Счетчик ресурса трансформатора

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации относительной интенсивности V износа изоляции обмоток трансформатора, а также может быть использована в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы Т_ир изоляции обмоток трансформатора за каждый час, сутки, месяц. Счетчик содержит датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки умножения, первый и второй накапливающие сумматоры, функциональный преобразователь, первый регистр, цифровой индикатор, генератор прямоугольных импульсов, микроконтроллер, первый и второй приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство, компьютер, первый и второй цифровые сумматоры, первый и второй блоки вычитания, первый, второй, третий, четвертый и пятый блоки задания кодов, датчики температуры окружающей среды и наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, многоканальный коммутатор. Технический результат - повышения точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева, а также учета изменений температуры окружающей среды.

Предлагаемая полезная модель относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации относительной интенсивности V износа изоляции обмоток трансформатора, а также может быть использована в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы Т_ир изоляции обмоток трансформатора за каждый час, сутки, месяц.

Известен счетчик износа изоляции [1], содержащий блок питания, счетчик электрической энергии, усилитель тока, датчики температуры электрической изоляции.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная не учетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [2], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками этого аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик ресурса силового трансформатора [3], содержащий датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, экспоненциальный преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, блок деления, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемо-передатчик, компьютер, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часы, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная не учетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева (погрешность определения температуры обмоток трансформатора по этой причине может достигать 40% [4]), а также не учетом влияния изменений температуры окружающей среды.

Техническая задача, решаемая изобретением - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева, а также учета влияния изменений температуры окружающей среды.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий аналого-цифровой преобразователь, квадратор, компьютер, первый приемо-передатчик, функциональный преобразователь, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый накапливающий сумматор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен с входом квадратора, выход первого приемо-передатчика соединен с входом компьютера, дополнительно введены первый и второй блоки вычитания, первый регистр, первый и второй цифровые сумматоры, второй накапливающий сумматор, многоканальный коммутатор, датчики температуры окружающей среды и температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, микроконтроллер, второй приемо-передатчик, первый - пятый блоки умножения, первый - пятый блоки задания кодов, выход первого из которых соединен с первым входом первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока задания кода, а выход соединен с первым входом второго цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока умножения, а выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными первым информационным входом многоканального коммутатора, входом уменьшаемого второго блока вычитания и вторым входом четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока задания кода, соединенному со вторым входом пятого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, выход третьего блока задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока вычитания, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, выход датчика температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора соединен со вторым информационным входом многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом функционального преобразователя, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта А микроконтроллера, выход порта В которого через второй приемо-передатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта С микроконтроллера через первый приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта D которого соединены первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с управляющим входом многоканального коммутатора, третий - с объединенными управляющими входами записи первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, пятый - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора, шестой - с управляющим входом записи первого накапливающего сумматора, седьмой - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора.

Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов (датчиков температуры окружающей среды и температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, микроконтроллера, второго приемо-передатчика, первого регистра, первого - пятого блоков умножения, первого и второго блоков вычитания, первого и второго цифровых сумматоров, второго накапливающего сумматора, первого - пятого блоков задания кодов, многоканального коммутатора), а также организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева, а также учета изменений температуры окружающей среды.

Схема счетчика приведена на фиг.1.

