Устройство для защиты силового трансформатора от перегрева обмотки и масла

(51)02 7/04, 6/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ПЕРЕГРЕВА ОБМОТКИ И МАСЛА(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого(72) Авторы Зализный Дмитрий Иванович Лось Дмитрий Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный технический университет имени П.О. Сухого(57) Устройство для защиты силового трансформатора от перегрева обмотки и масла, содержащее датчик токов нагрузки силового трансформатора, соединенный выходом с электрической тепловой моделью трансформатора, а также первый сумматор напряжений,соединенный через преобразователь температура-напряжение с датчиком температуры,отличающееся тем, что датчик токов нагрузки выполнен в виде трех трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены в цепи соответствующих фаз токов на стороне низкого напряжения силового трансформатора, и соединен с электрической тепловой моделью трансформатора посредством последовательно включенных сумматора токов,выпрямителя и квадратора, электрическая тепловая модель содержит три инерционных реально-интегрирующих звена, выходы которых непосредственно соединены с первым сумматором напряжений, а через три масштабных усилителя соответственно - со вторым 9296 1 2007.06.30 сумматором напряжений, соединенным с указанным датчиком температуры через преобразователь температура-напряжение, каждый сумматор напряжений соединен входом с источником опорных напряжений, а выходами - с индикатором температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора и температуры масла, а также с первым и вторым преобразователями напряжение-ток соответственно, причем каждое из инерционных реально - интегрирующих звеньев содержит два конденсатора, емкость второго из которых на пять порядков больше емкости первого, отрицательные обкладки которых соединены общей точкой, а положительные - электронным ключом, управляющий вход которого подключен к выходу переполнения двоичного счетчика, соединенного счетным входом с выходом генератора импульсов, а положительная обкладка второго конденсатора соединена со входом повторителя напряжения, выход которого является выходом звена, при этом каждое из указанных звеньев выполнено с возможностью формирования экспоненциального сигнала, численно задаваемого выражением 2 2 К нннт.к(ннт.н.кК нннт.к ),к где Кн - коэффициент нагрузки трансформатора ннт.к и ннт.н.к - соответственно установившееся значение к-й экспоненциальной составляющей температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора при номинальной нагрузке и ее начальное значение к - постоянная времени к-го звена- время,источник опорного напряжения выполнен с возможностью подачи на сумматоры напряжений, пропорциональных величинам превышения температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора хх.ннт и масла хх.м над температурой охлаждающей среды трансформатора на холостом ходу, соответствующие звеньям масштабные усилители выполнены с коэффициентами передачи к, задаваемыми выражениями км .к ,ннт.к где м.к - установившееся значение к-й экспоненциальной составляющей температуры масла трансформатора при номинальной нагрузке, а указанный датчик температуры выполнен на терморезисторе с возможностью определения температуры охлаждающей среды. Изобретение относится к технике тепловой защиты, в частности к устройствам защиты, реагирующим на недопустимые температуры защищаемых объектов с использованием тепловых моделей защищаемых объектов, и может быть применено для тепловой защиты,а также для раннего выявления повреждений силового масляного трансформатора. Известно устройство для контроля температуры наиболее нагретой точки (ННТ) обмотки силовых масляных трансформаторов 1. В основу его работы, так же, как и в заявляемом устройстве, положен метод тепловых моделей. Но в отличие от заявляемого устройства, оно работает, находясь в верхних слоях масла трансформатора и состоит из двух обмоток - нагревательной и измерительной. Через нагревательную обмотку протекает ток, пропорциональный току нагрузки силового трансформатора. Измерительная обмотка включается в одну из ветвей измерительного моста. Величина сопротивления измерительной обмотки, зависящая от ее температуры может быть измерена прибором,градуированным, например, в градусах Цельсия и показывающим текущее значение температуры ННТ обмотки трансформатора. Данное устройство имеет низкую точность измерений, так как а) не учитывает в явном виде нагрев магнитопровода трансформатора 2 9296 1 2007.06.30 б) тепловая постоянная времени нагревательной обмотки не может быть выставлена точно в соответствии с расчетным значением из-за дискретности переключения витков. Кроме того, это устройство трудно настраивается из-за высокой сложности конструкции, что существенно затрудняет его использование. