Автоматизированные ресурсосберегающие методы и приборы для диагностики высоковольтного электрооборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность: 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»

Автоматизированные ресурсосберегающие методы и приборы для диагностики высоковольтного электрооборудования

Михеев Георгий Михайлович

Ижевск - 2008



Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, с.н.с. Захаров Владимир Анатольевич Физико-технический институт УрО РАН

доктор технических наук, профессор Иванников Валерий Павлович ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

доктор технических наук, профессор Рыбаков Леонид Максимович ГОУ ВПО «Марийский государственный университет»

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный открытый университет»

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент П.Н. Крылов



1. Общая характеристика работы

автоматизированный ресурсосберегающий силовой трансформатор

Диссертационная работа посвящена разработке и созданию прогрессивных автоматизированных ресурсосберегающих методов, приборов и устройств для диагностики, измерения, определения технических параметров и характеристик высоковольтного электрооборудования, такого как высоковольтные выключатели, средства защиты от перенапряжений, регуляторы напряжения под нагрузкой, силовые трансформаторы, а также исследованию заполняющих их диэлектрических жидкостей.

Актуальность темы

Разработка новых принципов и методов измерений физических величин, таких как сила тока, напряжение, сопротивление, индуктивность, мощность, частота колебаний, коэффициент трансформации преобразователей напряжения, температура и т.д., существенно увеличивающих точность, чувствительность и быстродействие измерений, актуальна для проведения различных физических экспериментов в энергетике. Например, при диагностике высоковольтного электрооборудования все эти физические величины приходится измерять и контролировать в виде конкретных параметров: полного сопротивления короткого замыкания трансформаторов, коэффициента трансформации обмоток, силы тока и потерь холостого хода, омического сопротивления постоянному току, времени переключений контактов контактора и сопротивления токоограничивающих резисторов переключающих устройств, собственного времени включения и отключения, шунтирующих сопротивлений, скорости и разновременности работы контактной системы высоковольтных выключателей (ВВ), пробивного напряжения вентильных разрядников, температуры вспышки горючих жидкостей, влаго- и газосодержания диэлектрической жидкости (ДЖ).

Важными элементами высоковольтного электрооборудования в энергетике являются силовые трансформаторы, выключатели и средства защиты от перенапряжений. Все они представляют собой сложные и дорогостоящие устройства, диагностика и эксплуатация которых требуют создания методов и приборов для измерения вышеперечисленных физических величин.

За последнее время произошли существенные изменения в приборном оснащении диагностики и контроля силовых высоковольтных трансформаторов (СВТ) благодаря применению цифровых измерительных устройств и новых методов обработки данных. В частности, появились высокоразрешающие тепловизионные приемники, высокочувствительные приборы для измерения частичных разрядов, множество разновидностей осциллографов и регистраторов, легко сопрягаемых с персональным компьютером, различные модификации хроматографов, позволяющие количественно определять содержание газов в диэлектрической жидкости, залитой в силовой трансформатор и др.

Однако для определения электрических параметров и характеристик силовых цепей высоковольтных трансформаторов, выключателей, параметров разряда средств защиты от перенапряжений все еще пользуются различными приборами, не отвечающими современным требованиям. К таким приборам относятся стрелочные амперметры, вольтметры, гальванометры, мосты постоянного тока, вибрографы, а также светолучевые осциллографы и др. Поэтому разработка методов и создание унифицированных приборов, установок и устройств для диагностики, измерения и испытания силовых цепей обмоток высоковольтных трансформаторов, выключателей и средств защиты от перенапряжений на базе микропроцессорной техники являются актуальной задачей.

Одним из способов регулирования напряжения в электрических сетях является выбор ответвлений на обмотках СВТ. Регулирование напряжения за счет изменения числа витков при отключенной нагрузке не обеспечивает требуемую оперативность для системы управления электроснабжением. В связи с этим применяют трансформаторы, снабженные специальными коммутаторами, обеспечивающими переключение ответвлений обмоток под нагрузкой, именуемые регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН). Выход из строя РПН приводит к аварии всего трансформатора. Мировой опыт показывает, что экономический ущерб от случайной аварии мощного силового трансформатора, связанный только с остановкой промышленных предприятий из-за отсутствия питающего напряжения, исчисляется миллионами долларов, не говоря уже о весьма крупных затратах, необходимых для восстановления его работоспособности. В связи с этим предъявляются весьма высокие требования к надежности РПН.

В настоящее время в системе электроэнергетики и на промышленных предприятиях России и за рубежом диагностику РПН осуществляют традиционным методом - вскрытием его бака и сливом из него трансформаторного масла. Такой метод диагностики является дорогостоящим, трудоемким и весьма продолжительным. Необходимо особо отметить, что нарушение технологии откачки масла и последующей его заливки приводит к ухудшению его диэлектрических свойств, снижению сопротивления изоляции бакелитового цилиндра бака РПН и сопротивления изоляции обмоток трансформатора в целом, а также к увеличению вероятности загрязнения окружающей среды и т.п. Кроме того, при отрицательных температурах и повышенной влажности атмосферы вскрытие бака РПН недопустимо. В силу всего этого, разработка методов диагностики регуляторов напряжения под нагрузкой без вскрытия его бака и откачки из него ДЖ является весьма актуальной. В данной работе для обозначения подобных методов диагностики высоковольтного электрооборудования введен термин «интродиагностика».

Другим важным элементом силовых цепей являются высоковольтные выключатели (ВВ). Передача электроэнергии потребителю в значительной мере определяется их безотказной и надежной работой. Важными техническими параметрами ВВ являются собственное время включения и отключения, временные, скоростные, ходовые характеристики, переходное сопротивление контактной системы, целостность (исправность) шунтирующих сопротивлений. Необходимо отметить, что измерение и определение всех этих параметров и характеристик ВВ целесообразно осуществлять методами интродиагностики в рабочих режимах.

