Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Особенности эксплуатации силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ в сельских электрических сетях и постановка задач исследования 12
1.1 Виды повреждений трансформаторов 6–10/0,4 кВ в сельских электрических сетях 12
1.2 Исследования характера нагрузок силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ, эксплуатируемых в сельских электрических сетях 16
1.3 Анализ факторов, влияющих на возникновение витковых замыканий в трансформаторах 6–10/0,4 кВ 21
1.4 Анализ факторов, указывающих на развитие витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ 26
1.5 Анализ существующих методик определения индуктивного сопротивления обмоток трансформатора 31
Выводы и постановка задач исследования 39
Глава 2 Теоретические исследования конструктивных параметров обмоток и режимных параметров трансформаторов 6–10/0,4 кВ при витковых замыканиях в обмотках 41
2.1 Разработка математической модели определения конструктивных параметров обмоток и режимных параметров силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ при возникновении витковых замыканий 41
2.2 Анализ изменения токов и напряжений при возникновении витковых замыканий 56
2.3 Разработка метода определения тока небаланса обратной
последовательности в условиях витковых замыканий в обмотках силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ 64
Выводы по главе 71
Глава 3 Разработка технических решений по выявлению витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ 72
3.1 Разработка устройств мониторинга силовых трансформаторов 73
3.2 Разработка технических мероприятий, снижающих ток небаланса обратной последовательности 79
3.3 Выбор оборудования устройства мониторинга силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ 85
3.4. Выбор параметров настройки устройства мониторинга силового трансформатора 91
Выводы по главе 94
Глава 4 Экспериментальное исследование витковых замыканий в обмотках трансформатора 96
4.1 Методика эксперимента и приборное обеспечение 96
4.1.1 Методика проведения эксперимента 97
4.1.2 Приборное обеспечение эксперимента
4.2 Экспериментальное исследование изменений параметров силового трансформатора при возникновении виткового замыкания 104
4.3 Результаты проверки эффективности организационно-технических мероприятий по повышению чувствительности к витковым замыканиям дифференциальной схемы обратной последовательности 115
4.3.1 Применение устройства, работающего по принципу тока обратной последовательности 115
4.3.2 Применение регулируемых накладок 120
Выводы по главе 121 Глава 5 Оценка экономической эффективности и практическая реализация результатов работы 123
5.1 Определение ущерба от витковых замыканий в обмотках, сопровождающихся отказами трансформаторов 6–10/0,4 кВ 124
5.2 Оценка экономической эффективности устройства мониторинга силовых трансформаторов 129
5.3 Разработка рекомендаций по использованию устройства 133
5.4 Порядок действия персонала при прохождении на диспетчерский пункт сигнала о возникновении виткового замыкания в обмотках 136
Выводы по главе 138
Заключение 139
Список литературы 141
- Анализ факторов, указывающих на развитие витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ
- Анализ изменения токов и напряжений при возникновении витковых замыканий
- Разработка технических мероприятий, снижающих ток небаланса обратной последовательности
- Экспериментальное исследование изменений параметров силового трансформатора при возникновении виткового замыкания
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие агропромышленного комплекса является одним из приоритетных национальных проектов Российской Федерации. Рост сельскохозяйственного производства сопровождается увеличивающимся потреблением электрической энергии. В этих условиях актуальным является повышение надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Поставка электроэнергии в сельской местности осуществляется по распределительным электрическим сетям, имеющим свою специфику. Отличительной особенностью сельских сетей является рассредоточение значительного числа понижающих трансформаторов 6–10/0,4 кВ мощностью от 25 до 1000 кВА на большой территории.
Аварийность трансформаторов 6–10/0,4 кВ снижает надежность электроснабжения, приводит к значительным перерывам в передаче электроэнергии, нанося существенный социальный и экономический ущерб потребителям и самой электросетевой компании. Одной из причин аварийности являются внутренние повреждения трансформаторов, в частности витковые замыкания в обмотках, на начальной стадии которых не наблюдается увеличение токов до аварийных значений. Данный вид замыкания рассматривается как ненормальный предаварийный режим в работе трансформатора.