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для защиты силовых трансформаторов от перегрузки 2, содержащее датчик температуры масла, который соединен со входом преобразователя температуры в напряжение,датчик тока нагрузки, к выходу которого подключены последовательно соединенные преобразователь тока в напряжение, электрическая модель теплового процесса обмотки трансформатора и первый вход сумматора напряжений. Сигнал с преобразователя температуры в напряжение поступает на другой вход сумматора. Так осуществляется контроль температуры ННТ обмотки трансформатора. В отличие от заявленного, данное устройство имеет непосредственный контакт с трансформатором, что снижает надежность его работы, а также не позволяет использовать его для раннего выявления повреждений в трансформаторе. Кроме того, электрическая модель теплового процесса обмотки трансформатора, примененная в данном устройстве, учитывает влияние температуры магнитопровода лишь косвенно, что приводит к дополнительной погрешности при определении температуры ННТ обмотки. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является осуществление контроля температуры ННТ обмотки, а также температуры масла трансформатора без непосредственного контакта с трансформатором, используя в качестве исходных данных ток нагрузки трансформатора и температуру охлаждающей среды. Применение предлагаемого устройства повышает надежность защиты силового масляного трансформатора от недопустимых аварийных перегрузок в реальных условиях эксплуатации, а также дает возможность раннего выявления повреждений в силовом трансформаторе. Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем датчик токов нагрузки силового трансформатора, соединенный выходом с электрической тепловой моделью трансформатора, а также первый сумматор напряжений, соединенный через преобразователь температура-напряжение с датчиком температуры, согласно изобретению, датчик токов нагрузки выполнен в виде трех трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены в цепи соответствующих фаз токов на стороне низкого напряжения силового трансформатора, и соединенный с электрической тепловой моделью трансформатора посредством последовательно включенных сумматора токов, выпрямителя и квадратора, электрическая тепловая модель трансформатора содержит три инерционных реально-интегрирующих звена, выходы которых непосредственно соединены с первым сумматором напряжений, а через три масштабных усилителя соответственно - со вторым сумматором напряжений, соединенным с указанным датчиком температуры через преобразователь температура-напряжение, при этом каждый сумматор напряжений соединен входом с источником опорных напряжений, а выходами - с индикатором температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора и температуры масла, а также с первым и вторым преобразователями напряжение-ток соответственно, причем каждое из инерционных реально-интегрирующих звеньев содержит два конденсатора, емкость второго из которых на пять порядков больше емкости первого, отрицательные обкладки которых соединены общей точкой, а положительные - электронным ключом, управляющий вход которого подключен к выходу переполнения двоичного счетчика, соединенного счетным входом с выходом генератора импульсов, а положительная обкладка второго конденсатора соединена со входом повторителя напряжения, выход которого является выходом звена, а указанный датчик температуры выполнен на терморезисторе с возможностью определения температуры охлаждающей среды. При разработке заявляемого устройства была использована математическая тепловая модель масляного трансформатора, где трансформатор рассматривается как система из трех однородных тел обмотки, масла и магнитопровода. После решения системы диффе 3 9296 1 2007.06.30 ренциальных уравнений, описывающих данную модель, можно получить следующие выражения для температуры ННТ обмотки и температуры масла где ннт, м - временные зависимости соответственно температуры ННТ обмотки и температуры масла к - номер экспоненциальной составляющей- коэффициент нагрузки трансформатора ном ном - номинальная мощность трансформатора- текущая мощность нагрузки трансформатора ннт.