Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором

Рассматриваются теоретические и практические вопросы определения показателя режима нагрузки силового маслонаполненного трансформатора и принципы его использования в системе мониторинга и управления трансформатором как обобщенного показателя рисков ускоренного термического износа и мгновеннго пробою...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2009
Автор: Поляков, М.А.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2009
Назва видання:Електротехніка і електромеханіка
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143191
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором / М.А. Поляков // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 51-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-143191
record_format dspace
spelling irk-123456789-1431912018-10-26T01:23:14Z Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором Поляков, М.А. Електричні машини та апарати Рассматриваются теоретические и практические вопросы определения показателя режима нагрузки силового маслонаполненного трансформатора и принципы его использования в системе мониторинга и управления трансформатором как обобщенного показателя рисков ускоренного термического износа и мгновеннго пробою изоляции трансформатора. Розглядаються теоретичні та практичні питання визначення показнику режиму навантаження потужного маслонаповненного трансформатору та принципи його використання у системі моніторингу та керування трансформатором як узагальнюючого показника ризків прискоренного термічного ізносу та миттевого пробою ізоляції трансформатора. Theoretical and practical questions of determination of loading value mode index for a power oilimmersed transformer and principles of his application in the transformer’s monitoring and control system are studied, the index treated as a generalized risks index for thermal ageing of winding isolation and sudden breakdown of transformer isolation. 2009 Article Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором / М.А. Поляков // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 51-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143191 621.314 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Електричні машини та апарати
Електричні машини та апарати
spellingShingle Електричні машини та апарати
Електричні машини та апарати
Поляков, М.А.
Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
Електротехніка і електромеханіка
description Рассматриваются теоретические и практические вопросы определения показателя режима нагрузки силового маслонаполненного трансформатора и принципы его использования в системе мониторинга и управления трансформатором как обобщенного показателя рисков ускоренного термического износа и мгновеннго пробою изоляции трансформатора.
format Article
author Поляков, М.А.
author_facet Поляков, М.А.
author_sort Поляков, М.А.
title Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
title_short Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
title_full Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
title_fullStr Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
title_full_unstemmed Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
title_sort определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором
publisher Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate 2009
topic_facet Електричні машини та апарати
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143191
citation_txt Определение и использование показателя режима нагрузки силового трансформатора в системе мониторинга и управления трансформатором / М.А. Поляков // Електротехніка і електромеханіка. — 2009. — № 2. — С. 51-54. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv AT polâkovma opredelenieiispolʹzovaniepokazatelârežimanagruzkisilovogotransformatoravsistememonitoringaiupravleniâtransformatorom
first_indexed 2025-07-10T16:37:25Z
last_indexed 2025-07-10T16:37:25Z
_version_ 1837278637710114816
