способ оценки в силовых трехфазных трансформаторах параметров процесса переключения контактов контактора быстродействующего регулятора под нагрузкой без его вскрытия и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ оценки параметров процесса переключения контактов контактора быстродействующего (с активными сопротивлениями) регулятора под нагрузкой (РПН) силового трехфазного трансформатора, включающий осциллографирование тока контактора, отличающийся тем, что осциллографирование тока контактов контактора РПН выполняется без вскрытия бака РПН и слива трансформаторного масла относительно высоковольтной обмотки силового трансформатора, к которой подключен РПН, с последующим анализом осциллограмм и оценкой параметров, причем оценка параметров процесса переключений контактов контактора РПН выполняется методом разбивки цифровой осциллограммы тока на пять последовательных во времени интервалов с нарастающей нумерацией, при этом I интервал соответствует времени до начала работы контактов контактора, II интервал - времени прохождения тока по активному сопротивлению первого плеча контактора, III интервал - времени параллельной работы активных сопротивлений первого и второго плеч контактора, IV интервал - времени прохождения тока по активному сопротивлению второго плеча контактора, V интервал - времени после переключения контактов контактора, а граница между I и II интервалами определяется как момент времени начала спада тока, граница между IV и V интервалами - как время, соответствующее минимальному значению тока, в то время как граница раздела между II и III, а также между III и IV интервалами находят по скачкообразному изменению постоянной времени свободной составляющей переходного процесса в RL модели обмотки трехфазного трансформатора.

2. Устройство для оценки параметров процесса переключения контактов контактора быстродействующего (с активными сопротивлениями) РПН силового трехфазного трансформатора, содержащее трехканальный источник постоянного напряжения с положительными зажимами и объединенными отрицательными полюсами общим зажимом, каналы которого через токоограничивающие сопротивления и шунты шлейфов осциллографа подключены с помощью соединительных проводов к узлам соединения избирателей, первого и второго плеча контактов контактора и ветвей с активными сопротивлениями РПН соответствующих фаз трехфазного трансформатора, и общие выводы контактов контактора РПН каждой из фаз присоединены к общему зажиму трехканального источника постоянного напряжения, отличающееся тем, что осциллограф выполнен в виде трехканального цифрового осциллографа, а каналы трехканального источника постоянного напряжения через три канала тока цифрового осциллографа с шестью входными разноименными зажимами, из которых три отрицательных зажима присоединяются проводами к аппаратным зажимам вводов трех фаз обмотки силового трансформатора, а три положительных зажима присоединяются к положительным зажимам каналов напряжения источника постоянного напряжения, чей общий зажим подключен к зажиму нейтрали трансформатора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что многоканальный цифровой осциллограф дополнительно снабжен блоком датчиков тока, блоком запуска цифровой регистрации, блоком энергонезависимой памяти, жидкокристаллическим дисплеем, портом связи с компьютером и вычислительным блоком, позволяющим автоматически вычислять усредненное значение токов фаз обмоток по цифровым дискретным значениям, осуществлять автоматическую синхронизацию запуска регистрации при переключении РПН, определять параметры процесса переключения контактов контактора РПН по встроенной программе.

4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что в трехканальный источник постоянного напряжения дополнительно включены исключающие перенапряжения защитные цепи, блок одновременного регулирования выходных напряжений каналов и цепи поканальной автоматической защиты от повышенных токов.

5. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что отрицательные входные зажимы каналов тока цифрового осциллографа и общий зажим источника постоянного напряжения соединяются соответственно с аппаратными зажимами вводов трех фаз и зажимом нейтрали обмотки силового трансформатора четырехпроводным кабелем.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что четырехпроводный кабель имеет разную цветовую маркировку всех проводов.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способам диагностики силовых трансформаторов в электроэнергетике, а именно электрических измерений параметров процесса переключения контактов контактора (с активными сопротивлениями) быстродействующего регулятора под нагрузкой (РПН) без его вскрытия и без слива трансформаторного масла.

Оно может быть использовано в энергетике при комплексных обследованиях силовых трансформаторов, при пусконаладочных, профилактических, периодических испытаниях РПН, для диагностики его неисправностей, например, таких как самопроизвольное расцепление механизма контактора устройств типа PC.

Предлагается для трехфазных силовых трансформаторов способ оценки параметров процесса переключения контактов контактора быстродействующего регулятора под нагрузкой без его вскрытия и слива трансформаторного масла и устройство для его осуществления.

