых трансформаторов// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. - Москва., 2008. - Т 3. - С. 106-108.

9. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Трансформаторный измерительный преобразователь разности напряжений промышленной частоты// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. - Москва., 2008.-ТЗ.-С. 109-111.

10. Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Выпрямители переменного напряжения// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. - Москва., 2008.-ТЗ.-С. 59-65.

П.Малиновский В.Н., Муборакшоев Дж., Хоанг В.Н., Тан Тайк У. Фильтр нижних частот// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. - Москва., 2008. - Т 3. - С. 53-58.

12.Малиновский В.Н., Хоанг В.Н. Измерительная система для экспериментального исследования семейства коллекторных характеристик транзисторов малой мощности. Лабораторная работа № 3: методическое пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 8 с.

Подписано в печать i 06', Юг. Зак. 35 Тир. fOC> п.л. /Jd Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОРНАЯ ЧАСТЬ.

1.1 Понятия, термины, обозначения и классификация трансформаторов.

1.2. Естественная классификация методов диагностики деформации обмоток трансформаторов напряжения.

1.3. Тестовые методы диагностики витковых деформаций обмоток трансформаторов.

1.4. Функциональные методы диагностики витковых деформаций обмоток трансформаторов.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗВЕСТНЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПАРЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ.

2.1. Требование к точности измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения.

2.2. Погрешности от влияния тока намагничивания.

2.3. Погрешности от влияния коэффициента приведения напряжения на вторичной обмотке ТН к его первичной обмотке.

2.4. Инструментальные погрешности измерения сопротивления пары обмоток ТН.

2.4.1 Погрешность от влияния синфазного напряжения.

2.4.2 Погрешность от влияния температуры и частоты.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА НОВЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПАРЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ.

3.1. Измерение сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения при различных условиях эксперимента.

3.2. Новый метод измерения сопротивления пары обмоток ТН.

3.3. Определение значения весовых коэффициентов тока трансформатора напряжения.

3.4. Метод измерения сопротивления пары обмоток ТН с исключением влияния частоты сети, улучшением динамических характеристик систем и уменьшением влияния высших гармоник.

3.5. Коррекция коэффициента деления ИДН.

3.6. Применение нового метода измерения сопротивления обмоток в тестовом режиме при различных сопротивлениях нагрузки.

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПАРЫ ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ.

4.1. Структурные схемы информационно-измерительные системы для измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения.

4.1.1. Информационно-измерительные системы для измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения в тестовом режиме.

4.1.2. Информационно-измерительные системы для измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения в функциональном режиме.

4.2. Методы измерения напряжения пары обмоток трансформаторов напряжения.

4.2.1. Измерение напряжения пары обмоток ТН по схеме с общей землей у первичной и вторичной обмоток.

4.2.2. Обеспечение гальванического разделения при измерении напряжения пары обмоток ТН.

4.2.3. Способ подавления синфазных сигналов с помощью метода образцового сигнала.

4.2.4. Способ подавления синфазных сигналов с помощью метода коммутационного инвертирования.

4.2.5. Требование к точности синхронизации измерения в двух независимых тактах измерения напряжения пары обмоток.

4.3. Измерение тока пары обмоток трансформатора напряжения.

4.4. Информационно - измерительная система для измерения, обработки и отображения результатов.

4.4.1. ИИС с применением технологии фирмы National Instruments и программы Labview.

4.4.2. Последовательность испытаний ТН.

4.5. Оценки погрешности ИИС для измерения сопротивления пары обмоток трансформатора.

Среди трансформаторных преобразователей напряжения в напряжение можно выделить силовые трансформаторы, номинальная мощность которых не менее 1 кВ-А (ГОСТ 30830-2002), а также трансформаторы напряжения (номинальная мощность не более 1,2 кВ-А), включающие трансформаторы для сигнализации и управления (ГОСТ 1983-2001). Испытаниям указанных видов трансформаторов посвящена данная работа. Для краткости они объединяются общим термином «трансформаторы напряжения» (ТН), что соответствует и терминологии по ГОСТ 18685-73.