В качестве защиты электрооборудования, от так называемых грозовых волн, возникающих в линиях электропередач, применяются вентильные разрядники (ВР) и ограничители перенапряжений (ОПН), которые относятся к средствам защиты от перенапряжения. Одним из эффективных методов контроля работоспособности этих устройств является определение их пробивного напряжения. К сожалению, до сих пор не разработаны и не созданы установки, позволяющие в автоматизированном режиме с высокой точностью измерять действующее значение пробивного напряжения, определять и другие параметры элементов средств защиты от перенапряжения. Решение этих задач также важно для техники физического эксперимента.

В высоковольтных электрических аппаратах в качестве охлаждающей и изолирующей среды широко применяется трансформаторное масло (ТМ). Надежная работа маслонаполненного электрооборудования зависит от качества заливаемой в него ДЖ. Важными эксплуатационными характеристиками ТМ являются пробивное напряжение, влагосодержание, содержание растворенных газов, температура вспышки и т.д. Однако для измерения указанных его характеристик в энергетической отрасли пользуются приборами, не отвечающими современным требованиям. Автоматизация устройств для исследования и контроля ДЖ позволяет увеличить точность измерений, исключает ошибки при проведении анализов, обеспечивает удобство и безопасность работ. Такие приборы также крайне необходимы при проведении различных физических экспериментов: исследование частичных разрядов в ТМ, лазерный пиролиз ДЖ и др. В то же время существует проблема очистки ТМ, бывшего в эксплуатации. Следовательно, актуальны разработка и создание автоматизированных приборов для определения качества трансформаторного масла и устройств его очистки от углеродосодержащих и иных примесей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Обобщенная структурная схема научных задач, решенных в диссертационной работе



Таким образом, перечень поставленных научных задач данной диссертационной работы и их решения можно представить в виде структурной схемы (см. рис. 1).

Цель работы - разработка прогрессивных автоматизированных ресурсосберегающих методов, приборов и устройств для диагностики высоковольтного электрооборудования, исследования и определения наиболее важных их параметров.

Достижение этой цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:

1. Автоматизация устройств и разработка методов для диагностики и измерения следующих параметров и характеристик обмоток силовых высоковольтных трансформаторов: омического сопротивления постоянному току, полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого хода, а также определение группы соединения.

2. Разработка функциональной схемы цифрового осциллографа (ЦО) и соответствующего программного обеспечения для автоматизации измерения параметров и характеристик обмоток силовых трансформаторов, электрических цепей РПН, а также высоковольтных выключателей и вентильных разрядников.

3. Создание методов интродиагностики процессов переключений контактной системы и токоограничивающих резисторов различных типов РПН, а также осциллографирование круговой диаграммы РПН силовых трансформаторов.

4. Разработка, создание автоматизированных методов и устройств для измерения скоростных, ходовых, временных характеристик, собственного времени включения и отключения, а также шунтирующих сопротивлений высоковольтных выключателей в режиме интродиагностики.

5. Проведение статистических исследований температурного поля внешних поверхностей высоковольтных выключателей и вентильных разрядников с помощью тепловизионных приемников от частоты возникновения в них дефектов.

6. Разработка и создание экспериментальной автоматизированной установки для измерения параметров разряда средств защиты от перенапряжения.

7. Разработка и создание автоматизированных приборов и устройств для исследования, контроля и диагностики трансформаторного масла.

8. Создание автоматизированной ресурсосберегающей установки для очистки отработанного трансформаторного масла, имеющего высокое содержание углеродосодержащих примесей.

Объект исследования - высоковольтное электрооборудование: средства защиты от перенапряжений, выключатели, силовые трансформаторы, регуляторы напряжения под нагрузкой и заполняющие их диэлектрические жидкости.

Предмет исследования - разработка, создание автоматизированных методов и приборов для диагностики элементов высоковольтного электрооборудования.

Методы исследования. В диссертационной работе использован комплексный метод, включающий теоретическое обоснование и экспериментальную реализацию проведенных исследований и полученных результатов. Работа выполнялась с применением достижений современной микроэлектроники и компьютерных технологий на действующем высоковольтном электрооборудовании, эксплуатируемом на предприятиях энергосистем. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин и статистические методы обработки результатов исследований.

Достоверность результатов разработок и исследований подтверждена в серии работ по комплексному обследованию и диагностике силовых высоковольтных трансформаторов, выключателей, вентильных разрядников на действующих распределительных устройствах подстанций в системе энергетики России. Достоверность результатов также подтверждена в работах по автоматизации приборов для исследования и контроля диэлектрических жидкостей, в работах по разработке методики и устройства для очистки отработанного трансформаторного масла. Обоснование теоретических положений разработанных методик выполнено с опорой на установленные физические законы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и точности физических измерений.

Достоверность результатов работ также подтверждается внедрением полученных решений, разработок, созданных приборов и устройств в промышленность с получением большой экономической выгоды.

Положения, выносимые на защиту

1. Определение группы соединения обмоток, измерение омического сопротивления высоковольтной обмотки, силы тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении, коэффициента трансформации и полного сопротивления короткого замыкания трансформатора можно осуществлять в автоматическом режиме с помощью одного прибора, состоящего из специального коммутатора, трехканального источника напряжения постоянного тока и многоканального цифрового осциллографа.

2. Применение мобильного помехоустойчивого многоканального ЦО совместно с трехканальным стабилизированным источником напряжения постоянного тока позволяет осуществлять интродиагностику РПН, включающую измерение времени переключения контактов контактной системы, осциллографирование круговой диаграммы, определение переходного сопротивления контактной системы контактора, а также контроль целостности токоограничивающих резисторов.