Способ оценки параметров динамического процесса переключения контактов контактора РПН предполагает по кривой тока измерение: длительности процесса переключения; длительности, так называемого, «моста»; длительностей нахождения в замкнутом и разомкнутом положениях основных контактов в плечах контактора. Способ также позволяет по кривым токов определить разновременность переключения контактов контактора РПН для трех фаз.

Уровень техники

Известен способ оценки параметров процесса переключения контактов контактора быстродействующего регулятора под нагрузкой (с активными сопротивлениями) РПН силового трехфазного трансформатора, включающий осциллографирование токов контактов контактора без учета влияния индуктивности обмотки силового трансформатора со вскрытием бака РПН и сливом трансформаторного масла [Сборник методических пособий по контролю состояния электрооборудования. Раздел 2: Методы контроля состояния силовых трансформаторов, автотрансформаторов, шунтирующих и дугогасящих реакторов. М., ОРГРЭС, 1997 г., с.100].

Однако данный способ требует вскрытия крышки бака РПН и слива трансформаторного масла для подключения входов осциллографа к узлам соединения избирателей, контактов контактора и ветви с активным сопротивлением РПН, так как конструктивно контакты контактора расположены в корпусе бака РПН, залитого трансформаторным маслом. Данный способ требует привлечения специально обученного персонала для подключения осциллографа к выводам контактов контактора РПН. Кроме того, слив трансформаторного масла является трудоемким процессом и для его осуществления необходимо иметь специально приготовленную чистую габаритную осушенную емкость, маслонасос, шланг для перекачки масла и т.д., а также дополнительный персонал. При сливе и последующей заливке масла возможно ухудшение его диэлектрических свойств и загрязнение окружающей среды, а также снижение сопротивления изоляции бакелитового цилиндра бака РПН. Кроме того, при большой влажности и в условиях отрицательных температур окружающей среды осциллографирование контактов контактора практически неосуществимо.

Поэтому осциллографирование быстродействующих РПН со сливом масла требует значительных материальных ресурсов и трудозатрат, и практически осуществимо лишь в теплое время года при благоприятных погодных условиях.

Обычно в качестве устройства для осциллографирования контактов контактора РПН силовых трехфазных трансформаторов применяют многоканальные осциллографы типов Н11, Н13 и им подобные, или магнитоэлектрические осциллографы с ультрафиолетовой записью на фотоленте. Эти устройства обладают рядом недостатков. К их числу относится неудобство при осциллографировании, заключающееся в трудности синхронизации запуска осциллографа с началом процесса переключения контактов контактора, что влечет за собой излишнюю трату фотобумаги или фотоленты. Другим недостатком является проявление изображения осциллограмм на фотобумаге в специально оборудованной лаборатории. К числу недостатков этих устройств относится также невозможность создания базы данных в электронном виде и ручная обработка осциллограмм.

Сущность изобретения

Задача изобретения - создание способа всесезонного диагностирования контактов контактора РПН силового трансформатора без его вскрытия, устраняющего возможность загрязнения окружающей среды, сокращающего трудозатраты при его осуществлении, позволяющего провести оценку параметров процесса переключения контактов контактора без слива трансформаторного масла, а также создание устройства для его осуществления, позволяющего автоматически синхронизировать запуск осциллографа с началом процесса переключения контактов контактора, осуществлять автоматическую обработку осциллограмм и возможность создания базы данных осциллограмм в электронном виде.