Надёжность оборудования с использованием ТН в значительной степени зависит от их качества. Большое число аварий сопровождалось деформацией обмоток TIT (16% по российским данным и около 11% - по зарубежным [1 - 4]). Было найдено, что деформация обмоток приводит к изменению их сопротивления. В связи со сказанным становится понятным, почему особенно интенсивно развиваются методы, контролирующие сопротивление пары обмоток. Этот контроль может проводиться при отключении ТН от сети, в которой они должны работать. Такие методы диагностики трансформаторов принято называть тестовыми. В последние годы появился ряд работ, в которых контроль сопротивления пары обмоток проводится в рабочем режиме (функциональные методы).

Важным вопросом является определение порогового значения изменения сопротивления пары обмоток, выше которого трансформатор уже нельзя уверенно применять. По разным данным, это значение может составлять от 0,2% до 5% от первоначального значения [5 - 9]. Неуклонно проводятся работы по снижению погрешности измерения сопротивления пары обмоток. Задача осложняется тем, что нежелательное изменение сопротивления пары обмоток маскируется изменением сопротивления от изменения температуры, частоты и других факторов. Для уверенного измерения сопротивления пары обмоток с учётом влияния всех этих факторов разрабатываются специальные информационно-измерительные системы, как для тестовых, так и для функциональных методов.

Вопросам разработки методов и систем измерения сопротивления пары обмоток ТН посвящены работы следующих российских и зарубежных авторов: Алпатов М.Е., Бутырин П.А., Гольдштейн Е.И., Дробышевский A.A., Конов Ю.С., Лурье А.И., Сви П.М., Хренников А. Ю., Arri Е. Приводимые в литературе оценки точности измерения сопротивления пары обмоток (от 2 до 9%) не всегда соответствуют современным требованиям.

Целью работы является развитие информационно-измерительных систем для контроля сопротивления пары обмоток трансформаторов напряжения с повышенной точностью.

Достижение цели работы предполагает решение следующих основных задач:

1. Составление классификации методов диагностики деформации обмоток трансформаторов напряжения для обоснованного выбора перспективного метода измерения сопротивления пары обмоток ТН.

2. Разработка метрологического подхода к выбору точности системы измерения сопротивления пары обмоток ТН.

3. Проведение анализа известных методов измерения сопротивления пары обмоток ТН с точки зрения методических и инструментальных погрешностей и разработка способов их снижения.

4. Разработка информационно-измерительных систем для контроля сопротивления пары обмоток ТН.

Методы исследования. Для решения поставленных в настоящей работе задач использовались методы теории электрических машин и трансформаторов, теории вероятностей, теории управления, метрологии, информационно-измерительной техники.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Дана естественная классификация способов диагностики витковой деформации обмоток трансформаторов напряжения, в результате которой найден новый вид методов и систем измерения, исключающий влияние тока намагничивания.

2. Предложено выбирать требования к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии, если пределы допустимых погрешностей эталонного и поверяемого средств измерений заменить соответственно на предел допустимой погрешности системы измерения изменения сопротивления пары обмоток и пороговое значение допустимого изменения этого сопротивления.

3. Предложен новый метод измерения сопротивления пары обмоток ТН, позволяющий исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерения путём расчёта модуля отношения разности входного и приведённого ко входу выходного напряжения на сумму входного и приведённого ко входу выходного токов с определёнными весовыми коэффициентами. Даны методики достаточно точного нахождения указанных коэффициентов приведения и весовых коэффициентов.

4. Предложено, при определении сопротивления пары обмоток ТН, ввести в измерительную систему звено с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН. В результате уменьшаются погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник токов.