3. Соединение линейных выводов высоковольтной обмотки автотрансформатора с его нейтралью разветвляет измеряемые токи по обмоткам среднего и высокого напряжения так, что на каждой фазе силового автотрансформатора создаются две взаимно компенсирующие друг друга магнитодвижущие силы, и тем самым достигается возможность измерения временных параметров процесса переключения контактора без вскрытия баков РПН и слива трансформаторного масла.

4. Интродиагностику высоковольтного выключателя, включающую измерение и определение его параметров и характеристик (скорость и ход подвижных частей, собственное время включения и отключения, разновременность работы контактов и шунтирующих сопротивлений) можно осуществлять одним устройством, состоящим из многоканального цифрового осциллографа, сопряженного с блоком активных сопротивлений, трехканальным источником напряжения постоянного тока и датчиком ускорения.

5. Разработанный метод тепловизионного контроля выключателей типа ВМТ позволяет проводить диагностику всех семи его контактных соединений.

6. Применение оригинального помехозащищенного цифрового осциллографа в составе созданной автоматизированной экспериментальной установки для определения параметров разряда средств защиты от перенапряжения уменьшает погрешность измерения пробивного напряжения.

7. О работоспособности вентильных разрядников 15…750 кВ, находящихся под рабочим напряжением, можно судить по экспериментально установленным корреляциям между температурным полем их внешних поверхностей и выявленными дефектами.

8. Разработанный оригинальный датчик вспышки горючих жидкостей позволяет создать автоматизированный прибор для измерения температуры вспышки трансформаторного масла.

9. Исследование процесса десорбции водорода из диэлектрической жидкости методом лазерной спектроскопии антистоксова рассеяния света позволяет оценить коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле и создать методику для корректного отбора проб жидкости на хроматографический анализ растворенных в ней газов (ХАРГ) с высоковольтных герметичных вводов 500…750 кВ.

10. Трансформаторное масло, содержащее большое количество взвешенных углеродных частиц, влаги и газов, можно очистить турбулентной электроконвекцией, возникающей в жидком диэлектрике за счет пондеромоторных сил в неоднородном переменном электрическом поле.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Новыми являются метод и устройство для измерения омического сопротивления, устройства для измерения и определения полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении, группы соединения обмоток силовых высоковольтных трансформаторов, работающих в автоматическом режиме.

2. Впервые предложены и реализованы автоматизированные методы интродиагностики различных типов РПН и ВВ, позволяющие существенно сократить время измерений, сэкономить значительные материальные средства и исключить возможность загрязнения окружающей среды. Разработан метод тепловизионного контроля выключателей типа ВМТ.

3. Впервые разработана и создана установка для автоматического измерения пробивного напряжения вентильных разрядников, позволяющая уменьшать погрешность с 10 до 0,5 %.

4. Разработан автоматизированный прибор для измерения температуры вспышки диэлектрической жидкости с погрешностью 1 С, а также предложен новый метод для определения влаги и растворенного водорода в трансформаторном масле.

5. Методом лазерной спектроскопии изучена эффективность выделения водорода из трансформаторного масла под действием ультразвука.

6. Новыми являются разработанный способ отбора проб трансформаторного масла с высоковольтных герметичных вводов 500…750 кВ для проведения хроматографического анализа и разработанное устройство для его осуществления.

7. Новым является применение турбулентной электроконвекции, возникающей в неоднородном электрическом поле, для очистки трансформаторного масла с целью существенного уменьшения концентрации механических примесей и увеличения пробивного напряжения.

Новизна разработанных методов и устройств подтверждена патентами РФ на изобретения.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные автоматизированные методы, приборы и устройства для диагностики параметров и характеристик силовых трансформаторов, высоковольтных выключателей и вентильных разрядников существенно увеличивают точность измеряемых величин. Они уменьшают время проведения измерений с занесением полученных результатов в компьютерную базу данных для последующего архивирования, хранения и использования. Значительно сокращают трудовые и материальные затраты, сводят к минимуму вероятность загрязнения окружающей среды. Ресурсосберегающий электроконвективный способ очистки позволяет эффективно и с малым потреблением электрической энергии дегазировать, очищать трансформаторное масло от углеродосодержащих примесей, влаги и газов.

Разработанные методы диагностики высоковольтных трансформаторов, выключателей и вентильных разрядников, способ отбора пробы масла на ХАРГ с высоковольтных герметичных вводов 220…750 кВ и измерение температуры вспышки горючих жидкостей внедрены и успешно используются на предприятиях энергетики России.

Экономический эффект от внедрения разработок диссертационной работы в промышленность России составил более 160 млн. руб. в ценах 2008 г.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе: на второй Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1995); на 28-ой научно-производственной конференции Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (Ижевск, 1998); на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» ИТЭЭ 1996, ИТЭЭ 2002, ИТЭЭ 2006 (Чебоксары, 1996, 2002, 2006); на III, VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 1999, 2005 и 2007 гг.); на 4-м Международном российско-китайском симпозиуме “Advanced materials & processing” (Пекин, 1997); на ХV, ХХI и ХХV-й Международных межвузовских школах-семинарах «Методы и средства технической диагностики» (Йошкар-Ола, 1998, 2004, 2008); на Международной конференции по нелинейной оптике (Минск, 2001); на Международной конференции по квантовой электронике (Москва, 2002); на ХХVI сессии семинара «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (с международным участием, г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2004); на ХХVII сессии семинара «Электроснабжение», (г. Новочеркасск, 2006); на Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», (Томск, 2007).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в одной монографии, в 22 патентах РФ на изобретения, в 4 свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ, в 59 статьях в научно-технических журналах и сборниках, из них 30 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций.

