Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях

 

Использование: для оперативного контроля за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов в процессе эксплуатации без отключения их от сети. Сущность: устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях содержит трехфазный (ТФ) источник электропитания, трехфазный защитный выключатель, трехфазный контролируемый трансформатор, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения, активную нагрузку, частотомер, блок приведения первичного напряжения ко вторичному, блок вычисления разности напряжений, блок вычисления среднего значения напряжения, блок производной тока, блок вычисления падения напряжения на активном сопротивлении, блок уставки активного сопротивления, блок вычисления индуктивности, блок приведения значения индуктивности к номинальной частоте, блок вычисления среднего значения индуктивности за период, блок вычисления отклонения, блок уставки индуктивности, блок контроля отклонения индуктивности, блок защиты. Устройство обеспечивает непрерывный контроль состояния обмоток силовых трансформаторов без отключения их от сети и защиту в случае возникновения деформаций обмоток или их повреждения. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов в процессе эксплуатации без отключения их от сети.

В качестве аналога изобретения может быть рассмотрено устройство, осуществляющее контроль внутренних обмоток силовых трансформаторов в процессе эксплуатации под рабочим напряжением. В этом аналогичном устройстве производится измерение первичного, вторичного напряжения, вторичного тока и частоты. Главным параметром в [1], определяющим состояние обмоток, является величина сопротивления короткого замыкания (КЗ), вычисляемая как произведение отношений разности векторов напряжения обмоток к величине токов и измеренной частоты к эталонной. Недостатками аналога [1] являются, во-первых, очень сложная система измерения первичного и вторичного напряжения с помощью четырех промежуточных трансформаторов и, во-вторых, то, что величина сопротивления КЗ есть очень неточный параметр, в который входит и активная слагающая сопротивления, изменяющаяся в зависимости от температуры.

Другим аналогом, более близким к предлагаемому изобретению, является устройство [2] (прототип). Прототип [2] предназначен для контроля и защиты обмоток трансформатора в ходе электродинамических испытаний. В прототипе измеряются первичное и вторичное напряжение, вторичный ток. Основными параметрами, по которым контролируется состояние защищаемого объекта, являются значение индуктивности трансформатора, определяемое как отношение среднего значения напряжения к производной тока; среднее значение индуктивности за период и отклонение величины индуктивности от эталонного значения.

Цель изобретения - обеспечение непрерывного контроля обмоток силового трансформатора в процессе эксплуатации без отключения от сети и включение защиты в случае начала возникновения деформаций обмоток трансформатора или их повреждения.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании изобретения, является предотвращение аварийных выходов из строя трансформаторного оборудования или сокращение масштабов возможных повреждений.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций при коротких замыканиях.

Устройство содержит трехфазный источник 1 электропитания, трехфазный защитный выключатель 2, первичную обмотку 3 контролируемого силового трансформатора, трехфазный контролируемый силовой трансформатор 4, вторичную обмотку 5 контролируемого силового трансформатора, трехфазный трансформатор 6 первичного напряжения, первый, второй и третий трансформаторы тока 7, первый, второй и третий трансформаторы 8 вторичного напряжения, трехфазную активную нагрузку 9, частотомер 10, блок 11 приведения первичного напряжения ко вторичному, блок 12 вычисления разности напряжений, блок 13 вычисления среднего значения напряжения, блок 14 производной тока, блок 15 вычисления падения напряжения на активном сопротивлении, блок 16 уставки активного сопротивления, блок 17 вычисления индуктивности, блок 18 приведения значения индуктивности к номинальной частоте, блок 19 вычисления среднего значения индуктивности за период, блок 20 вычисления отклонения, блок 21 уставки индуктивности, блок 22 контроля отклонения индуктивности, блок 23 защиты контролируемого силового трансформатора.

Каждая фаза источника 1 электропитания через трехфазный защитный выключатель 2 соединена с соответствующим первым выводом первичной обмотки 3 трехфазного контролируемого трансформатора 4, вторые выводы первичных обмоток трехфазного контролируемого трансформатора соединены с общим выводом, соответствующие первые выводы вторичной обмотки 5 трехфазного контролируемого трансформатора 4 соединены между собой по схеме "звезда", ко вторым выводам соответствующей вторичной обмотки 5 подсоединены через соответствующие измерители тока 7, выполненные в виде трансформаторов тока, соответствующие первые выводы трансформаторов 8 вторичного напряжения и трехфазная активная нагрузка 9, которая соединена по схеме "звезда" с общей заземленной точкой. Входные зажимы трехфазного трансформатора 6 первичного напряжения соединены с соответствующими фазами трехфазного источника электропитания 1, а выходные зажимы трансформатора 6 соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами блока 11 приведения первичного напряжения ко вторичному. Первый, второй и третий выходы блока 11 соединены с первым, вторым и третьим входами блока 22 контроля отклонения индуктивности через последовательно соединенные блоки 12, 13, 17, 18, 19 и 20. Первый, второй и третий входы блок 12 вычисления разности напряжений соединены с соответствующими вторичными выводами трансформаторов напряжения 8.