5. Впервые поставлен вопрос о важности ослабления влияния синфазных напряжений при функциональных методах измерения сопротивления пары обмоток. Предложено для ослабления синфазных напряжений использовать в измерительных системах индуктивные делители, метод образцовых сигналов и метод коммутационного инвертирования.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в пределах неопределённости измерений результатов расчётов и экспериментальных данных, а также совпадением результатов измерения сопротивления пары обмоток по предложенному методу и по известному методу короткого замыкания при условии исключения влияния тока намагничи вания.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

- Естественная классификация методов диагностики витковых деформации обмоток трансформаторов напряжения позволяет выявить новые методы измерения сопротивления пары обмоток ТН, в частности методы, свободные от влияния тока намагничивания.

- Выбор требований к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии позволяет обеспечить надёжный контроль при минимально необходимой для этого точности, то есть при минимально необходимых затратах.

- Предложенный способ измерения сопротивления пары обмоток трансформаторов позволяет исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерительных систем, как при тестовом, так и при функциональном методах. Поэтому впервые удаётся получать теоретически идентичные результаты для обоих методов.

- Введение звена с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН, способствует уменьшению погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник тока, что особенно важно для контроля ТН в реальных условиях его эксплуатации.

- Разработанные методы ослабления синфазных сигналов при измерении сопротивления пары обмоток ТН могут существенно повысить точность контроля.

- Разработанные структурные схемы систем измерения сопротивления пары обмоток ТН позволяют обеспечить надёжный контроль ТН в рабочих условиях их эксплуатации.

Результаты работы учтены при выполнении договора № 2176080 от \ 01.07.2008 г. по теме «Разработка и изготовление измерительной аппаратуры для контроля и диагностики деформаций обмоток крупных силовых трансформаторов, находящихся под нагрузкой». Этот договор был заключён между НП «ИНВЭЛ» и ГОУВПО МЭИ (ТУ) по программе Правления ОАО РАО ЕЭС России «Повышение эффективности отечественной энергетики в современных условиях».

Некоторые результаты исследований внедрены в учебный процесс путём постановки лабораторной работы и публикации учебного пособия.

Основные теоретические результаты работы проверялись экспериментально на однофазных трансформаторах с номинальной мощностью 0,18 кВ-А при частоте 50 Гц. Рассмотрены некоторые особенности применения разработанных методов на мощных трёхфазных трансформаторах, а также влияние частоты входного напряжения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» 2006, 2008 гг., 14 Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Материалы диссертационной работы опубликованы в научных изданиях. Общее число публикаций — 12, в том числе, 1 патент РФ на изобретения, 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, одно учебное методическое пособие.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения, библиографического списка, включающего 88 источников. Работа изложена на 138 страницах, содержит 52 рисунка и 5 таблиц.

Основные результаты, полученные в работе, даются ниже.

1. Предложена естественная классификация способов диагностики витковой деформации обмоток трансформаторов напряжения, в результате которой найден новый класс методов и систем измерения, исключающий влияние тока намагничивания без дополнительной обмотки.

2. Выявлено требование к точности систем измерения сопротивления пары обмоток ТН по известным правилам метрологии. Если допустимое изменение сопротивления пары обмоток ТН, в соответствии с РД ЭО 0410-02, равно 3%, а максимальная условная вероятность ошибки признания негодного ТН годным РНтах < 0,1, то необходимый предел допустимой погрешности измерения сопротивления пары обмоток ТН Дод2обм ~ 0,71 %, что в несколько раз меньше полученного в ряде известных систем (2-9%).

3. Выявлены следующие причины, по которым известные методы измерения сопротивления пары обмоток ТН не могут обеспечить требуемую точность (погрешность от разных причин может составлять до 10-16%): влияние сопротивления намагничивания, отличие коэффициента приведения от номинального значения и погрешность от влияния синфазного напряжения.

