Введение к работе
Актуальность работы. Надежность современных систем производства, передачи и распределения электроэнергии в значительной мере определяется надежностью электрооборудования. Важным элементом электрических станций и подстанций являются электромагнитные трансформаторы тока (ТТ), служащие источниками информации для релейной защиты, автоматики, управления и учета электрической энергии.
Внезапные отказы ТТ опасны по последствиям, так как при этом зачастую повреждается расположенное поблизости электрооборудование. Кроме того, отказ ТТ часто сопровождается действием устройств релейной защиты и автоматики с отключением не только поврежденного ТТ, но и электросилового оборудования (трансформаторы, автотрансформаторы и др.) и секций или систем сборных шин распределительных устройств.
Основными видами повреждений ТТ являются нарушение изоляционных и электромагнитных характеристик. Последние приводят к появлению повышенных погрешностей при трансформации тока.
Опыт эксплуатации и производства ТТ показывает, что значительное число повреждений ТТ (порядка 30-40%) разных конструкций и классов напряжения связано со старением изоляции (после значительной наработки), которое сопровождается ухудшением или даже полной потерей изоляционных свойств и вызывается рядом процессов, связанных с химическими, тепловыми, механическими и электрическими воздействиями. Следует отметить, что нарушение изоляционных характеристик часто приводит к внезапным отказам ТТ.
Причинами нарушения электромагнитных характеристик ТТ являются замыкания витков вторичной и первичной обмоток, замыкания пластин активной стали магнитопровода, пробои изоляции на промежуточной ступени каскадных ТТ и др., а также насыщение магни-топроводов в переходных режимах при наличии в подводимом токе значительной апериодической составляющей.
Следует отметить, что большинство из перечисленных причин устраняется известными методами, в частности, применением устройств для проверки вольт-амперных характеристик, установкой разрядников на промежуточных ступенях каскадных ТТ и др. Однако специальные мероприятия по снижению погрешностей ТТ с замкнутыми магнитопроводами в переходных режимах (кроме рекомендованного в зарубежных стандартах обеспечения продолжительности достаточно точной трансформации в течение трех миллисекунд) в практике не предусмотрены. Полная погрешность ТТ в переходных режимах может превышать 80%. В результате возможны неправильные срабатывания быстродействующих защит сборных шин, генераторов, трансформаторов, автотрансформаторов и блоков генератор-трансформатор с отключением последних.
В связи с отмеченным актуальна задача контроля изоляционных характеристик и правильности трансформации ТТ в переходных режимах под рабочими токами и напряжениями. Решение этой задачи невозможно без оснащения ТТ средствами технической диагностики. При этом значительный объем работ по технической диагностике оборудования может быть автоматизирован.
Цель работы заключается в повышении надежности и точности работы ТТ путем автоматизированного контроля состояния изоляции и автоматической компенсации погрешностей ТТ в переходных режимах коротких замыканий при наличии в подводимых токах апериодической и периодической составляющей основной частоты.
Задачи исследования:
-
Анализ существующих методов и устройств контроля состояния изоляции и правильности трансформации трансформаторов тока;
-
Разработка математических моделей процессов, протекающих в изоляции ТТ при частичных разрядах.
-
Исследование чувствительности устройств контроля состояния изоляции ТТ, основанных на неравновесно-компенсационном методе (НКМ), к частичным разрядам в изоляцик ТТ и определение целесообразной схемы входных цепей. \4.
-
Разработка алгоритмов функционирования автоматизированной системы контроля состояния изоляции трансформаторов тока.
-
Разработка устройства, реализующего предложенные алгоритмы.
-
Разработка алгоритмов восстановления основной гармоники первичного тока ТТ со спрямленной характеристикой намагничивания (СХН) в зоне насыщения магнитопровода в переходных режимах коротких замыканий при наличии в первичном токе апериодической и периодической составляющей основной частоты.
Методы исследований и достоверность результатов. Поставленные в диссертации задачи решены с использованием методов теории электрических цепей, электрических машин и математического компьютерного моделирования. В процессе разработки компьютерных моделей и программного обеспечения применялась теория алгоритмов и программ.
Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, а также результатов аналитических исследований обеспечивается корректным использованием математического аппарата, совпадением результатов расчетов одних и тех же процессов различными методами и согласованием результатов математического моделирования с результатами, полученными в условиях эксплуатации. Достоверность положений, заложенных в основу алгоритмов функционирования автоматизированной системы контроля изоляции ТТ и вводов силовых трансформаторов, подтверждена успешным опытом ее эксплуатации в ООО «ЛУКОЙЛ-Кубаньэнерго».