Личный вклад. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит постановка общих и конкретных задач, нахождение методов и путей их решения, развитие и обоснование экспериментальных методов, выполнение экспериментов; получение, интерпретация и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований диэлектрической жидкости, а также создание методов диагностики высоковольтного электрооборудования, разработка алгоритмов, написание компьютерных программ и создание базы данных для испытания высоковольтного электрооборудования; объединение полученных результатов в единое целое.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы - 377 страниц, в том числе 12 страниц приложений. Основная часть работы изложена на 332 страницах текста, включает 145 рисунков, 16 таблиц и список использованных источников (352 наименования).

2. Содержание работы

Во введении на основе краткого литературного обзора обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, определены научная новизна, защищаемые положения, практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе «Обзор методов и приборов для диагностики высоковольтного электрооборудования» рассмотрены известные методы ранней диагностики высоковольтного электрооборудования (тепловизионный контроль, хроматографический анализ и др.). В ней описаны методы и устройства по испытанию и измерению параметров силовых цепей обмоток СВТ, осциллографирование токов в контактной системе различных типов РПН, осциллографирование круговой диаграммы переключающих устройств, измерение временных, скоростных и ходовых характеристик ВВ, методы диагностики разрядников 35…750 кВ. В ней также обсуждены известные методы и устройства для измерения характеристик ДЖ (температуры вспышки, влагосодержания, концентрации водорода) с точки зрения их автоматизации. Рассмотрены методы и устройства по очистке отработанного ТМ.

Во второй главе «Автоматизированные устройства для диагностики обмоток силовых трансформаторов» представлены разработанные устройства для испытания и диагностики силовых цепей обмоток СВТ. В ней описаны оригинальные автоматизированные устройства для определения группы соединения, для измерения омического сопротивления, полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого хода обмоток СВТ при малом однофазном возбуждении. Автоматизация измерений осуществлена с применением разработанного многоканального цифрового осциллографа. Разработанные устройства успешно прошли испытания в производственных отделениях филиала ОАО «МРСК ВОЛГИ» - «Чувашэнерго», на Средне-Волжском ПМЭС филиала ОАО «ФСК ЕЭС», на предприятиях ОАО «ТГК-5» и др.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа: БДТ - блок датчиков тока; БДН - блок датчиков напряжения; БВДС - блок ввода дискретных сигналов; М - мультиплексор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БЗЦР - блок запуска цифровой регистрации; ВБ - вычислительный блок; БЭП - блок энергонезависимой памяти; БВД - блок ввода данных; ЖКД - жидкокристаллический дисплей; ПС - порт связи

В параграфе 2.1 представлено описание этого цифрового осциллографа, предназначенного для создания новых методов измерения и определения параметров и характеристик электрических цепей высоковольтных трансформаторов, выключателей и вентильных разрядников (см. рис. 2), а также перечислены области его применения (см. рис. 3).

Рис. 3. Области применения ЦО

В параграфе 2.2 описано разработанное устройство, предназначенное для одновременного измерения омического сопротивления всех трех фаз высоковольтной обмотки силового трансформатора с применением ЦО. Замена моста постоянного тока (традиционный метод) изготовленным устройством, обеспечивающим одновременную симметричную подачу напряжения постоянного тока на все три фазы, существенно уменьшает время установления токов. Этим сокращается время проведения эксперимента в 6 раз. Электрическая схема устройства показана на рис. 4, работает оно следующим образом. Сначала посредством переключения РПН выбирается первое ответвление высоковольтной обмотки СВТ. После включения трехканального источника напряжения постоянного тока к сети по обмоткам трехфазного трансформатора 5, каналам датчиков тока ДТ и кабелю 4 начинают протекать нарастающие токи. Напряжение с выводов трансформатора с помощью кабеля напряжения 3 подается на каналы датчиков напряжения (ДН) цифрового осциллографа. АЦП устройства преобразует нарастающие значения токов и напряжений в цифровой вид. Далее вычислительный блок определяет сопротивление обмотки для каждой отдельной фазы путем деления усредненного напряжения на усредненный ток соответствующих фаз.

Рис. 4. Электрическая схема автоматизированного устройства для измерения активного сопротивления высоковольтной обмотки трехфазного трансформатора: ИНПТ - источник напряжения постоянного тока; 2 - цифровой осциллограф; 3,4 - соответственно соединительный трехпроводный кабель напряжения и тока; 5 - силовой трансформатор

Благодаря достаточно высокой частоте дискретизации (4 кГц) подавляется основная гармоника и ее кратные составляющие. При использовании 12 разрядного АЦП достигается измерение омического сопротивления с классом точности не менее 0,5. Вычислительный блок ЦО рассчитывает разность измеренных сопротивлений исследуемых обмоток фаз и выдает полученные значения на жидкокристаллический дисплей. Такой цикл «измерение-вычисление-визуализация» автоматически выполняется с частотой 1 Гц до полного установления токов в обмотках. Далее автоматически поступает команда «Запись» и полученные значения сохраняются в энергонезависимой памяти ЦО. После этого начинается новый цикл измерений для другого ответвления обмотки СВТ, переключаемого приводом РПН. Такие циклы “переключение РПН - измерение установившегося тока - запись в энергонезависимую память” автоматически выполняются для всех ответвлений обмотки СВТ. Таким образом, достигается автоматическое измерение омического сопротивления всех ответвлений высоковольтной обмотки трансформатора.

В остальных параграфах (2.3-2.6) второй главы изложена работа разработанных автоматизированных устройств для измерения полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении и определения группы соединения обмоток СВТ.