4. Предложен новый метод измерения сопротивления пары обмоток ТН, позволяющий исключить влияние тока намагничивания ТН на точность измерения путём расчёта модуля отношения разности входного и приведённого ко входу выходного напряжения на сумму входного и приведённого ко входу выходного токов с определёнными весовыми коэффициентами. Даны методики достаточно точного нахождения указанных коэффициентов приведения и весовых коэффициентов. Предложено, при определении сопротивления пары обмоток ТН, ввести в измерительную систему звено с обратным преобразованием по отношению к звену, отображающему напряжение пары обмоток ТН. В результате в несколько раз для испытанного ТН - с 1% до 0,26%) уменьшаются погрешности от колебаний частоты, динамических изменений нагрузки и высших гармоник тока.

5. Впервые поставлен вопрос о важности ослабления влияния синфазных напряжений при функциональных методах измерения сопротивления пары обмоток. Предложено для ослабления синфазных напряжений использовать в измерительных системах индуктивные делители, метод образцовых сигналов и метод коммутационного инвертирования.

6. Разработаны структурные схемы систем измерения сопротивления пары обмоток ТН, в которых реализованы предложенные методы с результирующей погрешностью около 0,5 %, что в четыре раза меньше достигнутых ранее результатов.

Заключение

1. Хренников А.Ю. Основные причины внутренних повреждений омоток силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в процессе эксплуатации // Промышленная энергетика. 2006. -N 12. - с. 12-14.

2. Хренников А. Ю., Сафонов А. А., Передельский В. А., Киков О. М., Якимов В. А. Опыт диагностики силового трансформаторного оборудования. -http://www.diarost.ru. Москва: филиал ФСК ЕЭС Московское ПМЭС, 2004.

3. Банин Б.В., Льбов Ю.Н. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110-500 кВ в эксплуатации // Электрические стации. 2001. - N9. - С. 53-58.

4. Соколов В.В. Актуальные задачи развития методов и средств диагностики трансформаторного оборудования без отключения от сети // Труды конференции. — Запорожье. 1995.

5. Конов Ю.С., В.В. Короленко, В.П. Федорова Обнаружение повреждений трансформаторов при коротких замыкания // Электрические Станции. 1980. - N 7. - С 46-48.

6. Лурье А. И., Шлегель О. А. Измерение отклонения индуктивного сопротивления при электродинамических испытаниях силовых трансформаторов // Электротехника. 1991. -N 12. - С. 35-38.

7. РД ЭО 0410-02 Методические указания по оценке состояния и продлению срока службы силовых трансформаторов. «РОСЭНЕРГОАТОМ» с 01.01.2004.

8. Соколов В.В., Цурпал C.B., Конов ТО.С. Короленко В.В. Определение деформации обмоток крупных силовых трансформаторов. // Электрические станции. — 1988. №6. — С. 42-48.

9. Конов Ю.С. Повышение электродинамических стойкости силовых трансформаторов класса 110 кВ. Крайз А.Г., Лепченко В.Т., Широков И.С., Языков В.И.

10. Круг К.А. Основы электротехники. Москва: Изд-во Государственное энергетическое, - 1952. - 432 с.

11. Вольдек А.И. Электрические машины. Изд-во «Энергия» Ленинградское отделение. - 1974.

12. Беспалов В.Я., Котеленец Н.Ф. Электрические машины. — изд. Academia.-2008.-308 С.

13. Китаев В.Е, Трансформаторы. Учеб, пособие для проф.-техн. учеб. заведении и подгог. рабочих на производстве, изд. 3, испр. - М., «Высш. школа», 1974. 207 с.

14. Гетманова А. Д. Учебник по логике. 2-е изд. — М.: "ВЛАДОС", 1995 г. —303 с.

15. ГОСТ 30830-2002 Трансформаторы силовые.

16. ГОСТ 1983-2001 Трансформаторы напряжения

17. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. Выявление деформаций обмоток. Москва: Энергоатомиздат, 1992. - с.186-192.

18. ГОСТ 3484.1-88 Трансформаторы силовые Методы электромагнитных испытаний.

19. Минченко Ю.Д., Ефанов A.B., Шимановский С.М. Диагностика механического состояния обмоток силового трансформатора. // Материалы X региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — СевероКавказскому региону». СевКавГТУ. — 2006.