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
На основании результатов исследования усовершенствованных математических моделей процессов, протекающих в изоляции объекта при частичных разрядах (ЧР), впервые установлены критерии чувствительности к частичным разрядам устройств контроля состояния изоляции ТТ, реализующих НКМ.
-
Обосновано рациональное сочетание способа передачи информационного сигнала и режима заземления оболочки радиокабеля, в отличие от применяемых в известных устройствах, обеспечивающее минимальное влияние помех на указанный сигнал при передаче его от устройства присоединения к объекту в систему контроля состояния изоляции.
-
Предложены алгоритмы повышения чувствительности автоматизированной системы контроля состояния изоляции (АСКИ), основанной на НКМ, в отличие от известных, заключающиеся в отстройке от влияния напряжений нулевой последовательности в первичной электрической сети путем использования эталонного объекта и измерения полных проводи-мостей изоляции фаз.
-
Предложен способ автоматизированного контроля под рабочим напряжением в условиях эксплуатации состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа группы трехфазных электротехнических объектов, заключающийся, в отличие от существующих, в измерении среднего тока и частоты следования импульсов частичных разрядов для каждой фазы в течение заданных интервалов времени и поочередном сравнении полученных результатов в одноименных фазах группы электротехнических объектов между собой и с заданными значениями.
Способ защищен патентом на изобретение.
5. Предложены три алгоритма восстановления первичного тока ТТ со спрямленной ха
рактеристикой намагничивания (СХН) в зоне насыщения магнитопровода при наличии в пер
вичном токе апериодической и периодической составляющей основной частоты, заключаю
щиеся, в отличие от известных, в учете вторичного тока ТТ на участках насыщенного состоя
ния магнитопровода.
Практическая ценность работы.
1. Разработанные структурная схема и обобщенный алгоритм автоматизированной системы, использующие НКМ и метод контроля состояния изоляции по параметрам ЧР, могут быть использованы при построении автоматизированной системы контроля состояния изоляции ТТ и вводов силовых трансформаторов.
-
Разработанные функциональные и принципиальные схемы отдельных элементов указанной структурной схемы автоматизированной системы позволяют реализовать систему контроля состояния изоляции ТТ и вводов силовых трансформаторов.
-
Разработанные детальный алгоритм и программа на языке программирования С для микропроцессорного блока ЛСКИ, реализующего НКМ, могут быть использованы в автоматизированной системе контроля состояния изоляции ТТ и вводов силовых трансформаторов.
-
Изготовленные образцы автоматизированной системы контроля состояния изоляции АСКИ КТУ-5, выполняющей контроль состояния изоляции ТТ и вводов силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше по методу НКМ и внешний пульт для съема информации о работе АСКИ могут быть тиражированы с целью широкого внедрения в практику.
Реализация результатов работы.
В ООО «ЛУКОИЛ-Кубаньэнерго» (г. Краснодар) внедрены два образца системы АС-КИ-КТУ-5, выполняющие автоматизированный контроль состояния бумажно-масляной и твердой изоляции трансформаторов тока (ТТ) и вводов силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше. Система используется для контроля состояния изоляции вводов блочных трансформаторов ЗТ и 4Т напряжением 220 кВ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Критерии чувствительности к частичным разрядам устройств контроля состояния изоляции ТТ, реализующих метод НКМ.
-
Алгоритмы повышения чувствительности АСКИ, основанной на НКМ.
-
Способ автоматизированного контроля под рабочим напряжением в условиях эксплуатации состояния бумажно-масляной изоляции конденсаторного типа группы трехфазных электротехнических объектов по параметрам ЧР.
-
Структурная схема АСКИ ТТ и вводов силовых трансформаторов напряжением 110 кВ и выше, реализующая два метода: НКМ и контроль по параметрам ЧР.
-
Алгоритмы восстановления основной гармоники первичного тока ТТ с СХН в зоне насыщения магнитопровода при наличии в первичном токе апериодической и периодической составляющей основной частоты.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: XXIX сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» (Новочеркасск, 2007 г.); Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна 2008» (Новочеркасск, 2008 г.); Научно-практической конференции Общественного Совета специалистов по диагностике силового электрооборудования при Уральском центре охраны труда энергетиков и завода «Изолятор», по теме: «Общие проблемы диагностики силового электрооборудования» (Москва, 2008 г.); XXX сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск, 2008 г.); Научно-практической конференции «Энергосбережение, энергетическое оборудование и системы технической диагностики» (Ростов-на-Дону, 2008 -2009); XXXI сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» (Новочеркасск, 2009 г.); XXXII сессия Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования» (Новочеркасск, 2010 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в журнале из перечня изданий, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 185 страницах, содержит 69 рисунка, 15 таблиц и 122 литературных источника.