В третьей главе «Ресурсосберегающие методы интродиагностики РПН силовых трансформаторов» описаны разработанные методы диагностики РПН без вскрытия бака и слива ТМ. Известно несколько типов РПН, существенно отличающихся друг от друга по конструкции. В соответствии с этим в данной работе разработаны три оригинальных метода, которые позволяют осуществлять интродиагностику следующих типов РПН: РНТА-35/200 (отечественные), РС (болгарские), SAV, SCV (германские), РНОА-110/1000 (украинские). Они основаны на результатах моделирования переходных процессов, протекающих в обмотке СВТ при переключениях РПН. Рассмотрены две следующие модели. Первая модель предполагает возможность подключения ЦО и ИНПТ к общему зажиму контактов контактора В0 (см. рис. 5), находящихся внутри бака РПН и выводу нейтрали N силового трансформатора, установленного на его корпусе.



Рис. 5. Электрическая схема контактов контактора и переключателей РПН одной фазы СВТ, представленная в упрощенном виде (1), а также схема подключения ЦО и источника напряжения постоянного тока (ИНПТ) для интродиагностики РПН: E - ЭДС источник напряжения постоянного тока, R0 - активное сопротивлением ИНПТ; R1, R2 - токоограничивающие резисторы; L, Lотв - индуктивности основной и регулировочной обмоток, соответственно; Rф, Rотв - активные сопротивления основной и регулировочной обмоток, соответственно; П1, П2 - переключатели ответвлений обмотки СВТ; В1, В2 - зажимы первого и второго ответвления обмотки трансформатора соответственно. (SA - условный пятипозиционный переключатель, введенный для моделирования процессов переключения РПН)

Такое подключение возможно только после вскрытия бака РПН и откачки из него ТМ. В этом случае в переходных процессах достаточно рассматривать только R1, R2 (токоограничивающие резисторы РПН), так как справедливы соотношения Rотв, LотвR1, R2, где - угловая частота сетевого напряжении. Для второй модели ЦО и ИНПТ подключаются непосредственно к выводам высоковольтной обмотки СВТ и его нейтрали (интродиагностика). В этом случае в переходных процессах учитываются только R1, R2, L, Rф, так как Rф Rотв, а L Lотв (см. рис. 5). Кроме этого, при моделировании сложная электрическая схема контактов контактора и переключателей РПН заменяется эквивалентной схемой двухстороннего пятипозиционного переключателя SA (см. рис. 5). Каждое переключение РПН с одного ответвления на другое соответствует последовательному переводу переключателя SA через пять положений: a-b, b-c, c-d, d-e, e-f. По обычной методике измерений со вскрытием бака РПН и сливом масла зажим фазы В подключается к зажиму контактора в точке В0, а ИНПТ - к зажимам В и N. В результате индуктивность обмотки фазы трансформатора не влияет на процессы увеличения и снижения тока при переключении РПН из одного положения в другое, и на осциллограмме наблюдается скачкообразное изменение тока (рис. 6, кривая 1).

Рис. 6. Осциллограммы фазного тока контактов контактора РПН, рассчитанные для произвольных параметров Е, R0, L, Rф, R1, R2 для первой (1) и второй (2) модели. I - время совместной работы главных и дугогасительных контактов первого плеча контактора; II - время работы дугогасительного контакта первого плеча контактора; III - время совместной работы дугогасительных контактов первого и второго плеча контактора; IV - время работы дугогасительного контакта второго плеча контактора; V - время совместной работы главных и дугогасительных контактов контактора

Отметим, что длительности отдельных интервалов являются паспортной характеристикой РПН, поэтому отклонения от паспортных данных свидетельствуют о нарушении регулировок контактов контактора. Положениям a-b, b-c, c-d, d-e, e-f переключателя SA (рис. 5) соответствуют участки осциллограммы I, II, III, IV, V соответственно (см. рис. 6). Интервал между точками (t1) и (t4) характеризует длительность переключения, а между точками (t2) и (t3) - длительность нахождения контактов контактора в положении так называемого «моста».

В режиме диагностики РПН без вскрытия его бака отсутствует возможность соединения точек В0 и В, поэтому осциллограмма токов во время переключения контактора существенно отличается от типовой (из-за влияния индуктивности обмотки) (рис. 6).

Рассмотрим работу РПН одной фазы с включенной обмоткой трансформатора, имеющей индуктивность L и Rф (рис. 5). До начала переключения контактов контактора РПН, когда переключатель SA находится в положении a-b, установившийся ток будет определяться следующим образом:

где E - источник напряжения постоянного тока, R0 - его внутреннее сопротивление, Rф - активное сопротивление обмотки. Для любого другого положения переключателя мгновенное значение осциллографируемого тока находится путем решения линейных дифференциальных уравнений первого порядка. Переходный ток i2 при переключении переключателя SA из положения a-b в положение b-c можно представить следующим образом:



где R1 - токоограничивающий резистор первого плеча контактов контактора, здесь и далее время t отсчитывается с момента начала соответствующего интервала переключения. Ток i3, возникающий в режиме переключения переключателя SA из положения b-c в положение c-d, находится из формулы:

(5)

где R3 - сопротивление в положении «мост» равно:

причем R2 - токоограничивающий резистор второго плеча контактов контактора,

A2 - постоянная интегрирования, которая находится из условия непрерывности тока в индуктивности в момент коммутации (все последующие постоянные интегрирования находятся аналогично). Переходный ток при переключении из положения «c-d» в положение «d-e» (с учетом равенства токоограничивающих резисторов R1 и R2) выражается следующим образом:

При переключении из положения «d-e» в положение «e-f» выражение для соответствующего тока i5 имеет вид:

На рис. 6 (кривая 2) изображена осциллограмма, полученная для произвольных параметров модели (Е, R0, Rф, L, R1, R2) и моментов переключения при условии R1=R2.