Схема счетчика содержит датчик 1 тока (ДТ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, квадратор 3, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 и пятый 8 блоки умножения (БУ, первый 9 и второй 10 накапливающие сумматоры (НС), функциональный преобразователь (ФП) 11, первый регистр 12, цифровой индикатор (ЦИ) 13, генератор 14 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер (МК) 15, первый 16 и второй 17 приемо-передатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 18, компьютер 19, первый 20 и второй 21 цифровые сумматоры (ЦС), первый 22 и второй 23 блоки вычитания (БВ), первый 24, второй 25, третий 26, четвертый 27 и пятый 28 блоки задания кодов (БЗК), датчики температуры окружающей среды (ДТОС) 29 и наиболее нагретой точки обмотки трансформатора (ДТОТ) 30, многоканальный коммутатор 31. Выход датчика 1 тока через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 2 и квадратор 3 соединен с первым входом первого блока 4 умножения, выход которого соединен с первым входом третьего блока 6 умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока 27 задания кода, а выход соединен с первым входом второго цифрового сумматора 21, второй вход которого подключен к выходу пятого блока 8 умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока 22 вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока 7 умножения, а выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора 9, выход которого соединен с объединенными входом уменьшаемого второго блока 23 вычитания, первым информационным входом многоканального коммутатора 31 и вторым входом четвертого блока 7 умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока 28 задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока 8 умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика 29 температуры окружающей среды, выход третьего блока 26 задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока 23 вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока 5 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока 25 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого цифрового сумматора 20, первый вход которого подключен к выходу первого блока 24 задания кода, а выход соединен со вторым входом первого блока 4 умножения, выход датчика температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора 30 соединен со вторым информационным входом многоканального коммутатора 31, выход которого соединен со входом функционального преобразователя 11, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора 10 и первого регистра 12, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора 13, выход второго накапливающего сумматора 10 соединен с входом порта А микроконтроллера 15, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 14 прямоугольных импульсов, а выходы портов В и С соединены соответственно через второй 17 и первый 16 приемо-передатчики с входами постоянного запоминающего устройства 18 и компьютера 19, разряды управляющего порта D микроконтроллера 15 соединены первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя 2, второй - с управляющим входом многоканального коммутатора, третий - с объединенными управляющими входами записи первого регистра 12 и второго накапливающего сумматора 10, четвертый - с входом вектора прерываний микроконтроллера 15, пятый - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора 10, шестой - с управляющим входом записи первого накапливающего сумматора 9, седьмой - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора 9.

Счетчик (фиг.1) работает следующим образом.

В первом варианте применения счетчика (при установленном на обмотке датчике ДТОТ 30) датчиком 30 измеряется температура обмотки трансформатора .

К управляющему входу многоканального коммутатора 31 в этом случае приложено нулевое напряжение с выхода второго разряда управляющего порта D МК 15, код температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора с выхода ДТОТ 30 через коммутатор 31 поступает на вход ФП 11.

В этом режиме обработка информации осуществляется только элементами 10 - 19, 30, 31, верхняя часть схемы счетчика (фиг.1) в работе не участвует.

Выходной код функционального преобразователя 11 равен относительной скорости износа изоляции V, определяемой в функции аргумента (температуры обмотки трансформатора ) по формуле [5, 6]

где µ=0,116 - коэффициент, характеризующий интенсивность старения изоляции;

- температура нагрева обмотки;

_ном - номинальная длительно допустимая температура изоляции.

Для большинства трансформаторов _ном=98°С; для трансформаторов с термически высококачественной изоляцией _ном=110°С.

Наиболее простой реализацией функционального преобразователя 11 является постоянное запоминающее устройство, в ячейках которого размещаются заранее рассчитанные по формуле (1) значения относительной скорости износа изоляции V.

Износ (использованный ресурс срока службы) Т_ир изоляции за интервал времени Т, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 14209-97 [5], может быть определен по формуле

Учитывая, что при большой постоянной времени нагрева масла (от 1,5 до 3,5 час [5, 6]) за короткий интервал времени T (например, 1 мин) температура обмотки изменяется мало, подынтегральное выражение в формуле (2) с малой погрешностью может быть заменено на произведение T_иp=VT, а интеграл заменен на сумму

где S - содержимое НС 10 в конце интервала T;

N - число выборок за время Т; например, N=60 при ежеминутных выборках за время Т=1 час.