fulltext Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 51 УДК 621.314 М.А. Поляков ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ РЕЖИМА НАГРУЗКИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОМ Розглядаються теоретичні та практичні питання визначення показнику режиму навантаження потужного масло- наповненного трансформатору та принципи його використання у системі моніторингу та керування трансформа- тором як узагальнюючого показника ризків прискоренного термічного ізносу та миттевого пробою ізоляції трансфо- рматора. Рассматриваются теоретические и практические вопросы определения показателя режима нагрузки силового мас- лонаполненного трансформатора и принципы его использования в системе мониторинга и управления трансформа- тором как обобщенного показателя рисков ускоренного термического износа и мгновеннго пробою изоляции транс- форматора. ВВЕДЕНИЕ Системы мониторинга и управления силовыми трансформаторами (СМУ) предоставляют оператив- ному персоналу подстанции большое количество пер- вичной информации о текущих значениях параметров и условиях использования трансформатора [1, 2]. В долговременной памяти компьютера СМУ организо- ван архив этих значений за предыдущие периоды экс- плуатации трансформатора. Совершенствование ме- тодологии использования этой информации является актуальной задачей имеющей важное теоретическое и практическое значение. В частности существует де- фицит обобщающих показателей, анализ которых по- зволил бы своевременно выявить опасные тенденции в использовании трансформатора. Одной из важных задач, решаемых СМУ в процес- се экплуатации трансформатора, является оценка техни- ческого состояния его изоляции. Для маслонаполненных силовых трансформаторов в нормативной литературе [3- 6] приведены факторы определяющие термический из- нос и риск немедленного отказа изоляции. К моменту написания настоящей статьи, дейст- вующими в Украине являются стандарты ДСТУ 3463- 96 и ГОСТ 14209-97 введенные на замену ГОСТ 14209-85. Оба эти стандарта представляют собой пол- ный аутентичный текст стандарта МЭК 354 (1991) "Руководство по нагрузке силовых масляных транс- форматоров" c добавлениями, набранными курсивом. Сам стандарт МЭК 354 (IEC 354), после перехода МЭК на пятицифровые, обозначения стандартов по- лучил обозначение IEC 60354. В настоящее время на замену стандарта IEC 60354 разрабатывается стандарт IEC 60076-7 [5]. В связи с темой статьи отметим, что в официаль- ном издании ГОСТ 14209-97 и ДСТУ 3463-96 в разделе 2.6 имеется ряд неточностей, связанных с определени- ем термического износа изоляции. В частности, в фор- муле "Скорость износа = постоянная * θ− pe ", опреде- ленной на основании формулы (6) стандартов [3, 4], перед коэффициентом p должен стоять знак "+". Фор- мула (7) основана на отношении Монтсингера с посто- янным коэффициентом p в диапазоне температур от 80 до 140 ºС. А в примере приложения L, эта формула применяется при температурах вне этого диапазона. Формула (8) определяет не относительный износ изо- ляции, а среднюю относительную скорость износа. ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ В стандартах [3-5] даны рекомендации по допус- тимым режимам нагрузок превышающих номиналь- ную мощность трансформатора, выделены такие ре- жимы нагрузки, как режим систематических нагрузок (СН) (normal cyclic loading), режим продолжительных аварийных перегрузок (ПАП) (long-time emergency loading) и режим кратковременных аварийных пере- грузок (КАП) (short-time emergency loading). В режиме СН средняя относительная скорость термического износа изоляции не должна превышать единицу. А в режиме ПАП эта скорость может быть больше единицы, но не более некоторой допустимой величины. В режиме КАП определяющим является риск немедленного пробоя изоляции в результате рос- та температуры наиболее нагретой точки изоляции. Для каждого режима и категории трансформатора в стандартах установлены предельно допустимые зна- чения тока нагрузки в относительных единицах, тем- пературы масла в верхних слоях и температуры наи- более нагретой точки изоляции. Таким образом, режим нагрузки трансформатора учитывает влияние комплекса факторов на техниче- ское состояние изоляции и его перспективно исполь- зовать в СМУ трансформатором в качестве обоб- щающего показателя. Вместе тем, в известной автору литературе, отсутствует методики определения и ис- пользования показателя режима нагрузки для целей оперативного управления трансформатором в процес- се эксплуатации СМУ. Технические возможности СМУ, в частности наличие в их составе мощных вы- числительных устройств, позволяют повысить ин- формативность показателя режима нагрузки. Целью исследований является определение пока- зателя нагрузки трансформатора в СМУ трансформа- тором, разработка методики его использования и пу- тей повышения информативности. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В качестве показателя режима нагрузки предла- гается использовать следующие показатели: 1. Факт нахождения нагрузки трансформатора в 52 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 системе ограничений определяющих один из режимов нагрузки. 