Выявление витковых замыканий на начальной стадии развития позволит своевременно произвести замену трансформатора и тем самым сократить перерыв в электроснабжении потребителей, а также минимизировать затраты на ремонт самого трансформатора. В этих условиях актуальным является контроль режимов работы трансформаторов 6–10/0,4 кВ и оповещение обслуживающего персонала о возникновении ненормального режима в их работе.
В последние десятилетия в электроэнергетике довольно активно идет процесс внедрения автоматизированных систем управления. Одной из составных частей таких систем являются устройства мониторинга режимных параметров трансформатора. Данные устройства обладают большим набором функциональных возможностей в части передачи информации.
Недостаточные исследования по своевременному выявлению вит-ковых замыканий в трансформаторах на ранней стадии возникновения, а также отсутствие устройств мониторинга и сигнализации, интегрированных в них, сдерживают развитие данного направления по повышению
надежности трансформаторов и эффективности электроснабжения в целом.
В сложившихся условиях актуальными задачами являются выявление ненормального режима и определение параметров срабатывания и чувствительности устройств, сигнализирующих о возникновении витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ.
Степень разработанности темы. Теоретические основы по определению конструктивных параметров обмоток и режимных параметров трансформаторов рассмотрены в работах Г.Л.Петрова, С.Б.Ва сю-тинского, П.М.Тихомирова, Г.Ф.Быстрицкого, Б.И.Кудрина, П.Л.Ка -лан тарова, Л.А.Цейтлина и др.
Большой вклад в решение научных задач, связанных с выявлением витковых замыканий в обмотках, а также направленных на разработку устройств, чувствительных к внутренним повреждениям трансформаторов, внесли известные ученые: А.А.Пястолов, А.С.Засыпкин, Л.М.Ры баков, М.А.Шабад, А.Н.Новожилов, А.Ф.Гаген, Г.А.Че-чушков, Р.С.Ахметшин, В.П.Калявин и др.
Основная часть научных исследований направлена на выявление витковых замыканий в обмотках трансформаторов высокого напряжения и большой мощности, а также на разработку методов и средств диагностики. При этом для сельских электрических сетей актуальными являются вопросы своевременного выявления витковых замыканий в трансформаторах малой мощности, рассредоточенных на большой территории и эксплуатируемых без постоянного обслуживающего персонала. Решение данной задачи позволит сократить перебои в передаче электрической энергии, а в целом – повысить надежность электроснабжения сельскохозяйственных потребителей.
Цель работы – повышение надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей путем выявления витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ на начальной стадии возникновения и развития.
Объект исследования – конструктивные и режимные параметры обмоток силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ в процессе возникновения витковых замыканий.
Предмет исследования – установление взаимосвязи конструктивных и режимных параметров обмоток силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ при возникновении в них витковых замыканий.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:
-
Провести анализ повреждений и мероприятий по выявлению витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ с учетом особенностей их эксплуатации в сельских электрических сетях.
-
Разработать математическую модель, позволяющую определить конструктивные и режимные параметры обмоток трансформаторов 6–10/0,4 кВ, и установить их взаимосвязь в условиях виткового замыкания.
-
Определить режимный параметр, реагирующий на возникновение виткового замыкания в обмотках на начальной стадии развития, и разработать метод оценки ожидаемой погрешности.
-
Разработать техническое решение для выявления витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ на начальной стадии развития и методику определения параметров срабатывания защиты, действующей на сигнал.
-
Разработать рекомендации по применению устройств мониторинга трансформаторов 6–10/0,4 кВ в сельских электрических сетях с оценкой экономической эффективности предлагаемых мероприятий.
Научная новизна работы:
математическая модель определения конструктивных и режимных параметров в условиях виткового замыкания с учетом геометрических размеров и расположения замкнутых витков в обмотках силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ;
зависимость индуктивного сопротивления замкнутых витков от места возникновения в обмотках силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ;
метод определения тока небаланса обратной последовательности как режимного параметра, реагирующего на возникновение витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ;
методика определения порога срабатывания дифференциального реле обратной последовательности с действием на сигнал.