Четвертый, пятый и шестой входы блока 17 вычисления индуктивности соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 14 производной тока, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы которого соединены соответственно с соответствующими выводами первого, второго и третьего трансформаторов тока 7. К соответствующим выводам трансформаторов тока 7 подключены также первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы блока 15 вычисления падения напряжения на активном сопротивлении, седьмой, восьмой и девятый входы которого соединены с соответствующими выходами блока 16 уставки активного сопротивления. Первый, второй и третий выходы блока 15 вычисления падения напряжения на активном сопротивлении соединены соответственно с седьмым, восьмым и девятым входами блока 17 вычисления индуктивности.

Четвертый и пятый входы блока 18 приведения значения индуктивности к номинальной частоте соединены соответственно с первым и вторым выводами частотомера 10, который включен между первыми выводами второго и третьего трансформаторов тока. Первый, второй и третий выходы блока 21 уставки индуктивности соединены соответственно с соответствующими четвертым, пятым и шестым входами блока 20 вычисления отклонения.

Первый выход блока 22 контроля отклонения индуктивности соединен со входом блока 23 защиты контролируемого силового трансформатора 4. Второй и третий выходы блока 22 соединены соответственно с четвертым входом блока 13 вычисления среднего значения напряжения и седьмым входом блока 14 вычисления производной тока. Управляющий выход блока 23 соединен с управляющим входом трехфазного защитного выключателя 2.

Устройство работает следующим образом. Непрерывный контроль состояния обмоток контролируемого силового трансформатора 4 обеспечивается постоянным определением значения отклонения индуктивности в блоке 20 от базового значения индуктивности, которое берется из блока 21 уставки индуктивности.

Во время работы трехфазного контролируемого силового трансформатора 4 на трехфазную активную нагрузку 9 производится измерение значения первичного напряжения U₁ с помощью трансформатора 6 первичного напряжения. Сигнал с трансформатора 6 поступает на вход блока 11 приведения первичного напряжения ко вторичному. В блоке 11 вычисляется приведенное ко вторичному значение первичного напряжения U₁^* = U₁/K_т, где K_т - известное заданное значение коэффициента трансформации силового трансформатора 4.

На вход блока 12 поступают сигналы с трансформаторов 8 вторичного напряжения и сигналы с выхода блока 11. В блоке 12 вычисления разности напряжений, приведенных ко вторичной стороне, определяется U^* = U₁^*-U₂, где U₂ - значение вторичного напряжения, измеренное трансформаторами 8.

В блоке 13 вычисления среднего значения напряжения вычисление производится на заданном интервале времени где u^*j - значения разности приведенных напряжений на трансформаторе 4; t₁ и t₂ - временные границы интервала разбиения.

В блоке 14 вычисления производной тока вычисляется приращение по току на заданном интервале времени где ij - значение тока во вторичной обмотке 5 контролируемого трансформатора 4, измеренное трансформаторами тока 7.

В блоке 15 вычисляется падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора как произведение ij R, где ij - значение тока во вторичной обмотке 5 контролируемого трансформатора 4, R - значение уставки активного сопротивления трансформатора, которое берется из блока 16 и определяется расчетами и по результатам предварительного эксперимента. В блоке 17 вычисления индуктивности определяется мгновенное значение индуктивности на заданном интервале времени В блоке 18 приведения значения индуктивности к номинальной частоте вычисляется мгновенное значение индуктивности, приведенное к номинальной частоте где f_изм - измеренное частотомером 10 значение частоты,
f_ном - номинальное значение частоты (f_ном = 50 Гц).

В блоке 19 вычисляется среднее значение индуктивности за каждый период

где N - число интервалов разбиения.

В блоке 20 вычисления отклонения производится сравнение значения L_ср. за период со значением уставки L_oj из блока 21 и вычисляется их отличие

где L_ср - среднее значение нидуктивности за период:
L_oj - значение уставки индуктивности трансформатора, определяемое расчетами и по результатам предварительного эксперимента.

В случае возникновения начальных деформаций, а также в случае внутреннего виткового замыкания в обмотках трансформатора происходит развивающееся увеличение либо уменьшение значения L от периода к периоду, что сопровождает необратимое разрушение обмоток контролируемого силового трансформатора 4. При этом с блока 22 контроля отклонения индуктивности поступает сигнал на блок 23 защиты, где формируется сигнал на отключение защитного выключателя 2. Этим останавливается процесс разрушения обмоток трансформатора 4. Учет величины активного сопротивления трансформатора в блоке 15, а затем при вычислении индуктивности в блоке 17 позволяет увеличить точность измерения величины индуктивности трансформатора и повысить надежность работы устройства в целом.