2. Степень близости режима нагрузки к более тяжелому режиму по последствиям для изоляции трансформатора. 3. Продолжительность работы трансформатора в определенном режиме нагрузки. Для определения факта нахождения нагрузки трансформатора в определенном режиме рассмотрим четырехмерное пространство с осями: средняя ско- рость термического износа изоляции avV за опреде- ленный временной интервал эксплуатации трансфор- матора; коэффициент нагрузки loadK , температура масла в верхних слоях ohΘ и температура наиболее нагретой точки изоляции ihpΘ . Геометрически, за- данные в стандартах [3-5], предельно допустимые значения aviV , loadiK , ohiΘ , ihpiΘ для i - го режима нагрузки определяют в этом пространстве некоторую область iM , а актуальные значения avV , loadK , ohΘ , ihpΘ - точку X . Факт нахождения нагрузки транс- форматора в i - м режиме имеет место если iMX ⊂ . Аналитически режим СН зададим системой не- равенств ,1 , ; ;0 1min 1min 1 ≤ Θ≤Θ≤Θ Θ≤Θ≤Θ ≤≤ av ihpihpihp ohohoh loadload V KK (1) где 1loadK , 1ohΘ , 1ihpΘ - предельные значения соот- ветствующих параметров для режима СН, установ- ленные в стандарте; Введем логическую переменную mode1 "режим СН", значение которой определяется по результатам проверки неравенств (1) ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤ Θ≤Θ≤Θ Θ≤Θ≤Θ ≤≤ = ,,0 ;1 )1min( )1min( )10( если,1 иначе avV ANDihpihpihp ANDohohoh ANDloadKloadK mode1 (2) где AND - логическая операция И. Далее введем логическую переменную 2mode "режим ПАП", значение которой определяется по ре- зультатам проверки значения переменной mode1 и неравенств max 2 2 2 1 , ; ; avav ihpihp ohoh loadload VV KK ≤< Θ≤Θ Θ≤Θ ≤ (3) где 2loadK , 2ohΘ , 2ihpΘ - предельные значения соот- ветствующих параметров для режима ПАП, установ- ленные в стандарте; maxavV - максимальная допусти- мая для пользователя скорость avV . Логическую про- цедуру определения значения переменной 2mode опишем выражением ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤< Θ≤Θ Θ≤Θ ≤ = ,,0 ;max1 )( )( )( )1( если,1 2 2 2 2 иначе avVavV AND AND ANDKK ANDmodeNOT mode ihpihp ohoh loadload (4) где NOT - логическая операция НЕ. Другим словами, из выражения (4) следует, что 12 =mode если не выполняется хотя бы одно нера- венство из (1) и выполняются неравенства (3). Логическую переменную 3mode "режим КАП", определим по результатам проверки значения пере- менных mode1 , 2mode и неравенств ,1 ; ; ; max 3 3 3 avav ihpihp ohoh loadload VV KK ≤< Θ≤Θ Θ≤Θ ≤ (5) где 3loadK , 3ohΘ , 3ihpΘ - предельные значения соот- ветствующих параметров для режима КАП, установ- ленные в стандарте. Логическую процедуру опреде- ления значения переменной 3mode опишем выраже- нием ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤< Θ≤Θ Θ≤Θ ≤ = .,0 );1( )( )( )( )( )1( если,1 3 max 3 3 3 иначе VV AND AND ANDKK ANDmode2NOT ANDmodeNOT mode avav ihpihp ohoh loadload (6) Нормативная литература [3] не содержит опре- деления режима нагрузки, в котором не выполняется хотя бы одно из неравенств (5). Назовем такой режим "режимом недопустимых перегрузок" (НП). Логиче- скую процедуру определения значения переменной 4mode для этого режима опишем выражением ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ > Θ>ΘΘ>Θ = > ,,0 );max( )()( )(если,1 4 33 3 иначе avVavV OROR ORKK mode ihpihpohoh loadload (7) где OR - логическая операция ИЛИ. Требует уточнения методика определения акту- альных значений параметров режима нагрузки транс- форматора средствами СМУ. Если температура ohΘ непосредственно измеряется, то другие величины оп- ределяются в результате расчета и (или) логических процедур выбора. Так, коэффициент loadK рассчитывается по фор- муле nomload II / , где loadI - измеренный ток нагрузки, а nomI - номинальный ток нагрузки. В общем случае различные части изоляции трансформатора могут ра- Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 53 ботать в разных режимах нагрузки. Например, в ре- зультате неравномерной нагрузки трансформатора по фазам или обмоткам. В этом случае для расчета loadK выбирается наиболее нагруженная фаза обмотки. Значение средней скорости avV вычисляется по формуле [5]: ∫− = end begin T Tbeginend av Vdt TT V )( 1 , (8) где V - мгновенная скорость термического износа изоляции трансформатора; beginT , endT - моменты времени начала и окончания определения средней скорости avV . Мгновенная скорость V, в зависимости от материала из которого выполнена изоляция, опре- деляется по формулам: -для