20. Хренников А.Ю., Киков О.М. Диагностика силовых трансформаторов в Самараэнерго методом низковольтных импульсов // Электрические Станции. — Энергоатомиздат. — 2003. — №11. — С.47-51.

21. Хренников А.Ю., Шлегель O.A., Запорожец М.И. Диагностика повреждений силовых трансформаторов, находящихся в эксплуатации на ТЭЦ волжского автозавода // Электрические Станции, Энергоатомиздат. — 1994. — №2. С.43-46.

22. Хренников А.Ю. Методы диагностики механического состояния обмоток // Новости ЭлектроТехники.- 2009. — № 3(57). С.43-45.

23. Дробышевский A.A. Система диагностики состояния трансформатора «Импульс-8» // http://www.vei.ru/public/impuls/impuls.htm.

24. Аликин С. В., Дробышевский А. А., Левицкая Е. И., Филатова М.А., Ленива В.И. Диагностика обмоток силовых трансформаторов методом низковольтных импульсов // Электротехника. -1991.-№12.-С. 18-25.

25. Хренников А.Ю., Передельский В.А., Сафонов A.A., Якимов В.А. Применение метода низковольтных импульсов для диагностики состояния силовых трансформаторов // Энергетик № 9. — 2005. С.11-14.

26. Трунин Е.С., Хасанов P.A. Диагностика вибрационного состояния силовых трансформаторов в условиях электростанций // Электрические Станции. -Энергоатомиздат. 1987. — № 6. - С. 66—68.

27. Засыпкин A.C., Дорожко C.B., Гармаш В.А., Выявление деформации обмоток силовых трансформаторов по параметрам нулевой последовательности нормального режима. // Сборн. Труд. Новочеркасский государственный технический университет. 1996. — С. 41-44.

28. Пат. РФ N 2281522. Устройство для определения сопротивления короткого замыкания обмоток трехфазного трансформатора с выведенной на корпус нейтрально. Михеев Г.М., Федоров Ю.А., Баталыгин С.Н., Шевцов В.М. Авт. свид., кл. G01R 31/02 (2006.01), 2006 г.

29. Пат. РФ 2282862 Устройство для измерения тока и потерь холостого хода силовых трансформаторов при малом напряжении. Михеев Г.М., Федоров Ю.А., Баталыгин С.Н., МПК G01R 31/06; заявл. 21.02.05; опубл. 27.08.06, Бюл. № 24.

30. E. Arri et al. Diagnosis of the State of Power Transformer Windings by On-Line Measurement of Stray Reactance // IEEE Tranc. On instrumentation and measurement. 1993. - v.42, N2. - C. 372-378.

31. Антипов Г.В., Горшунов В.Ю., Малиновский В.Н. Скляров А.П., Хубларов H.H. Система диагностики механического состояния обмоток мощных двухобмоточных трансформаторов. // Измерительная техника. 1996. - №9. - С.40-44.

32. Пат. СССР N 1221620 Конов Ю. С., Цурпал C.B. Способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов. A.c., кл. G 01 R 31/02, 1986 г.

33. Система R1500 мониторинга и сигнализации технического состояния изоляции маслонаполненных трансформаторов. Техническое описание фирмы «Вибро-Центр», г. Пермь. // http://www.vibrocenter.ru.

34. Система мониторинга и диагностики технического состояния трансформаторного оборудования «TDM» (Система «TDM»). Руководство по эксплуатации ВЦ.421789.001 РЭ фирмы «Вибро-Центр», г. Пермь. // http://www.vibrocenter.ru

35. Пат. РФ 2041472 Лурье А.И., Шлегель О. А., Хренников А.Ю. Устройство для испытания трансформатора токами короткого замыкания. Авт. свид., кл. 6 G 01 R 31/02, 1996 г.

36. Пат. СССР N 1644050 Конов Ю. С., Короленко В.В., Малышев A.B. Способ контроля деформаций обмоток силовых трансформаторов. A.c., кл. G 01 R 31/02, 1988 г.