Теоретическая и практическая значимость работы:
математическая модель определения конструктивных и режимных параметров с учетом геометрических размеров замкнутых витков в обмотках силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ;
зависимость индуктивного сопротивления от геометрических размеров замкнутых витков и места виткового замыкания на обмотке;
метод определения тока небаланса обратной последовательности, позволяющий оценить и учитывать в дальнейшем ожидаемую погрешность в устройствах дифференциальной защиты;
методика определения порога срабатывания дифференциального реле обратной последовательности с действием на сигнал;
устройство мониторинга силовых трансформаторов, позволяющее выявлять витковые замыкания на ранней стадии развития без ложного срабатывания реле при изменении коэффициента трансформации в процессе эксплуатации (пат. № 162784 РФ);
рекомендации по мониторингу силовых трансформаторов в сельских электрических сетях, принятые к использованию в ОАО «МРСК Урала» – филиале «Челябэнерго» и в ПАО СУЭНКО – филиале «Ша-дринские электрические сети».
Методология и методы исследования. Для решения поставленных научных задач использованы основные положения теоретической электротехники, электрических измерений, а также методы математического моделирования. Вычисления и моделирование проводились с применением пакетов программ MathCAD, Excel. Экспериментальные исследования выполнялись с применением современной измерительной техники и натурного эксперимента на трансформаторе.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель, позволяющая определить конструктивные и режимные параметры обмоток трансформаторов 6–10/0,4 кВ в условиях виткового замыкания.
-
Зависимость индуктивного сопротивления замкнутых витков от места расположения на обмотках силовых трансформаторов 6–10/0,4 кВ.
-
Метод определения тока небаланса обратной последовательности в условиях витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ.
-
Устройство мониторинга силовых трансформаторов, позволяющее выявлять витковые замыкания на ранней стадии развития, с учетом изменения коэффициента трансформации в процессе эксплуатации.
-
Методика определения порога срабатывания дифференциального реле обратной последовательности с действием на сигнал.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались и были одобрены на международных научных конференциях, в том числе: ФГБОУ ВО «Южно-Уральский государственный аграрный университет» (г. Челябинск, 2014–2017 гг.), ФГБОУ ВО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова» (г. Саратов, 2015 г.), ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет» (г. Красноярск, 2015 г.); международной научно-практической конференции «Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты про-
шлого и теории нового времени» (г. Екатеринбург, 2015 г.); международной научно-практической конференции «Информационные технологии в энергетическом комплексе» (г. Екатеринбург, 2016 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в тринадцати научных работах, в том числе в 3 изданиях, рекомендованных ВАК. Получен патент Российской Федерации (на устройство мониторинга за режимами работы трансформатора).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения по работе, библиографии из 146 наименований. Основное содержание работы изложено на 156 страницах, содержит 55 рисунков, 20 таблиц.
Анализ факторов, указывающих на развитие витковых замыканий в обмотках трансформаторов 6–10/0,4 кВ
В последние десятилетия в сельских электрических сетях существенно изменился характер питаемой нагрузки, что обусловлено значительным увеличением числа электроприемников с нелинейной вольтамперной характеристикой [98]. Произошедшие изменения закономерно отражаются на условиях работы трансформаторов 6–10/0,4 кВ, а также оказывают влияние на специфику работы устройств релейной защиты, автоматики и измерений, применяемых на данных трансформаторах.
Для выявления основных причин, приводящих к возникновению витковых замыканий в обмотках, а также определения специфики работы устройств релейной защиты и измерений было проведено исследование условий работы трансформаторов 6–10/0,4 кВ, питающих различные по своему характеру нагрузки.
В качестве объектов исследования были выбраны три силовых трансформатора. При выборе объектов учитывались следующие критерии: трансформаторы выбирались одной номинальной мощности, имеющие одинаковые группы соединений обмоток и питающие различные по своему характеру нагрузки (бытовую, производственную и смешанную). Характеристики обследуемых трансформаторов приведены в таблице 1.4.