обычной бумаги, применяемой в трансфор- маторах, отвечающих требованиям ГОСТ 11677 (non- thermally upgraded insulation paper [5]) 6/)98( 2 −Θ= ihpV ; (9) -для термически высококачественной бумаги (thermally upgraded insulation paper [5]) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +Θ − + = 273 15000 273110 15000 ihpeV . (10) Реально, "мгновенная" скорость V определяется на начало временного интервала Δt обновления пара- метров в СМУ и считается постоянной в пределах этого интервала. Величина Δt составляет единицы минут (Δt = 2 мин в СМУ [2]) и соизмерима с посто- янной времени обмотки трансформатора. Целесооб- разно уменьшать Δt по мере идентификации факта развития более "тяжелого" режима. Уточним границы применимости формул (9) и (10). Как уже отмечалось, стандарты [3, 4] ограничи- вают применимость формулы (9) температурами наи- более нагретой точки изоляции в диапазоне 80-140 ºС. Применение этой формулы, например при температу- ре 56 °С, дает относительную скорость износа 0,0078. То есть изоляция со сроком службы 25 лет будет ста- реть 25/0.0078 = 3205 лет! В этих условиях опреде- ляющим, по-видимому, будет риск износа изоляции не связанный с током нагрузки. В стандарте [5] введение формул (9) и (10) обос- новано ссылкой на стандарт [6] и также не содержит указаний о нижней границе температур minihpΘ в этих формулах и, соответственно, минимальной ско- рости износа изоляции minavV . Предлагается оцени- вать минимальную скорость износа по формуле ,/ хрmin TTV norm= (11) где normT - нормальный срок службы изоляции в ус- ловиях эксплуатации трансформатора; хр T - нормаль- ный срок хранения трансформатора без нагрузки. По- сле подстановки в (11) значения )( minmin ihpV Θ из формул (9) и (10), соответственно получим: )/(log698 хр2min TTnormihp +=Θ °С. (12) 273 /ln( 273110 15000 15000 хр min − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + =Θ TTnorm ihp °С. (13) Например, при лет25=normT и хр T =400 лет, по- лучим по формулам (12) и (13) minihpΘ , соответствен- но 74 °С и 84 °С. Вопрос о верхней границе скорости износа требует дополнительного исследования, по- этому, будем полагать, что формулы (9) и (10) спра- ведливы вплоть до температур при которых произой- дет пробой изоляции. Таким образом, скорость V бу- дем определять по формулам (9), (10), если minihpihp Θ≥Θ , иначе примем minVV = . Величину временного интервала beginend TT − вы- числения средней скорости avV целесообразно уста- новить в зависимости от "тяжести" режима: для ре- жима СН - календарные сутки; для режима ПАП – (3 – 4) величины постоянной времени трансформатора; - для режима КАП – полчаса и для режима НП – (1 – 2) величины Δt. Температура hpΘ измеряется с помощью специ- ального сенсора, а в его отсутствие рассчитывается по методикам [3-5] как функция измеренных значений температур окружающей среды, верхних слоев масла и выбранного коэффициента температуры наиболее нагретой точки. Параметры, не удовлетворяющие требованиям более "легкого" режима могут быть использованы для оценки "степени тяжести" более "тяжелого" режима нагрузки. Так, параметры, не удовлетворяющие тре- бованиям режима СН, могут быть использованы для оценки "степени тяжести" режима ПАП. Например, очевидно, что одновременное невыполнение ограни- чений режима СН по всем параметрам это более тя- желый режим, чем, если не выполнено только одно ограничение. Информативность показателя режима нагрузки повысится, если сопровождать его количе- ственной оценкой превышения ограничений. Выполним эту оценку с использованием теории нечеткой логики. С этой целью введем показатель "степени тяжести" i-го режима нагрузки как лингвис- тическую переменную iW , определенную на число- вом интервале [0, 1]. Значение iW вычислим по алго- ритму Мамдани с помощью нечеткого контроллера с входными лингвистическими переменными коэффи- циента loadK , температуры ohΘ масла в верхних сло- ях, температуры ihpΘ наиболее нагретой точки изоля- ции и средней скорости avV износа изоляции. Область определения входных лингвистических переменных контроллера iW для режимов СН, ПАП и КАП - это интервалы значений [0, loadiK ], [ ohioh ΘΘ ,min ], [ ihpiihp ΘΘ ,min ], [0, aviV ], где aviV - ограничение по скорости avV для i – го режима. Для режима НП верхние границы соответствующих ин- тервалов предлагается устанавливать с учетом воз- можностей конкретного трансформатора выдержи- 54 Електротехніка і Електромеханіка. 