Анализ осциллограммы для определения временных характеристик переключения контактов контактора РПН базируется на очевидных свойствах полученной кривой. Эта кривая является кусочно-непрерывной, состоящей из пяти разных интервалов.

Процесс переключения контактов контактора РПН начинается в момент, когда ток уменьшается по экспоненциальному закону (кривая вогнутая), и завершается в момент минимального значения тока, после которого ток увеличивается по экспоненциальному закону (кривая выпуклая). Постоянные времени исследуемой кривой 2 (от момента времени t1 до t2) и 4 (от момента времени t3 до t4) в процессе переключения равны, так как контактор РПН состоит из симметричных плеч (R1=R2). Действительно имеем:

От момента времени t2 до t3, в так называемом положении моста, постоянная времени 3 с учетом равенства R1 и R2 вычисляется из соотношения:



Рис. 7. Экспериментальная зависимость переходного тока I от времени t (1), полученная на экране ЦО при интродиагностике РПН, и результат ее обработки (2) с применением специальной встроенной компьютерной программы

При обработке экспериментальных данных, представленных на рис. 6 (кривая 2), сначала в первом приближении находятся четыре характерные точки t1, t2, t3, t4 осциллограммы. Интервал между точками t1 и t4 устанавливает длительность переключения, а интервал между точками t2 и t3 характеризует длительность нахождения контактов контактора в положении «моста».

Рис. 8. Осциллограммы токов контактора одной из фаз РПН типа РС-4, установленного на СВТ 110 кВ: 1 - до ремонта; 2 - после ремонта

На рис. 7 показаны типовая осциллограмма (кривая 1), зарегистрированная на экране ЦО при интродиагностике исправно работающего РПН, и результат ее обработки, проведенной с помощью специальной разработанной компьютерной программы (кривая 2). Видно, что кривая 2 отражает все характерные моменты времени переключения контактов контактора исправного РПН (см. рис. 6, кривая 1), полученные традиционным методом диагностики со вскрытием бака и сливом масла. Это является доказательством возможности применения метода интродиагностики для исследования работы контактной системы РПН.

С помощью цифрового осциллографирования контактной системы РПН удается проводить не только контроль токоограничивающих резисторов без вскрытия бака РПН и слива ТМ, но и переходных сопротивлений дугогасительных контактов контактора.

Рис. 9. Схема осциллографирования РПН с обособленными приводами: ТИНПТ - трехканальный источник напряжения постоянного тока; ИДТ - измерительные датчики тока; ЦО - цифровой осциллограф; СЧК - соединительный четырехпроводный кабель; СТА - испытуемый силовой трехфазный автотрансформатор с РПН; А1, В1, С1 - выводы обмотки СН (110 кВ); А, В, С - выводы обмотки ВН (220 кВ)

Осциллограммы на рис. 8 получены на одном и том же РПН типа РС-4. Кривая 1 получена до ремонта переключающего устройства, а кривая 2 - после ремонта. На кривой 1 ток на интервалах III и IV практически доходит до нуля. Это означает, что дугогасительные контакты плеч контактора имеют большое переходное сопротивление. Примечательно, что после регулировки расстояния между подвижными и неподвижными контактами и устранения люфта центрального сегмента механизма переключения РПН с четного положения на нечетное, переходное сопротивление между ними восстановилось, и осциллограмма токов приняла вид, изображенный на рис. 8, кривая 2.

В параграфе 3.3 изложен разработанный метод осциллографирования РПН типа РНОА-110/1000. Известно, что основным узлом контактора РПН этого типа является выемная часть, которая размещена в герметичном корпусе. Она состоит из смонтированных в бакелитовом цилиндре механизма переключения, токоограничивающих резисторов и деталей передачи движения. Корпус контактора состоит из бумажно-бакелитового цилиндра, на котором размещены электрические контакты, металлической крышки, верхнего и нижнего фланцев.

На верхнем фланце расположены поворотный конический редуктор, который служит для сочленения механизма устройства с приводом, а также патрубки для слива масла из емкости контактора и соединения ее с расширителем. Ввиду того, что контактор типа РНОА-110/1000 выполнен в однофазном исполнении и установлен на линейных выводах обмотки 110 кВ автотрансформатора 220 кВ, а каждая фаза имеет обособленный электрический привод, на практике на подобных регуляторах редко удается достичь синхронного переключения контактов контактора разных фаз. Следовательно, из-за влияния магнитопровода и неодновременности переключения РПН осциллографируемые токи искажаются настолько, что последующий анализ их может быть затруднен, а диагностика невозможна. В связи c этим для осциллографирования предложена электрическая схема (рис. 9), в соответствии с которой выводы обмотки ВН автотрансформатора соединяются с его нейтралью и общим зажимом трехканального источника напряжения постоянного тока (ТИНПТ). Благодаря этому соединению ток от ТИНПТ в каждой фазе разветвляется и протекает как по стороне обмотки среднего напряжения, так и по стороне высоковольтной обмотки автотрансформатора. При этом создаются противоположные магнитодвижущие силы противоположных знаков на каждом из сердечников обмотки. Ввиду того, что количество витков на обмотках среднего (110 кВ) и высокого напряжения (220 кВ) на автотрансформаторе практически одинаково, а токи (согласно рис. 9) по ним проходят в противоположных направлениях, магнитодвижущие силы в каждой фазе в указанных обмотках взаимно компенсируются. Магнитная связь обмоток в этом режиме близка к нулю, а нарастание токов при переключениях ответвлений обмотки определяются в основном индуктивностями рассеяния. В связи с этим многократно снижается влияние неодновременности переключения контактов контактора разных фаз на осциллографируемые токи.