Суть исследования заключалась в проведении мониторинга токов и напряжений силовых трансформаторов в максимальном и минимальном режимах работы. Измерения проводились в два этапа. На первом этапе осуществлялся
мониторинг на шинах РУ 0,4 кВ силовых трансформаторов ТП-1 и ТП-2, находящихся на балансе сетевой организации «Шадринские электрические сети» филиала ОАО «ЭнергоКурган». На втором этапе мониторинг проводился на шинах РУ 10 кВ и РУ 0,4 кВ силового трансформатора ТП-3, собственником которого являлся потребитель.
Мониторинг токов и напряжений осуществлялся в соответствии с требованиями стандарта [26]. В качестве средства измерения использовался прибор «Энергомонитор 3-3Т1», зарегистрированный в государственном реестре средств измерений Российской Федерации как анализатор качества электрической энергии [73].
При анализе режимов работы силовых трансформаторов 10/0,4 кВ использовались результаты инструментальных исследований, измеряемых прибором «Энергомонитор-3.3.Т1»: U(1) – действующее напряжение по первой гармонике; U2(1) – напряжение обратной последовательности по первой гармонике; U0(1) – напряжение нулевой последовательности по первой гармонике; KU – коэффициент несинусоидальности напряжения; IA(1) – действующее значение тока по первой гармонике; I2(1) – ток обратной последовательности по первой гармонике; I0(1) – ток нулевой последовательности по первой гармонике; KI – коэффициент несинусоидальности тока, коэффициенты n – гармонической составляющей тока и напряжения.
Результаты измерений токов и напряжений трансформаторов ТП-1 и ТП-2 приведены в таблице 1.5.
Результаты замеров показывают, что обследуемые трансформаторы работают в несимметричном и нелинейном режимах, особенно это характерно для трансформаторов, имеющих бытовой характер нагрузки. Причинами возникновения токов высших гармонических составляющих (ВГС) для производственной нагрузки являются асинхронные двигатели, а для бытовой нагрузки – специфика работы современных бытовых приборов и энергосберегающих ламп освещения [8, 19, 35, 36, 120]. Таблица 1.5 – Результаты мониторинга силовых трансформаторов, установленных на ТП-1 и ТП- Объект Режим нагрузок ТП Фаза U(1), В U2(1), В U0(1), В Ки, % IA(1), А I2(1), А I0(1), А Ki, %
За время проведения замеров на исследуемых трансформаторах было зафиксировано наличие несимметрии ВГС токов и напряжений по ряду гармоник, при этом по основной гармонике наблюдалась симметричная нагрузка. Проведенный анализ времени возникновения несимметрии ВГС тока и напряжения показывает, что ее возникновение обусловлено характером однофазной нелинейной нагрузки и не зависит от нагрузки по основной гармонике.
Для ТП-1, имеющей нагрузку в виде асинхронных двигателей, причиной более высокого содержания ВГС тока в фазе L3 является питание освещения производственного корпуса пилорамы с данной фазы. В части осветительных приборов используются люминесцентные лампы, являющиеся источником искажения синусоиды тока [36].
На втором этапе проводилось исследование несинусоидальности токов в обмотках силового трансформатора ТП-3, питающего смешанную нагрузку. Мониторинг осуществлялся одновременно на стороне ВН и НН трансформатора, с помощью двух приборов «Энергомонитор-3.3. Т1». Данная ТП имеет отличие от типовых в виде конструктивного исполнения РУ-10 кВ с установленными ТТ-10 кВ (на стороне ВН трансформатора). Результаты мониторинга нагрузки на ТП-3 в максимальном режиме приведены в таблице 1.6.