Поставленная задача решается благодаря тому, что способ осциллографирования токов контактов контактора РПН выполняется без вскрытия бака РПН и слива трансформаторного масла относительно высоковольтной обмотки силового трансформатора, к которой подключен РПН с последующим анализом осциллограмм, а оценка параметров процессов переключения контактов контактора РПН выполняется разбивкой цифровой осциллограммы тока на пять последовательных во времени интервалов с нарастающей нумерацией, причем I интервал соответствует времени до начала работы контактов контактора, II интервал - времени прохождения тока по активному сопротивлению первого плеча контактора, III интервал - времени параллельной работы активных сопротивлений первого и второго плеч контактора, IV интервал - времени прохождения тока по активному сопротивлению второго плеча контактора, V интервал - времени после переключения контактов контактора. Граница между I и II интервалами определяется как момент времени начала спада тока, граница между IV и V интервалами - как время, соответствующее минимальному значению тока, в то время как граница раздела между II и III, а также между III и IV интервалами находят по скачкообразному изменению постоянной времени свободной составляющей переходного процесса в RL модели обмотки трехфазного трансформатора. Для реализации этого способа предлагается использовать устройство, содержащее трехканальный цифровой осциллограф, с шестью входными разноименными зажимами, из которых три отрицательных зажима соединяются соединительными проводами с аппаратными зажимами вводов трех фаз обмотки силового трансформатора, а три положительных зажима соответственно с положительными зажимами каналов напряжения источника постоянного напряжения, чей общий зажим подключен к зажиму нейтрали трансформатора, причем отрицательные входные зажимы каналов тока цифрового осциллографа и общий зажим источника постоянного напряжения соединяются соответственно с аппаратными зажимами вводов трех фаз и зажимом нейтрали обмотки силового трансформатора четырехпроводным кабелем, который имеет разную цветовую маркировку проводов. Трехканальный цифровой осциллограф дополнительно снабжен блоком датчиков тока, блоком запуска цифровой регистрации, блоком энергонезависимой памяти, жидкокристаллическим дисплеем, портом связи с компьютером и вычислительным блоком, позволяющим автоматически измерять усредненное значение токов фаз обмоток по цифровым дискретным значениям, осуществлять автоматическую синхронизацию запуска регистрации при переключении РПН. В трехканальный источник постоянного напряжения дополнительно включены исключающие перенапряжения защитные цепи, блок одновременного регулирования выходных напряжений каналов и цепи поканальной автоматической защиты от повышенных токов.

Краткое описание фигур

На фиг.1 приведена структурная схема устройства осциллографирования процесса переключения контактов контактора быстродействующего РПН силового трансформатора, совмещенная со схемой присоединений. Схема содержит трехканальный источник постоянного напряжения (1), трехканальный цифровой осциллограф (2). соединительный четырехпроводный кабель (3), испытуемый силовой трехфазный трансформатор с РПН (4).

На фиг.2 приведена структурная схема трехканального цифрового осциллографа (2), включающая датчики тока (2.1), аналого-цифровой преобразователь (2.2), блок энергонезависимой памяти (2.3), вычислительный блок (2.4), блок запуска цифровой регистрации (2.5), жидкокристаллический дисплей (2.6), порт связи с компьютером (2.7).

На фиг.3 приведена упрощенная схема замещения цепи "фаза-нейтраль" силового трансформатора (4) относительно высоковольтных вводов с подключенным источником постоянного тока. Схема содержит источник постоянного тока (1) с внутренней ЭДС Е и токоограничивающим сопротивлением R₀, контактор РПН (4.1), изображенный в виде пятипозиционного переключателя SA и шунтирующих сопротивлений РПН R₁ и R₂, зажимов вводов "фаза-нейтраль" A-N, обмотку силового трансформатора (4.2) с индуктивностью L и активным сопротивлением R_ф.

На фиг.4 приведен пример совмещенных осциллограмм токов в контактах контактора РПН, полученных при осциллографировании по упрощенной схеме замещения для произвольных параметров предлагаемым способом - кривая f ₁(t) и по схеме без индуктивности L - кривая f₂ (t).

На фиг.5 приведены примеры осциллограмм фазных токов трансформатора ТДН-16000/110 с заводским №13924, изготовленного в 1983 г. на трансформаторном заводе в г.Тольяти, с РПН типа РС-4. Осциллограммы получены при одновременном трехфазном переключении избирателей РПН из четного положения в нечетное. Они изображены совмещенными для существующей и предлагаемого способа осциллографирования, где ia, ib, ic - токи фаз «А», «В», «С», меняющиеся со временем t.

Раскрытие изобретения

Для определения параметров процесса переключения контактов контактора РПН производится осциллографирование токов и анализ полученных осциллограмм.

Осциллографирование по схеме, приведенной на фиг.1, производится следующим образом. Оператор переводит электрическим приводом РПН, допустим в положения 1. После включения трехканального источника постоянного напряжения 1 в сеть питания по обмоткам трехфазного трансформатора 4.2, каналам тока трехканального цифрового осциллографа 2 и четырехпроводному кабелю 3 проходит ток. При этом время нарастания тока составляет около 10-15 минут.