к , м.к - соответственно, установившиеся значения экспоненциальных составляющих температуры ННТ обмотки и температуры масла трансформатора при номинальной нагрузке ннт.н.к , м.н.к - соответственно, начальные значения экспоненциальных составляющих температуры ННТ обмотки и температуры масла трансформаторахх.ннт ,хх .м - соответственно, превышения температуры ННТ обмотки и температуры масла над температурой охлаждающей среды трансформатора на холостом ходу к - тепловые постоянные времени охл - температура охлаждающей среды. Величины ннт.к , м.к ,хх .ннт ,хх .м ,к - рассчитываются, исходя из паспортных данных трансформаторов 1. Заявляемое устройство отличается от прототипа тем, что измеряет величины Кн, охл и в режиме реального времени косвенным методом определяет температуры ннт и м в соответствии с выражениями (1). Это достигается тем, что последовательно с датчиком токов нагрузки, сумматором токов и квадратором включены три специальных инерционных реально-интегрирующих звена с постоянными времени, равными величинам к. Напряжения с выходов инерционных звеньев, а также напряжения, пропорциональные величинам охл, хх .ннт , хх .м , складываются с помощью первого и второго сумматоров напряжения в соответствии с соотношениями (1). Полученный результат в виде текущих значений температуры ННТ обмотки и температуры масла отображается на стрелочном или цифровом индикаторе. На фиг. 1 приведена функциональная схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы работы инерционного реально-интегрирующего звена, на фиг. 3 функциональная схема инерционного реально-интегрирующего звена. Функциональная схема заявляемого устройства (фиг. 1) содержит датчик тока нагрузки силового трансформатора 1, сумматор токов 2, выпрямитель 3, квадратор 4, инерционные реально-интегрирующие звенья 5-7, масштабные усилители 8-10, сумматоры напряжений 11-12, источник опорного напряжения 13, датчик температуры охлаждающей среды 14, преобразователь температура-напряжение 15, индикатор 16 и преобразователи напряжение-ток 17-18. Функциональная схема инерционного реально-интегрирующего звена (фиг. 3) содержит резистор 1, конденсаторы С 1 и С 2, электронный ключ , операционный усилитель , генератор импульсов 19 и двоичный счетчик 20. 9296 1 2007.06.30 Устройство работает следующим образом. Датчик токов нагрузки 1 силового трансформатора выполнен в виде трех трансформаторов тока, первичные обмотки которых включены в цепи соответствующих фаз А, В, С токов на стороне низкого напряжения силового трансформатора. Соответственно датчик токов нагрузки 1 имеет три токовых выхода,которые подключены к сумматору токов 2, напряжение с выхода которого через выпрямитель 3 подается на квадратор 4. Напряжение на выходе квадратора пропорционально квадрату коэффициента нагрузки силового трансформатора Кн 2. Полученный сигнал подается на входы инерционных звеньев 5-7, каждое из которых формирует отдельную экспоненциальную составляющую и имеет следующую передаточную функцию( р )ннт.к ,1 где- передаточная функция к-го инерционного звена,р - оператор Лапласа- эквивалентная крутизна системы (1/ С). В соответствии с соотношениями (1), сигналы с выходов инерционных звеньев 5-7 складываются на первом сумматоре 11. Далее к полученному результату прибавляется напряжение, пропорциональное величинехх.