Анализ изменения токов и напряжений при возникновении витковых замыканий
Для трансформаторов со схемами Д/Ун сопротивление намагничивающей цепи в десятки раз меньше сопротивления короткого замыкания, следовательно, активные и реактивные сопротивления нулевой последовательности принимаются равным активным и реактивным сопротивлениям прямой последовательности [24]: ZoП ZВН-ВЗ. (214) Для трансформаторов со схемой У/Ун сопротивление нулевой последовательности может отличаться от сопротивления прямой на 2-3 порядка [27]. При этом сопротивления нулевой последовательности определяются опытным путем при заводских испытаниях трансформаторов [27]. Согласно схеме замещения, представленной на рисунке 2.9 б, сопротивление нулевой последовательности для трансформаторов со схемой У/Ун рассчитывается как
При определении сопротивления намагничивающей цепи Z м0 следует пренебречь его активной составляющей [6, 7]. В этом случае Км 0 Км 0. (2.17) Расчетным путем индуктивное сопротивление нулевой последовательности для трансформаторов со схемой У/Ун может быть определено выражением, представленным в работе [6]: Xм0=V0-2-n-f-2 об _i V " об бэ J (2.18) где 0 – магнитная постоянная 0 = 1,2566370610–6 Гн/м; Sоб lоб – внутри трансформатора с баком, м; Sб lбэ – сечение и эквивалентная средняя длина линии потока по баку, м.
Анализ выражения (2.21) показывает, что в отличие от сопротивлений прямой и обратной последовательностей, на индуктивное сопротивление нулевой последовательности существенное влияние оказывают только сечение и средняя длина линии потока по воздуху и по баку. Высота обмотки трансформатора, напротив, не оказывает влияния на индуктивное сопротивление нулевой последовательности. Следовательно, можно сделать вывод, что витковое замыкание не изменяет индуктивное сопротивление нулевой последовательности. Соответственно, при расчетах параметров трансформаторов с витковым замыканием следует принимать сопротивление нулевой последовательности обмотки ВЗ, как и для обмоток НН, из заводских данных [27].
В качестве примера произведен расчет сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей силовых трансформаторов 1 и 2 габаритов для различных групп соединения обмоток, при замыкании двух витков у ярма обмотки ВН и НН. При этом учитывалось, что ступень переключателя ПБВ находилась в среднем положении. Результаты проведенных расчетов представлены в таблице 2.2.
Анализ полученных данных показывает, что наибольшие сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательностей ожидаются при повреждении витковой изоляции в обмотках трансформаторов со схемой соединения обмоток У/Ун. При этом максимальные значения сопротивлений наблюдаются у трансформаторов 25 кВА, а минимальные, соответственно, у 1000 кВА. Таблица 2.2 – Результаты расчетов сопротивлений прямой, обратной и нулевой последовательностей трансформаторов 1-го и 2-го габаритов при витковом замыкании в обмотках № п/п Мощность трансформатора, кВА Схема соединения обмоток Д/Ун Схема соединения обмоток У/Ун
Представленные данные могут быть использованы при расчетах токов и напряжений, возникающих при витковых замыканиях в обмотках трансформаторов 1-го и 2-го габаритов.
В процессе эксплуатации возможно изменение коэффициента трансформации силового трансформатора путем переключения ступени ПБВ, следствием чего будет являться изменение сопротивления КЗ. Зависимость сопротивления КЗ от ступени ПБВ силового трансформатора ТМ-100 представлена на рисунке 2.10. 6000
Анализ сопротивлений КЗ на различных ступенях ПБВ силового трансформатора показывает, что максимальное сопротивление ожидается при установке ПБВ на ступень +5. В соответствии с полученными зависимостями определение чувствительности устройств, реагирующих на витковые замыкания, следует производить для самого неблагоприятного режима, при повреждении двух витков у ярма обмотки внешнего слоя ВН, при максимальном коэффициенте трансформации.
Для выбора электрического параметра, наиболее чувствительного к витко-вым замыканиям, необходимо детально рассмотреть распределение токов и напряжений со стороны обмоток трансформатора.