37. Пат. РФ N 2063050 Лурье А.И., Шлегель О. А., Хренников А.Ю. Устройство контроля и защиты силовых трансформаторов от деформаций обмоток при коротких замыканиях в процессе эксплуатации. Авт. свид., кл. 6 G 01 R 31/02, 1996 г.,

38. Пат. РФ N 2136099 Хренников А.Ю. Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях. Авт. свид, кл. 6Н02Н7/04, G01 R 31/02, 1999 г.

39. Хренников А.Ю, Шлегель О. А. Контроль измерения индуктивного сопротивления трансформатора для определения повреждений в обмотках. // Энергетик. 2004.- № 2. - С.27-30.

40. Хренников А.Ю. «On-line» система защиты и мониторинга механического состояния обмоток силовых трансформаторов и реакторов // Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2007. - № 2 (20) УДК 621.314.222.6.045.064

41. Пат. РФ 2333503, MTiKG01R31/06 (2006.01). Способ оперативного контроля состояния обмоток однофазного трансформатора с ненагруженной обмоткой Е.И. Гольдштейна, Панкратов A.B., 2007122925/28, 18.06.2007; заявл. 18.06.2007; опубл. 10.09.2008, Бюл. № 33.

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

43. Паспорт ОВП. 468. 060 Силового трансформатора с естественным масляным охлаждением 1ВП710909. Заводской номер 217854.

44. Акимова H.A., Коробков С.А., Тараринов М.Г. Расчет магнитной цепи, параметров холостого хода и короткого замыкания трансформаторов. — М.: Издательство МЭИ. 2003. - 19с.+вкл.

45. РМГ 74-2004 Государственная система обеспечения единства измерений Методы определения межповерочных и межкалибровочных интервалов средств измерений

46. МИ 1202-86 Государственная система обеспечения единства измерений. Приборы и преобразователи измерительные напряжения, тока, сопротивления цифровые. Общие требования к методике поверки (взамен МИ 118-77)

47. Каганович Е.В. Трансформаторы. Испытание трансформаторов малой и средней мощности. 1959. - 240с.

48. Кончаловский В.Ю. Цифровые измерительные устройства: Учебн. Пособие для вузов. — М.: Знергоиздат. 1985. — 304с.

49. Диденко В.И. Основы теории и проектирование дифференциальных преобразователей постоянного тока. Диссертация на соискание степени доктора технических наук, М.: МЭИ, 1984.

50. Ким B.J1. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения: дис.докт. техн. наук: 05.11.01: защищена 10.11.2009: утв. 12.02.2010 / Ким Валерий Львович. Томск, 2009. - 342 с.

51. Методы и средства повышения точности индуктивных делителей напряжения, Ким Валерий Львович, Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. — Томск, 2009.

52. Guanggan G. The Establishment of 10 kV to 500/лЯл/з kV Power Frequency Voltage Ratio National Standard System and Study of the Calibration Method // CPEM Digest. 1990. - P. 162-163.

53. So E. NRC-PTB Intercomparison of Voltage Transformer Calibration Systems for High Voltage at 60 Hz, 50 Hz and 16,66 Hz / E. So, H-G. Latzel // IEEE Trans, on Instrum. and Meas. 2001. - Vol. 50, N 2. - P. 419-^21. - ISSN 00189456.

54. Precision Three-Stage 1000 V/50 Hz Inductive Voltage Divider / Greig W. Small, Ilya F. Budovsky, Senior Member, IEEE, A. Michael Gibbes, and John R. Fiander // IEEE Trans, on Instrum. and Meas. 2005. - Vol. 54, N 2. - P. 600-603.

55. In-Situ calibration of voltage transformers on the Swedish National Grid/ A. Bergman//Metering and Turiffs for Energy Supply, 3-5 July 1996, Conference Publication No. 426,0 IEE, 1996.

56. Высоковольтные делители напряжения для приборной продукции // www.eliri.md/hvolt.htm.