Во время работы синхросигналы с блока 22 контроля отклонения индуктивности осуществляют синхронизацию измерения значений di/dt и u_cp с соответствующим шагом дискретизации.

Предлагаемое устройство позволяет непрерывно контролировать состояние обмоток силовых трансформаторов без отключения их от сети, а также осуществлять их защиту в случае возникновения деформаций обмоток или их повреждения. Это повышает бесперебойность электроснабжения потребителей электрической энергии.

Список источников для рассмотрения в ходе экспертизы
1. Конов Ю. С., Цурпал С.В. Способ контроля внутренних обмоток силовых трансформаторов. А.с. СССР N 1221620, кл. G 01 R 31/02, 1986 г.

2. Шлегель О. А., Хренников А.Ю., Жнякин О.В. Устройство для испытания трансформатора токами короткого замыкания. Авт. свид. СССР N 1821759, кл. G 01 R 31/02, 1993 г., Бюл. N 22 (прототип).

Формула изобретения

Устройство контроля и защиты обмоток трансформаторов от деформаций обмоток при коротких замыканиях, содержащее трехфазный источник электропитания, каждая фаза которого соединена с первыми выводами трехфазного защитного выключателя, вторые выводы первичной обмотки трехфазного контролируемого трансформатора соединены с общим выводом, выходы токоизмерительных элементов, включенных в цепь каждой фазы вторичной обмотки, соединены со входами блока вычисления производной тока, выходы которого соединены с соответствующими входами блока вычисления индуктивности, первый, второй и третий входы которого соединены с соответствующими выходами блока вычисления среднего значения напряжения, выходы блока вычисления среднего значения индуктивности за период соединены с соответствующими входами блока вычисления отклонения, другие входы которого соединены с выходами блока уставки индуктивности, выходы которого соединены со входами блока контроля отклонения индуктивности, первый и второй выходы которого соединены соответственно с седьмым входом блока вычисления производной тока и четвертым входом блока вычисления среднего значения напряжения, а третий - со входом блока защиты, выход которого соединен с управляющим входом трехфазного защитного выключателя, входные выводы трехфазного трансформатора первичного напряжения соединены с соответствующими фазами трехфазного источника электропитания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены частотомер, блок приведения первичного напряжения ко вторичному, блок вычисления разности напряжений, приведенных к стороне вторичного напряжения, блок вычисления падения напряжения на активном сопротивлении трансформатора, блок уставки активного сопротивления трансформатора, блок приведения значения индуктивности к номинальной частоте и активная нагрузка, токоизмерительный элемент выполнен в виде трансформатора тока, первый, второй и третий входы блока приведения значения индуктивности к номинальной частоте соединены с соответствующими выходами блока вычисления индуктивности, четвертый и пятый входы блока приведения значения индуктивности к номинальной частоте соединены соответственно с первым и вторым выходами частотомера, который включен между первыми выводами второго и третьего трансформаторов тока, первый, второй и третий выходы блока приведения значения индуктивности к номинальной частоте соединены с соответствующими входами блока вычисления среднего значения индуктивности за период, первый, второй и третий входы блока приведения первичного напряжения ко вторичному соединены соответственно с выходными выводами трехфазного трансформатора первичного напряжения, первый, второй и третий входы блока вычисления разности напряжений соединены соответственно с выходами блока приведения первичного напряжения ко вторичному, а четвертый, пятый и шестой входы блока вычисления разности напряжений соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего трансформаторов вторичного напряжения, первый, второй и третий выходы блока вычисления разности напряжений соединены с соответствующими входами блока вычисления среднего значения напряжения, к соответствующим выводам трансформаторов тока подключены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы блока вычисления падения напряжения на активном сопротивлении трансформатора, седьмой, восьмой и девятый входы которого соединены с соответствующими выходами блока уставки активного сопротивления трансформатора, первый, второй и третий выходы блока вычисления падения напряжения на активном сопротивления трансформатора соединены соответственно с дополнительными седьмым, восьмым и девятым входами блока вычисления индуктивности, первые выводы вторичной обмотки трехфазного контролируемого трансформатора соединены между собой по схеме "звезда", вторые выводы соответствующей вторичной обмотки соединены через соответствующие трансформаторы тока с первыми выводами трансформаторов вторичного напряжения и подключены к активной нагрузке, а первые выводы первичной обмотки трехфазного контролируемого трансформатора соединены со вторыми выводами трехфазного защитного выключателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1