Витковое замыкание в аналогии с однофазным КЗ является несимметричным режимом работы, сопровождающимся возникновением токов прямой, обратной и нулевой последовательностей в месте замыкания. При этом в короткоза-мкнутой обмотке протекает значительный ток, в несколько раз превышающий номинальный ток трансформатора [17, 39]. Выявление витковых замыканий в процессе эксплуатации трансформатора возможно по косвенным признакам. При этом наиболее перспективным методом представляется метод измерений аналоговых величин токов и напряжений, а также их симметричных составляющих. Для выбора измеряемой величины необходимо рассмотреть изменение и распределение токов и напряжений при витковых замыканиях.
Изменение и распределение токов и напряжений наглядно демонстрируют векторные диаграммы, построение которых удобно выполнять с помощью метода симметричных составляющих.
Рассмотрим случай возникновения виткового замыкания в фазе А обмотки ВН силового трансформатора 6–10/0,4 кВ с группами соединений обмоток У/Ун и Д/Ун. Со стороны питаемой обмотки ВН, соединенной в звезду без нулевого провода У или в треугольник Д, отсутствуют пути для протекания токов нулевой последовательности, в отличие от короткозамкнутой обмотки и обмотки, соединенной звездой с нулем. Как следствие, векторные диаграммы токов и напряжений в обмотках ВН и НН трансформатора будут зависеть от групп соединения обмоток.
Разработка технических мероприятий, снижающих ток небаланса обратной последовательности
В данном устройстве вторичные обмотки трансформаторов тока соединяются между собой по схеме треугольника или звезды (в зависимости от сборки обмоток силового трансформатора); токовые цепи и дифференциальное реле с первой и второй уравнительными и дифференциальной обмотками, расположенными на одном стержне магнитопровода, соединены между собой, причем полярные выводы трансформаторов тока разных фаз и сторон электроустановки подключены к одному дифференциальному реле.
На автотрансформаторах предусмотрены выводы обмотки, имеющие соответствующую цифровую маркировку по числу ступеней ПБВ и позволяющие увеличивать или уменьшать коэффициент трансформации автотрансформатора в зависимости от ступени переключателя без возбуждения силового трансформатора. Также на автотрансформаторах установлены накладки переключения витков регулируемой обмотки, каждая из которых представляет собой металлическую пластину сечением не менее 2,5 мм, прикрепленную одним концом к клемме диэлектрической пластины, а другим концом подключенную к одному из выводов регулируемой обмотки автотрансформатора, расположенного на той же диэлектрической пластине. Фиксация накладки осуществляется на выводах автотрансформатора винтовым соединением.
Для исключения возникновения токов небаланса, обусловленного воздействием высших гармоник, в цепи исполнительного органа может быть использован фильтр высших гармоник. Подключение фильтра высших гармоник выполняется параллельно исполнительному органу.
Наличие накладок на выводах обмоток автотрансформаторов позволяет осуществлять оперативную подстройку устройства после переключения ступени ПБВ, обеспечивать достижение нового технического результата – повышение чувствительности устройства к межвитковым замыканиям в обмотках трансформатора с ПБВ по току обратной последовательности и обнаружение их на ранних стадиях возникновения. Наличие фильтра высших гармоник позволяет также повысить чувствительность работы устройства за счет исключения ложного срабатывания устройства при появлении высших гармонических составляющих тока.
Устройство определения витковых замыканий работает следующим образом: токи, протекающие по вторичным обмоткам трансформаторов тока 3 стороны НН, соединенных в треугольник, поступают на автотрансформаторы 6. Токи, протекающие по вторичным обмоткам трансформаторов тока 2 стороны ВН, соединенным в треугольник, поступают на накладки 4. Положение накладок выбирается в зависимости от ступени ПБВ силового трансформатора (на рисунке 3.4 представлено пять ступеней с соответствующей маркировкой: +5; +2,5; 0; –2,5; –5). Затем токи поступают на регулируемые обмотки автотрансформаторов 7, где происходит компенсация токов, вносимых изменением ступени ПБВ и выравнивание с вторичными токами трансформаторов тока стороны НН. Вторичные токи на выходе с обмоток автотрансформаторов 5 и 6 равны между собой по амплитуде и направлены во встречном направлении. При этом токи основной частоты 50 Гц и часть высших гармоник тока, направленных встречно, подавляются, и результирующий ток небаланса каждой цепи поступает на фильтр токов обратной последовательности 1. При этом при любых (симметричных и несимметричных) режимах работы ток обратной последовательности, поступающий на фильтр, будет равен току небаланса, при котором устройство не срабатывает.