ннт , сформированное с помощью источника опорного напряжения 13 а также прибавляется напряжение, пропорциональное температуре охлаждающей среды охл. Температура охлаждающей среды измеряется с помощью датчика 14, выполненного на основе терморезистора и преобразователя температура - напряжение 15. Сигнал с выхода сумматора 11 поступает на индикатор 16 и преобразователь напряжение-ток 1 17, ток на выходе которого пропорционален температуре ннт и имеет нормированное значение. Таким образом заявляемое устройство в режиме реального времени определяет температуру ННТ обмотки трансформатора. Температура масла определяется аналогично на втором сумматоре 12, только сигналы с выходов инерционных звеньев 5-7 снимаются через масштабные усилители 8-10 с коэффициентами передачи соответственно 1, 2, где 1 м.12 м.23 м.3 .ннт.3 ннт .1 ннт.2 Сигнал с выхода сумматора 12 также поступает на устройство индикации 16, отображающее текущее значение температуры масла и на второй преобразователь напряжениеток 18. Таким образом, заявляемое устройство имеет два стандартных токовых выхода. Для получения достаточно высоких (до 4,5 часов) постоянных времени в инерционных звеньях 5-7 применена растяжка экспоненты во времени, суть которой отображена на фиг. 2. А функциональная схема инерционного звена, реализующего данный процесс,приведена на фиг. 3. Данное инерционное звено работает подобно устройству выборки - хранения. В момент выборки электронный ключ(фиг. 3) замкнут и конденсатор С 2 заряжается по экспоненте (кривые а, фиг. 2) с постоянной времени , равной(2)12 . Процесс выборки протекает в течение времени Т (фиг. 2). Затем ключразмыкается и схема переходит в режим хранения. Напряжение хранится на конденсаторе С 2 в течение времени хранения , превышающего время выборки враз(3). При этом для упрощения величины Т ина фиг. 2 изображены утрированно. Реально. При очередном замыкании ключапроцесс заряда или разряда конденсатора 2 должен начаться с той же точки на графике (кривая , фиг. 2), что и закончился в предыдущий момент выборки и протекать также по экспоненте. Для достижения данного условия в схему введен конденсатор С 1, емкость которого на пять порядков меньше емкости С 2. 5 9296 1 2007.06.30 Конденсатор 1 - это своеобразный демпфер переходного процесса в момент выборки. При коммутации напряжений, имеющихся на С 1 и 2, выполняется принцип емкостного делителя, и результирующее напряжение фактически мгновенно становится равным напряжению, хранившемуся на С 2, поскольку его емкость намного больше. Ключомуправляют генератор импульсов 19 и двоичный счетчик 20 (фиг. 3). Частота генератора импульсов Г равна 1 Г. С генератора импульсов частота поступает на счетный вход двоичного счетчика с импульсным выходом переполнения, с которого снимается управляющий сигнал для ключа. Тогда коэффициентв соотношении (3) - это число импульсов, подсчитанное счетчиком. Полученный в процессе растяжки экспоненты во времени ступенчатый сигнал можно заменить экспонентой, соединив точки в моменты начала выборки, как показано на фиг. 2 (кривая с). Погрешность от такой замены мала, так как х намного больше Т. Постоянная времени полученной растянутой экспоненты р будет равна(5)12. Сравнение выражений (4) и (5) показывает, что р не зависит от частоты генератора Г. Поэтому высоких требований к стабильности частоты генератора можно не предъявлять. Так заявляемое устройство в режиме реального времени определяет температуру ННТ обмотки и температуру масла силового трансформатора. Стандартные токовые сигналы с выходов преобразователей напряжение - ток 17 и 18 могут быть использованы в релейной защите трансформатора. При достижении температуры ННТ обмотки или температуры масла критических значений, должна срабатывать релейная защита. Заявляемое устройство можно использовать не только для тепловой защиты силовых трансформаторов, но и для раннего выявления их повреждений. Для этого необходимо сопоставить температуру масла, которую показывает в данный момент времени заявляемое устройство и термометр, находящийся на баке трансформатора и измеряющий температуру верхних слоев масла. Если показания термометра по температуре превышают показания заявляемого устройства, то в трансформаторе имеют место повреждения или нарушена работа системы охлаждения. Источники информации 1. Боднар В.В. Нагрузочная способность силовых масляных трансформаторов. - М. Энергоатомиздат. - 1983. - С. 118. 2. А.с. СССР 1785583, МПК 3 Н 02 Н 7/04, 1992. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6