Управление работой счетчика осуществляется управляющим портом D МК 15 следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени T=1 мин импульсом с выхода третьего разряда порта D в первый регистр 12 с выхода ФП 11 записывается значение относительной скорости износа изоляции V, которое в дальнейшем отображается на цифровом индикаторе 13, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Управляющими импульсами с выходов первого - третьего разрядов порта D в регистре второго НС 10 осуществляется накопление суммы выборок, которая пропорциональна износу T_иp изоляции за интервал времени Т.

Импульсом с выхода четвертого разряда порта D МК 15 (который появляется 1 раз в час и воздействует на вход вектора прерываний МК 15) в МК запускается программный блок, который размещает в очередных ячейках ПЗУ 18: дату; час; значение износа Т_иp изоляции за интервал времени T_1час за этот час (код которого приложен к входу порта A МК 15). Операции размещения и считывания информации в ПЗУ 18 выполняются первым приемо-передатчиком 16.

Импульсом с выхода пятого разряда порта D МК 15 содержимое регистра второго НС 10 обнуляется - таким образом он подготавливается для определения значения износа T_ир1час за следующий час и т.д.

Во втором варианте применения счетчика (при отсутствии доступа к наиболее нагретой точке обмотки трансформатора) в ГОСТ 14209-97 [5] рекомендуется использовать математические модели для оценки возможных последствий различных режимов нагрузки при различных температурах охлаждающей среды. Эти модели включают методики расчета допустимой температуры в трансформаторе, в частности, температуры наиболее нагретой точки обмотки.

В этом режиме датчиком 29 измеряется температура окружающей среды _окр, а температура обмотки может быть определена из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле [7]

где - коэффициент изменения сопротивления обмоток трансформатора в функции от температуры;

- температурный коэффициент сопротивления обмоток; имеет значение для меди _М=0,0041°С^-1, алюминия _а=0,0044°С^-1;

_ном - номинальная длительно допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора;

₀=20°С - температура окружающей среды, принимаемая при определении номинальных параметров трансформатора по [4];

I_ном - номинальный ток трансформатора;

I(t) - ток нагрузки.

Разрешим уравнение (4) относительно производной температуры , а также сделаем замену

,

Значение тока нагрузки I(t) определяется с помощью датчика тока ДТ 1 (трансформатора тока и преобразователя тока в напряжение или шунта). После прохождения через АЦП 2 и квадратор 3 на первый вход БУ 4 подается код I(t)² .

Для решения уравнения (5) в счетчике используются первый - пятый блоки задания кодов 24-28, значения которых приведены в таблице.

Таблица
Значения кодов БЗК 24-28
Номера	24	25	26	27	28
БЗК
Значениякодов	1		0=20°

С выхода БЗК 26 на вход вычитаемого БВ 23 поступает код температуры окружающей среды ₀=20°С; к входу уменьшаемого БВ 23 приложен код температуры обмотки с выхода НС 9. На выходе БВ 23 появляется разность этих двух кодов: -_О.

На выходе БУ 5 появляется произведение кодов -_О и коэффициента , приложенного с выхода БЗК 25:(-_О).

Выходной код БУ 5 (-₀) суммируется с помощью ЦС 20 с кодом «1», приложенным с выхода БЗК 24. На выходе ЦС 20 появляется сумма 1+(-_О).

На выходе БУ 4 появляется произведение I(t)² (1+(-_О)).

Выходной код БУ 4 с помощью БУ 6 умножается на код с выхода БЗК 27. На выходе БУ 6 появляется произведение

,

представляющее собой первый член правой части уравнения (5).

Соответственно, на входы БУ 8 поступают сомножители (с выхода

БЗК 28) и _окр (с выхода ДТОС 29), а на выходе БУ 8 появляется произведение , представляющее собой второй член правой части уравнения (5).

На входы БУ 7 поступают сомножители (с выхода БЗК 28) и (с выхода НС 9) - на выходе БУ 7 появляется произведение , представляющее собой модуль третьего члена правой части уравнения (5).

На выходе сумматора 21 появляется сумма

,поступающая на вход уменьшаемого БВ 22, к входу вычитаемого которого с выхода БУ 7 приложен код .

В результате на выходе БВ 22 формируется правая часть уравнения (5).