При возникновении межвиткового замыкания (замыкания двух и более витков) в одной из фаз обмоток ВН или НН силового трансформатора со стороны питаемой обмотки ВН возрастет ток обратной последовательности, в то время как на стороне НН ток останется без изменений. Появившийся ток обратной последовательности будет трансформироваться во вторичные цепи трансформаторов тока 2 стороны ВН, последовательно поступая на регулируемые обмотки автотрансформаторов 5, через накладки переключения витков 5. Поступив в фильтр токов обратной последовательности, ток, достигнув порога уставки, приведет к срабатыванию устройства, которое в свою очередь передаст сигнал о возникновении вит-кового замыкания в обмотке силового трансформатора.
В процессе эксплуатации в цепи измерения могут появиться токи высших гармоник, обусловленные работой силового трансформатора в режиме насыщения или возникающие от воздействия нелинейной нагрузки потребителей, которые могут иметь в одноименных обмотках ВН и НН силового трансформатора различные амплитуды и разные направления, что обуславливает появление тока небаланса и ложное срабатывание устройства. Для подавления токов высших гармоник может устанавливаться фильтр высших гармоник.
При изменении коэффициента трансформации силового трансформатора персонал, производящий переключения, должен накладки 4 подключить на выводы автотрансформатора 5, соответствующие положению ступени ПБВ трансформатора.
Полученный технический результат заключается в снижении тока небаланса, вызванного погрешностью ступеней ПБВ силового трансформатора, а также в исключении тока небаланса, вызванного ВГС токов.
В результате проведенного патентного поиска авторами не обнаружено иден 85 тичного технического решения, что подтверждает доказательство соответствия заявленного технического решения критерию «новизна», на основании которого авторами получен патент на изобретение «Устройство определения витковых замыканий в обмотках силового трансформатора с переключением без возбуждения» [65].
Использование данного устройства позволяет повысить чувствительность и выявлять витковые замыкания на ранней стадии развития дефекта, что в свою очередь повышает надежность электроснабжения потребителей и существенно снижает трудозатраты и затраты на материал при ремонте поврежденных обмоток.
Экспериментальное исследование изменений параметров силового трансформатора при возникновении виткового замыкания
На векторных диаграммах, снятых с дисплея «Энергомонитора-3.3 Т1» (рисунок 4.14 а и б), в левой части дисплея прибора отображаются цифровые значения углов в градусах, а в правой части – векторная диаграмма, на которой длинные векторы соответствуют напряжению, а короткие – току. При проведении измерений нагрузка носила активный характер. Векторные диаграммы, полученные расчетным путем, представлены на рисунке 4.14 в. Анализ векторных диаграмм, полученных экспериментальным путем, показывает, что витковое замыкание в обмотках сопровождается изменением токов во всех трех фазах обмотки ВН, при этом токи со стороны обмотки НН остаются без изменений. Векторные диаграммы, построенные по расчетным данным, аналогичны диаграммам, полученным экспериментально.
Также прибором «Энергомонитор-3.3 Т1» регистрировали изменение токов прямой и обратной последовательностей. Данные измерений несимметричных токов представлены в таблице 4.7.
Анализ данных, представленных в таблице 4.7, показывает, что вне зависимости от поврежденной обмотки витковое замыкание сопровождается возникновением со стороны обмотки ВН токов прямой и обратной последовательности. При этом ток обратной последовательности в режиме виткового замыкания в несколько раз превышает ток обратной последовательности относительно нормального режима работы.