57. High Voltage dividers and resistors type XHVD High Precison, low TC // http://www. cicrom-electronic.com

58. Производство силовых конденсаторов // http://www.airalania.ru/airm/l 3 8/10/index.shtml

59. ГОСТ 22261-94 Средства измерения электрических и магнитных величин. Общие технические условия.

60. Метрология и электроизмерительная техника. В.И. Диденко, И.Н. Желбаков, В.Ю. Кончаловский, В.А. Панфилов/ Под ред. В.Н. Малиновского. М.: Изд-во МЭИ.- 1991.- 80 с.

61. Васильев К.К. Теория автоматического управления г. Уляновск. 2001 г.

62. Алгоритмы численного дифференцирования в задачах управления / О.С. Колосов, И.Е. Подольская, С.А. Кульмамиров, Фон Чжанльлинь. М.: Издательский дом МЭИ. - 2009. - 144 с.

63. Малиновский В.Н., Муборакшоев Д.Т., Хоанг В.Н. Методы контроля и диагностики состояния обмоток силовых трансформаторов в рабочих режимах (on-line monitoring)// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. Москва., 2006. - Т 2. - С. 126-129.

64. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Контроль витковых деформации обмоток силовых трансформаторов// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. — Москва., 2008. Т 3. - С. 106—108.

65. Хоанг В.Н., Малиновский В.Н. Методы и средства контроля и диагностики состояния обмоток мощных силовых трансформаторов // Электротехника. 2009. - N 10. С. 36-42.

66. Хоанг В.Н., Малиновская В.В., Малиновский В.Н. Прибор для измерения сопротивления короткого замыкания трансформаторов в режиме онлайн-мониторинга // Вестник МЭИ. 2009. -N 5. С. 18-23.

67. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Контроль витковых деформации обмоток силовых трансформаторов //Журнал научных публикаций аспирантов и докторантов. 2009. - N 1. -С. 126-129.

68. Пат. 63940 Р.Ф Измерительный трансформаторный преобразователь тока в напряжение/ Малиновский В.Н, Муборакшоев Д.Т, Хоанг В.Н.; заявл. 29.01.2007; опубл. 10.06.2007 Бюл. N16.

69. Малиновский В.Н., Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Трансформаторный измерительный преобразователь разности напряжений промышленной частоты// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. Москва., 2008. - Т 3. - С. 109-111.

70. Библиотека модулей FP51s Редакция 3.0 1996 Кафедра ИИТ МЭИ Шатохин А. // http://iitl .mpei.ac.ru/pubfp51 s.rar.

71. Хоанг В.Н., Муборакшоев Д.Т. Выпрямители переменного напряжения// Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. Москва.- 2008. -ТЗ.- С. 59-65.

72. Малиновский B.H., Хоанг B.H., Измерительная система для экспериментального исследования семейства коллекторных характеристик транзисторов малой мощности. Лабораторная работа № 3: методическое пособие. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 8 с.

73. Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Диагностика силовых трансформаторов под нагрузкой // Известия АН. РАН. Энергетика. 1996. -№ I. -С. 74-81.

74. Бутырин П. А., Алпатов М.Е. Непрерывная диагностика трансформаторов // Электричество. — 1998. —№7. — С. 45-55.

75. Алпатова А.И., Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Идентификация трансформаторов Известия АН. Энергетика. 2001.— № 4. - С. 93-98.

76. Алпатов М.Е., Алпатова A.M. Метод формализации предварительных расчетов силовых форматоров Электричество. — 1996. — № 2.- С. 74-75.

77. Бутырин П.А., Алпатов М.Е. Создание аналитической теории трансформаторов как этап развития общей теории трансформаторов // Вестник ЮУрГУ 2001. -№4. - С. 6-8.

78. Бутырин П.А. К задаче непрерывной диагностики электрических машин // Известия АН. Энергетика. — 1997.— № 5.

79. Петров Б.Н., Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Принцип инвариантности в измерительной технике. — М.: Наука, 1976. 242 с.