Трехфазный цифровой осциллограф (см. фиг.2) одновременно измеряет токи датчиками тока 2.1, преобразовывает аналоговые величины в цифровую при помощи блока аналого-цифрового преобразования 2.2. Далее вычислительный блок 2.4 вычисляет постоянные составляющие токов в каждой из трех фаз путем их усреднения и выдает полученные значения на ЖКД 2.6. Такой цикл «измерение-вычисление-визуализация» повторяется с интервалом в 1 сек. До установления токов в фазах обмотки оператор наблюдает на ЖКД плавное увеличение тока. При установлении токов в фазах обмотки трансформатора оператор с помощью блока запуска цифровой регистрации 2.5 подает команду пуска. Вычислительный блок при этом определяет три уставки на срабатывание трех пусковых органов для каждого из токовых каналов цифрового осциллографа, принимая их несколько меньшими значений установившихся токов в соответствующих фазах. Далее цифровой осциллограф переходит в состояние ожидания пуска.

После этого оператор с помощью электрического привода переводит РПН в положение 2. В момент переключения контактов контактора происходит пофазное снижение токов. При этом срабатывают пусковые органы цифрового осциллографа и он регистрирует фазные токи обмотки трансформатора в блоке энергонезависимой памяти - 2.3.

Через 3 минуты после переключения, когда токи в фазах установятся, цифровой осциллограф производит очередное измерение фазных токов и выбирает новые уставки на срабатывание пусковых органов. Далее, через 5 минут после последнего переключения, оператор переводит РПН с помощью электрического привода в следующее положение.

Такие циклы «измерение токов - выбор уставок пусковых органов - переключение РПН с записью токов в энергонезависимую память - ожидание установления тока» производятся для нескольких положений РПН в направлении увеличения и уменьшения положения избирателя.

Операции цикла "измерение токов - выбор уставок пусковых органов" выполняют автоматическую настройку на изменения установившегося тока при переключении РПН, обусловленные изменением активного сопротивления обмотки, а именно добавлением или исключением активного сопротивления между положениями избирателя. Так обеспечивается автосинхронизация запуска цифрового осциллографа.

Для ускорения установления тока после включения источника постоянного напряжения может быть использовано увеличение выходного напряжения его каналов оператором с помощью цепей регулирования выходного напряжения. При этом увеличение установившегося значения тока, позволяет также увеличить точность измерения, так как эти измерения производятся в той части измерительного диапазона, где погрешность измерения минимальна.

После окончания осциллографирования токов для нескольких положений РПН, данные из блока энергонезависимой памяти через порт связи - 2.7 передаются в персональный компьютер, где используются многофункциональные возможности последнего.

При отключении трехканального источника постоянного напряжения от питающей сети специальные защитные цепи не допускают обрыва тока в фазах обмотки трансформатора, тем самым исключают коммутационные перенапряжения, вызываемые отключением цепей с большой индуктивностью обмотки трансформатора.

Провода четырехпроводного кабеля имеют разную цветовую маркировку, что упрощает процесс сборки схемы присоединения в полевых условиях на подстанции.

Кроме того, соединение с помощью длинного кабеля позволяет размещать рабочее место (где расположены трехканальный цифровой осциллограф и трехканальный источник постоянного напряжения) для производства измерения на уровне земли в непосредственной близости от шкафа управления РПН, то есть исключает работы на высоте, в результате чего повышается безопасность работ.

В основе анализа полученных осциллограмм, имеющих кусочно-аналитическую форму, лежит применение модели электрической цепи «фаза-ноль» силового трансформатора, изображенной на фиг.3, в которой высоковольтная обмотка моделируется последовательно соединенными индуктивностью L и активным сопротивлением R, а контактор РПН моделируется пятиполюсным переключателем SA и активными сопротивлениями R₁ и R₂, поочередно подключаемыми к нему. Одно переключение РПН соответствует последовательному переводу положений переключателя в пять положений: «а-b»; «b-с»; «c-d»; «d-e»; «e-f» (см. фиг.3).

Для предлагаемой RL-модели мгновенное значение осциллографируемого тока - тока источника с постоянной ЭДС - может быть найдено путем решения линейных дифференциальных уравнений первого порядка для каждого положения переключателя.

До начала переключения РПН, когда переключатель находится в положении «а-b», установившийся ток будет равен:

Переходный ток при переключении из положения «а-b» в положение «b-с»:

(здесь и далее время t - отсчитывается с момента начала соответствующего интервала переключения).

При переключении из положения «b-с» в положение «c-d»:

где R₃ - сопротивление в положении «мост», причем:

и А₂ - постоянная интегрирования, которая находится из условия непрерывности тока в индуктивности (все последующие постоянные интегрирования находятся аналогично).