Первый НС 9, фактически являющийся цифровым интегратором, понижает на единицу порядок левой части уравнения (5) - на выходе НС 9 появляется код температуры обмотки . Накопление информации в НС 9 осуществляется путем последовательного воздействия при каждой выборке управляющих сигналов с выходов первого и шестого разрядов управляющего порта D МК 15 на вход запуска АЦП 2 и управляющий вход записи НС 9.

Код температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора с выхода НС 9 через коммутатор 31 (к управляющему входу которого в этом случае приложено единичное напряжение с выхода второго разряда управляющего порта D МК 15) поступает на вход функционального преобразователя 11 и т.д. Далее обработка информации осуществляется элементами 10-19, 31, как описано выше в первом варианте применения счетчика (при установленном на обмотке датчике ДТОТ 30).

Преимуществами предлагаемой полезной модели по сравнению с известными аналогами является их более высокая точность. Схемы вариантов счетчика ориентированы на применение современной микроэлектронной основы - опытный образец счетчика изготовлен на базе АVR-микроконтроллера Atmega8.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания заявки:

1. Авторское свидетельство 655976 СССР, МПК G01R 11/32, 1974.

2. Авторское свидетельство 2041496 СССР, МПК G06F 17/18, 1991.

3. Патент 2380715 РФ, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).

4. Осипов Д.С.Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Омск, 2005.

5. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91. LOADING GUIDE FOR OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. - Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.

6. Никитин Ю.М., Тер-Оганов Э.В. Определение вероятностных характеристик случайного процесса относительного износа изоляции трансформаторов //Электричество. - 1973. - 9. - С.62-67.

7. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. - M.- Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 328 с.

Счетчик ресурса трансформатора, содержащий аналого-цифровой преобразователь, квадратор, функциональный преобразователь, компьютер, первый приемопередатчик, цифровой индикатор, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый накапливающий сумматор, датчик тока, выход которого через аналого-цифровой преобразователь соединен со входом квадратора, выход первого приемопередатчика соединен со входом компьютера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй блоки вычитания, первый регистр, первый и второй цифровые сумматоры, второй накапливающий сумматор, многоканальный коммутатор, датчики температуры окружающей среды и температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора, микроконтроллер, второй приемопередатчик, первый - пятый блоки умножения, первый - пятый блоки задания кодов, выход первого из которых соединен с первым входом первого цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, а выход соединен со вторым входом первого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а выход соединен с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока задания кода, а выход соединен с первым входом второго цифрового сумматора, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, а выход соединен с входом уменьшаемого первого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к выходу четвертого блока умножения, а выход соединен с информационным входом первого накапливающего сумматора, выход которого соединен с объединенными первым информационным входом многоканального коммутатора, входом уменьшаемого второго блока вычитания и вторым входом четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого блока задания кода, соединенному с вторым входом пятого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, выход третьего блока задания кода соединен с входом вычитаемого второго блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока задания кода, выход датчика температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора соединен со вторым информационным входом многоканального коммутатора, выход которого соединен с информационным входом функционального преобразователя, выход которого соединен с объединенными информационными входами второго накапливающего сумматора и первого регистра, информационный выход которого соединен с информационным входом цифрового индикатора, выход второго накапливающего сумматора соединен с входом порта Амикроконтроллера, выход порта Вкоторого через второй приемопередатчик соединен с входом постоянного запоминающего устройства, выход порта Смикроконтроллера через первый приемо-передатчик соединен с входом компьютера, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, разряды управляющего порта Dкоторого соединены первый - с входом запуска аналого-цифрового преобразователя, второй - с управляющим входом многоканального коммутатора, третий - с объединенными управляющими входами записи первого регистра и второго накапливающего сумматора, четвертый - с входом вектора прерываний микроконтроллера, пятый - с входом установки нуля второго накапливающего сумматора, шестой - с управляющим входом записи первого накапливающего сумматора, седьмой - с входом установки нуля первого накапливающего сумматора.