Осциллограммы всех трех фаз, полученные в режиме переключения по схеме, когда выводы обмотки 220 кВ автотрансформатора не подсоединены к его нейтрали, показаны на рис. 10, а. Идентичность этих осциллограмм обусловлена сильной электромагнитной связью обмоток и по этим кривым невозможно получить параметры переключения контактов контактора в каждой из фаз. Таким образом, они являются сложными и не поддаются обработке. На рис. 10, б представлены осциллограммы токов отдельных фаз, полученных в случае соединения выводов обмотки 220 кВ с нейтралью автотрансформатора. По этим осциллограммам, полученными с применением разработанной схемы (рис. 9), возможна достоверная оценка параметров процесса переключения контактов контактора РПН типа РНОА-110/1000. В них отчетливо видны моменты переключений как четных, так и нечетных плеч контакторов, длительность работы токоограничивающих резисторов, их целостность, а также разновременность работы контактной системы каждой отдельной фазы РПН. Например, на осциллограмме, показанной на рис. 11 для фазы С РПН следующего автотрансформатора видно «отставание» движения механизма переключения по сравнению с фазой А на 75 мс, а на фазе В - на 35 мс и явно выраженный разрыв тока в цепи в конце переключения контактора. Все это свидетельствует о неисправности РПН.

В параграфе 3.4 изложен метод интродиагностики, разработанный для третьего типа РПН, в которых контактор, переключатель и привод выполнены в едином блоке (например, РНТА-35/200). Применение этого метода позволяет определять временные характеристики работы контактов РПН, оценить их переходное сопротивление, а также состояние токоограничивающих резисторов.

Разработанный автоматизированный метод и устройство осциллографирования круговой диаграммы РПН с применением ЦО описан в параграфе 3.5. Данная разработка позволяет существенно сокращать время проведения измерений (более чем в 50 раз).



Рис. 12. Общий вид электрической схемы для определения параметров ВВ: ТИНПТ - трехканальный источник напряжения постоянного тока; СТК - соединительный трехпроводный кабель; ИОН - источник оперативного напряжения; АВ-1, АВ-2 - автоматические двухполюсные выключатели

Четвертая глава «Разработка автоматизированных ресурсосберегающих методов и устройств для диагностики высоковольтных выключателей и средств защиты от перенапряжения» состоит из 6 параграфов.

Первый параграф посвящен описанию оригинального метода тепловизионного контроля выключателей типа ВМТ.

Во втором параграфе представлено автоматизированное устройство для определения собственного времени включения и отключения ВВ (рис. 12).

В третьем параграфе изложены разработанные методы и устройство интродиагностики ВВ с применением ЦО. На рис. 13 показана схема автоматизированного устройства для измерения скоростных, ходовых, временных характеристик ВВ, существенно уменьшающего погрешность измерений (в ней для каждой фазы используются дополнительные прецизионные активные сопротивления, причем, Rдоп= 2Rш, питание Е= 12 В). Ключевыми элементами этой схемы являются цифровой осциллограф и датчик ускорения, позволяющий определять скорость и перемещение подвижных частей высоковольтного выключателя (блок БСДиП). Датчик ускорения жестко закрепляется на внешнем подвижном стержне выключателя.

Интродиагностика ВВ состоит из четырех основных этапов. На первом этапе проводится одновременная цифровая регистрация токов в контактной системе трех фаз выключателя и синхронно регистрируются скорость движения и ход его подвижных частей в режиме его включения и отключения (без вскрытия бака и откачки трансформаторного масла).

Рис. 13. Схема устройства для измерения характеристик ВВ: БДН - блок датчиков напряжения, БДТ - блок датчиков тока, ТИНПТ - трехканальный источник напряжения постоянного тока, где БПАС - блок прецизионных активных сопротивлений, БПНТ - блок преобразователя напряжения в ток; БСДиП - блок скорости движения и хода подвижных частей высоковольтного выключателя; ВПС - внешний подвижной стержень фазы А выключателя; RА1, RА2 - шунтирующие сопротивления фазы А выключателя; Кд - дугогасительные контакты; Кгл - главные контакты фазы А выключателя



На втором этапе проводится обработка полученных осциллограмм путем автоматической их разбивки (с помощью программы, встроенной в ЦО) на четыре временных интервала, как в режиме включения, так и в режиме отключения выключателя. Благодаря высокой временной разрешающей способности цифровых осциллограмм удается последовательно фиксировать моменты включения и отключения главных и дугогасительных контактов с шунтирующими сопротивлениями.

Для примера, ниже представлена последовательность интродиагностики выключателя типа У-110 в режиме включения. После подачи питания начинается движение привода, управляющего работой контактной системы ВВ. При этом, например, для фазы С в течение времени 0чtС4 (время от начала движения t=0 до полной остановки подвижных частей выключателя t=t4) происходит последовательное включение главных и дугогасительных контактов (рис. 14).