2009. №2 вать недопустимые перегрузки. Например: 34 )32( loadload KK ÷= , 34 )3.11.1( ohoh Θ÷=Θ , 34 )1.105.1( ihpihp Θ÷=Θ , 34 )52( loadload VV ÷= . При определении терм–множеств входных и вы- ходной лингвистических переменных контроллера iW ограничимся тремя термами с условными наименова- ниями малое (L), среднее (M) и большое (B) значение и кусочно-линейными аппроксимациями функций принадлежности Z – образной (для терма L), трапе- циевидной (для терма M) и S – образной (для терма B) формы. Условия правил контроллера iW представ- ляют собой объединение с помощью операции нечет- кой конъюнкции "И" подзаключений о принадлежно- сти значения каждой входной переменной определен- ному терму. Пример правила: IF( loadK =”B”)AND( ohΘ =”B”)AND( ihpΘ =”B”)A ND( avV =”B”)THEN( iW =”B”). В соответствии с требованиями стандарта IEC 61131-7, контроллер iW представлен в форме про- граммы на языке FCL (Fuzzy Control Language). Продолжительность работы трансформатора в определенном режиме нагрузки может быть исполь- зована как показатель "степени тяжести" нагрузки. Так, увеличение продолжительности пребывания в режимах нагрузки ПАП, КАП и НП за некоторый про- межуток времени – индикатор негативных тенденций в нагрузке, с точки зрения последствий для изоляции трансформатора. При использовании показателя нагрузки транс- форматора в СМУ необходимо дополнительно решить следующие вопросы: определить возможность расче- та показателя и корректность исходных данных; вы- брать наиболее критичную часть изоляции трансфор- матора; выполнить расчет текущего значения показа- теля; выполнить расчет динамики изменения показа- телей по сравнению с предыдущими значениями и визуализировать результаты оценок и расчетов. Невозможность расчета показателя нагрузки мо- жет быть вызвана отказами датчиков, модулей и ка- налов доставки данных в приложение человеко- машинного интерфейса, исполняющееся в компьюте- ре АРМ оператора СМУ. Отказы датчиков распозна- ются путем анализа значений тегов данных или кон- троллерных тегов, представляющих биты слова- состояния аналогового входного модуля контроллера СМУ. Факт неполноты входных данных целесообраз- но визуализировать и отразить в подсистеме тревож- ной сигнализации, а расчет показателей режима на- грузки выполнить с оценкой недостающих данных, например по последнему считанному "нормальному" значению. Визуальная компонента проекта приложения ви- зуализации СМУ трансформатора, в части оценки режима нагрузки трансформатора, может включать: графические дисплеи рассчитанных показателей; эк- раны текстовых сообщений о тревожных тенденциях динамики значений показателей режима нагрузки и рекомендации оператору; тренды текущих значений, круговые и (или) столбиковые диаграммы соотноше- ния продолжительности нахождения трансформатора в каждом режиме нагрузки в некоторый период вре- мени (час, сутки, неделю и т.п.). ЗАКЛЮЧЕНИЕ Показатели режима нагрузки учитывают ком- плекс факторов определяющих риски эксплуатации трансформатора с точки зрения технического состоя- ния его изоляции. Предложенные определения и показатели режи- мов нагрузки предполагается использовать при разра- ботке программного обеспечения СМУ. В стандартах по нагрузке масляных силовых трансформаторов, как действующих, так находящихся в стадии разработки, не учтены особенности оценки режимов работы трансформаторов с помощью авто- матизированных СМУ. Стандартизация вопросов применения СМУ, в том числе в части измерения па- раметров и оценки технического состояния изоляции, будет полезна для совершенствования этого перспек- тивного оборудования. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Pink T, Stewart P. Power Transformer Control System De- velopments providing improved reliability and increased over- load capacity // Proceeding of TechCon®2004 North America (San Antonio, Texas, January 28,29, 2004), pp 73-88. 2. Рассальский А.Н. Система мониторинга и управления силовых трансформаторов.- Електротехніка і Електромеха- ніка. 2005, №2. 3. ДСТУ 3463-96 Керівництво з навантаження силових масляних трансформаторів. 4. ГОСТ 14209-97. Руководство по нагрузке силовых мас- ляных трансформаторов. 5. IEC 60076-7 Ed. 1: Power transformers - Part 7: Loading guide for oil-immersed power transformers. Final draft interna- tional standard. 6. IEEE standard C57.91: 1995, IEEE Guide for loading min- eral-oil-immersed transformers. Поступила 22.10.08 Поляков Владимир Сергеевич, к.т.н., доц. Запорожский национальный технический университет Украина, 69063, Запорожье, ул. Жуковского, 64, ЗНТУ, кафедра "Электрические аппараты" тел.(061) 228-16-10, e-mail: polyakov@zntu.edu.ua