Переходный ток при переключении из положения «c-d» в «d-e» положение (с учетом равенства шунтирующих сопротивлений R ₁ и R₂):

При переключении из положения «d-e» в «e-f»:

В качестве примера на фиг.4 изображена осциллограмма, построенная для произвольных параметров модели и моментов переключения, при условии R₁=R₂ и R₃=0,5R ₂.

Анализ осциллограммы для определения параметров процесса переключения контактов контактора РПН базируется на очевидных свойствах полученной кривой: кривая - кусочно-непрерывная, состоящая из 5 интервалов; процесс переключения контактов контактора РПН начинается в момент, когда кривая тока уменьшается по экспоненциальному закону (вогнутая), и завершается в момент минимального значения тока, после которого кривая тока увеличивается по экспоненциальному закону (выпуклая); постоянные времени кривой осциллографирования до «моста» ₂ и после него ₄ в процессе переключения равны, так как контактор РПН состоит из симметричных плеч:

В положении «мост» постоянная времени ₃ вычисляется из соотношения:

Очевидно, что ₃ больше постоянных времени ₂ и ₄. Поэтому на разных интервалах скорость изменения тока различна и параметры процесса переключения контактов контактора РПН определяются в следующем порядке: находятся четыре характерные точки (t₁, t₂, t₃, t₄ ) осциллограммы: интервал между точками (t₁) и (t ₄) устанавливает длительность переключения, а интервал между точками (t₂) и (t₁) характеризует длительность нахождения контактов контактора в положении так называемого «моста».

Нахождение характерных точек осциллограммы - границ интервалов однородных участков кривой переходного тока осуществляется в следующей последовательности: t₁ - определяется как момент времени окончания первого интервала наибольшего тока; t₄ - как момент наименьшего значения тока, представляющего собой граничное значение окончания четвертого интервала; наконец t₂ и t₃, находятся аналогично как моменты, где резко (скачком) изменяются постоянные времени кривой тока переключения контактов контактора РПН. После этого вычисляется длительность переключения t_пер=t₄ -t₁, находится время длительности «моста» t_моста =t₃-t₂. Далее определяется время переключения основных контактов (t_пок), контактора РПН t_пок1 =t₂-t₁ и t_пок2=t₄ -t₃. Заметим, что в ветвях с этими контактами отсутствует активное сопротивление (см. фиг.1).

Основными достоинствами предложенного способа и устройства для его осуществления являются: сокращение материальных затрат и времени для подготовки осуществления процесса осциллографирования, простая схема измерения, исключение вероятности загрязнения диэлектрической жидкости и окружающей среды, возможность определения правильной работы контактов контактора при любых условиях окружающей среды, исключения специально обученного персонала для подключения осциллографа к выводам контактов контактора РПН, определение и оценка основных параметров процесса переключения контактов контактора РПН, автоматически синхронизировать запуск осциллографа с началом процесса переключения контактов контактора, возможность создания базы данных в электронном виде.

Пример исполнения

Для определения параметров процесса переключения контактов контактора РПН силового трехфазного трансформатора типа ТДН-16000/110 (с сопротивлением обмотки высокого напряжения во втором положении РПН R_ф=2,67 Ом) с регулятором под нагрузкой типа РС-4 (с активными сопротивлениями R₁ =R₂=8 Ом) на п/ст. «Заволжская» предприятия «Северные электрические сети» ОАО "Чувашэнерго" используется кабель ПВС 4×2,5 длиной 12 метров. Цифровой осциллограф включает быстродействующий микропроцессор, энергонезависимую память на микросхеме AT45DB161 фирмы «Atmel», графический жидкокристаллический дисплей типа PG320240 фирмы «PowerTip», последовательный порт RS-232. Цепи, исключающие прерывание тока трехканального источника постоянного тока при отключении питания от сети, представляют собой три быстродействующих диода Шотки типа 1N5822, подключенных анодами к общему зажиму источнику постоянного тока и катодами к его каналам. Источник постоянного напряжения обеспечивает одновременное регулирование по трем каналам выходного напряжения в диапазоне 2-24 В и исключает токи более 3 А.

По полученным осциллограммам фиг.5 найдены: t₁=5 мс, t₂=25 мс, t ₃=30 мс, t₄=45 мс, по которым вычислены параметры переключения контактов контактора РПН: полная длительность переключения t₄-t₁=45-5=40 мс, длительность «моста» t_моста=t₃-t₂=30-25=5 мс, длительности переключения основных контактов в плечах контактора t₂ -t₁=25-5=20 мс и t₄-t₃=45-15 мс=30 мс.