Рис. 14. Зависимости скоростей (v) и перемещений (S) подвижных частей высоковольтного выключателя, а также напряжений (U) на зажимах добавочных сопротивлений от времени t для фазы А (а), В (b) и C (c); tZ1, tZ3, tZ3, tZ4 - время замыкания главных контактов, дугогасительных контактов первого плеча фазы z, дугогасительных контактов второго плеча фазы z, время полного включения фазы z, соответственно; tАС tАВ tВС - разно-временность замыкания контактов между фазами А и С, А и В, В и С, соответственно; vAмак, vВмак, vСмак, - максимальные скорости для фаз А, В и С, где z- наименование фаз А, В, С; Кгл - главные контакты; Кд - дугогасительные контакты; RC1 RC2 - шунтирующее сопротивление левого и правого плеча контактной системы фазы С выключателя, соответственно

Временной интервал 0чtС4 условно разбивается на четыре промежутка 0чtС4, tС1чtС2, tС2чtС3, tС3чtС4, в течение которых контакты выключателя находятся в состояниях I, II, III, IV, соответственно (согласно рис. 14). В точках tС1, tС2 и tС3 происходит смена состояний контактной системы в следующей последовательности: I II, II III и III IV. В исправном выключателе вначале замыкаются главные контакты Кгл (переход I II) и между выводами выключателя каждой фазы одновременно включаются шунтирующие сопротивления RC1 и RC2, установленные на левом и правом плечах фазы выключателя, соответственно. При дальнейшем движении привода замыкаются дугогасительные контакты Кд и одновременно шунтируются оба сопротивления RC1 и RC2 (переход III IV). Таким образом, в исправном выключателе отсутствует переход II III, соответствующий неодновременному включению шунтирующих сопротивлений RC1 и RC2. Обнаружение этого перехода однозначно свидетельствует о рассогласовании контактной системы высоковольтного выключателя.

На третьем этапе интродиагностики высоковольтного выключателя из полученных осциллограмм (рис. 14) определяются нормируемые параметры временных, скоростных и ходовых характеристик подвижных частей выключателя: tАС, tВС, tАВ, vАмак, vВмак, vСмак, SАt4, SВt4, SСt4.

На четвертом этапе автоматически сравниваются найденные параметры характеристик выключателя с нормируемыми значениями. Кроме того, полученные характеристики ВВ могут сравниваться с ранее снятыми осциллограммами (например, сравниваются осциллограммы, полученные до и после ремонта).

На рис. 15 показаны осциллограммы включения масляного выключателя типа У-110 кВ, полученные с применением разработанного метода интродиагностики. Обработка полученных осциллограмм позволяет определить следующие важные технические характеристики высоковольтного выключателя: ход S=0,460 м, максимальная скорость v=3,05 м/с, разновременность tАС=2,6 мс; tАВ=2,4 мс; tВС=0,7 мс.



Необходимо отметить, что использование шунтирующих сопротивлений RC1 и RC2 высоковольтного выключателя в качестве одного из плеч делителя напряжения с активными сопротивлениями позволяет определить их целостность, При этом в качестве второго плеча выбирается калиброванный резистор RдопRC1+RC2 (рис. 13, 14).

Пример выявления дефектов шунтирующих сопротивлений ВВ продемонстрирован осциллограммами, представленными на рис. 16. На этом рисунке показаны осциллограммы двух фаз высоковольтного выключателя (МКП-110), достаточно часто используемого в оперативных переключениях батареи статических конденсаторов. Осциллограмма, представленная на рис. 16, а, получена при исправных шунтирующих сопротивлениях контактной системы фазы В выключателя в момент его включения. Напряжение UВ этой фазы при t60 мс регистрируется через дополнительное сопротивление БПАС (рис. 13) и составляет 6 В (см. рис. 16, а). Оно рассчитывается по следующей формуле:

где Е - ЭДС источника напряжения постоянного тока (Е=12 В), Rдоп - сопротивление дополнительного резистора блока БПАС, Rш - шунтирующее сопротивление выключателя (см. рис. 13, 14).

После замыкания дугогасительных контактов (при t60 мс) UВ=Е=12 В (рис. 16, а).

Осциллограмма, полученная для фазы С (рис. 16, б) показывает, что одно из шунтирующих сопротивлений из-за неправильной работы дугогасительных контактов одного плеча остается включенным в цепи фазы С выключателя. В результате регистрируемое напряжение UС при t60 мс составляет 8 В (см. рис. 16, б), так как оно определяется по следующей формуле:

Таким образом, интродиагностика с применением цифрового осциллографа позволяет определять дефекты контактов и шунтирующих сопротивлений каждой отдельной фазы ВВ.

Цифровой осциллограф можно применять и для диагностики высоковольтного выключателя, коммутирующего батареи статических конденсаторов, предназначенных для поддержания напряжения на шинах подстанции. В этом случае цифровой осциллограф подключается к низковольтной обмотке измерительного трансформатора напряжения, и он позволяет определять технические параметры ВВ непосредственно в момент его включения (рис. 17).

Из осциллограмм, представленных на рис. 17, можно определить три важных технических параметра высоковольтного выключателя: длительность нахождения шунтирующих сопротивлений под рабочим током, время неодновременности включения фаз, а также шунтирующие сопротивления каждой из фаз.

Рис. 17. Зависимость мгновенного значения напряжения u на выводах измерительного трансформатора от времени t в момент включения высоковольтного выключателя МКП-110/630-20: 1, 2, 3 - соответственно фазные напряжения uА, uВ, uС; ?tршс - временной отрезок работы шунтирующих сопротивлений

В параграфе 4.4 рассмотрены проблемы диагностики разрядников 35…750 кВ. Указано, что важным методом диагностики вентильных разрядников является тепловизионный контроль, который позволяет под рабочим напряжением выявить в них всевозможные дефекты. Однако окончательную отбраковку оборудования производят после измерения сопротивления изоляции элемента разрядника, тока проводимости и измерения пробивного напряжения.

В параграфе 4.5 обсуждаются проблемы диагностики ОПН.

Рис. 18. Функциональная электрическая схема устройства для определения параметров средств защиты от перенапряжения (СЗОП): ФИН - формирователь импульса напряжения; ДН - делитель напряжения; R1-R3 - активные резисторы; СПП - система подавления помех; БГР - блок гальванической развязки

...