При проведении экспериментальных исследований изменений токов со стороны обмотки НН не зафиксировано. Анализ данных, полученных расчетным и экспериментальным путем, подтверждает актуальность предложенной методики расчета токов, возникающих при витковых замыканиях. Незначительные отличия экспериментальных данных от расчетных могут быть вызваны следствием несимметрии магнитопровода, а также обусловлены погрешностью приборов измерений.
Экспериментальные исследования витковых замыканий в двух других фазах обмотки ВН трансформатора также показали существенное сходство с данными, полученными расчетным путем. Результаты проверки эффективности организационно-технических мероприятий по повышению чувствительности к витковым замыканиям дифференциальной схемы обратной последовательности
Схема лабораторного стенда для оценки эффективности дифференциального устройства, работающего по току обратной последовательности
С целью проведения оценки эффективности устройства определения витко-вых замыканий, работающего по дифференциальному току обратной последовательности, был разработан лабораторный стенд, представленный на рисунке 4.12.
Лабораторный стенд состоит из нагрузки, подключенной к обмотке НН трансформатора через ТТ. Сборка вторичных цепей ТТ стороны НН зависит от схемы соединения обмотки ВН. Питающая обмотка ВН трансформатора подключена к сети 0,4 кВ через выравнивающие автотрансформаторы, сборка вторичных цепей выравнивающих автотрансформаторов выполнена в звезду с нулевым проводом, при этом вторичные токи ВН направлены встречно вторичным токам стороны НН. В качестве дифференциального реле использовался фильтр токов обратной последовательности реле КРБ-126 [106].
Схема подключения вторичных цепей для трансформаторов с различными группами представлена на рисунке 4.13. Представленная на рисунке 4.13 схема включает в себя: 1 – трансформаторы тока на стороне ВН силового трансформатора; 2 – силовой трансформатор; 3 – трансформаторы тока на стороне НН силового трансформатора; 4 – выравнивающие автотрансформаторы; 5 – фильтр токов обратной последовательности.
В качестве нагрузки использовались резисторы, соединенные по схеме «звезда», и сварочный инвертор, внешний вид которых представлен на рисунке 4.4. В качестве датчиков тока на стороне ВН использовались выравнивающие автотрансформаторы, а на стороне НН – трансформаторы тока. Для измерения токов и напряжений использовался прибор «Энергомонитор 3.3 Т1». Технические характеристики данных приборов приведены в таблице 4.3.
Эксперимент проходил в несколько стадий. На первой стадии на холостом ходу, а затем при загрузке трансформатора 20; 50; 100; 150; 180 % от номинальной производилось измерение тока небаланса обратной последовательности в исполнительном органе реле, при этом нагрузка носила чисто активный характер.
Затем на каждом этапе загрузки моделировали замыкание 2 витков у ярма обмотки ВН, при этом прибором «Энергомонитор-3.3 Т1» регистрировали наличие токов прямой и обратной последовательности.
Анализ экспериментальных данных, представленный на рисунке 4.14, показывает, что с увеличением загрузки трансформатора происходит увеличение тока небаланса в предаварийном режиме, что может быть обусловлено погрешностью, вносимой датчиками тока, а также неравенством токов, выровненных в плечах дифференциальной схемы. При витковом замыкании ток обратной последовательности в исполнительном органе реле, в зависимости от загрузки, изменяется незначительно, что также свидетельствует о погрешности, вносимой датчиками тока и неравенством токов, выравненных в плечах дифференциальной схемы.
Следовательно, можно сделать вывод, что ток обратной последовательности, возникающий при витковом замыкании, не зависит от загрузки силового трансформатора.
На второй стадии трансформатор загружали смешанной нагрузкой, также равной 20; 50; 100; 150; 180 % от номинальной, и при этом измеряли ток небаланса обратной последовательности в исполнительном органе реле, фиксировали амплитудные, среднеквадратичные значения токов и токи первой гармоники. Также измеряли спектр ВГС в исполнительном органе. Затем на каждом этапе загрузки моделировали замыкание 2 витков у ярма обмотки ВН как в самом неблагоприятном режиме, при этом фиксировали срабатывание реле на предварительно выбранной уставке согласно методике, представленной в главе 3.