Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Сравнительный анализ и оценка методов и средств мониторинга силового электрооборудования 10
1.1 Технико-экономические предпосылки мониторинга электрооборудования... 10
1.2 Анализ методологических принципов мониторинга 18
1.3 Сравнительный анализ методов технической диагностики и мониторинга электрооборудования 28
1.4 Анализ повреждений и исследование взаимосвязи контролируемых параметров с техническим состоянием силовых трансформаторов 38
Выводы по первой главе 46
ГЛАВА 2 Разработка аналитической модели процесса мониторинга силовых трансформаторов 48
2.1 Теоретические основы прогнозирования ресурса силовых трансформаторов. 48
2.2 Математическое описание механизмов развития дефектов 57
2.3 Анализ раздельного влияния тепловых и электрических нагрузок на параметры надежности изоляции силовых трансформаторов 63
2.4 Аналитические модели прогнозирования ресурса силового трансформатора. 71
Выводы по второй главе 82
ГЛАВА 3: Разработка и исследование технических средств мониторинга 83
3.1 Разработка и анализ датчика температуры для мониторинга силовых трансформаторов. 83
3.2 Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик преобразователя температуры в электрический сигнал 92
3.3 Практическая реализация метода электрического режима 104
Выводы по третьей главе 117
ГЛАВА 4 Способы совершенствования электрооборудования и технических средств мониторинга 119
4.1 Анализ методов повышения надежности средств диагностики и особенности их использования для мониторинга электрооборудования 119
4.2 Микропроцессорный счетчик ресурса в системе мониторинга силового трансформатора 124
4.3 Снижение материалоемкости силовых трансформаторов и реакторов 135
Выводы по четвертой главе 144
Заключение 145
Список использованных источников
- Анализ методологических принципов мониторинга
- Математическое описание механизмов развития дефектов
- Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик преобразователя температуры в электрический сигнал
- Микропроцессорный счетчик ресурса в системе мониторинга силового трансформатора
Введение к работе
Актуальность работы. Последнее десятилетие характеризуется низким уровнем инвестиций в техническое перевооружение электрических станций и сетей. Спад промышленного производства привел к резкому росту изношенного энергетического оборудования. По данным Департамента генеральной инспекции РАО «ЕЭС России» около 30 % оборудования подстанций 110...750 кВ выработало расчетный ресурс, а в электрических сетях 40...50 %. На многих промышленных предприятиях ситуация еще более критическая: средний срок службы электрооборудования превышает 30 лет и более 80 % выработало свой физический ресурс. При этом наблюдается устойчивая тенденция ежегодного роста на 0,4...0,7 % количества технологических нарушений и аварий, большинство из которых приходится на маслонаполненное оборудование и, в первую очередь, силовые трансформаторы, автотрансформаторы и реакторы.
Объективные противоречия между состоянием энергетической базы и непрерывной потребностью в электрической энергии находят свое отражение в интенсификации научно-технического поиска путей своего разрешения. Стратегическое направление этого поиска сводится к изменению принципов эксплуатации и обслуживания электрооборудования и, в конечном счете, управления этим процессом. Концепция перехода на обслуживание по «состоянию» впервые сформулирована в «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (РД 34.20.501 - 95)» и развита во втором основополагающем нормативном документе - «Объемы и нормы испытаний электрооборудования (РД 34.45.300 - 97)».
Выявление дефектов в работе электрооборудования на ранней стадии их развития, своевременное принятие решений по ликвидации дефектов до возникновения аварийных ситуаций не только предотвращает значительные ущербы, но и сокращает время простоя, снижает затраты на ремонты и продляет срок его службы. Для рациональной, безопасной и эффективной эксплуатации электрооборудования и перехода к планированию его ремонта по фактическому состоянию существующие системы диагностики необходимо дополнить рядом специальных методов и технологий, способных вести статистику текущего состояния конкретного оборудования в рабочих режимах, имея в виду конечную цель: определение фактического износа, оценку остаточного ресурса и выработку требований эксплуатации и ремонтов для продления срока службы. Механическое перенесение методов диагностирования на решение задач прогнозирования невозможно из-за различия целей, моделей и организационных принципов. Особенно остро стоит проблема безопасной эксплуатации формально неисправного, но сохраняющего работоспособность оборудования в определенных режимах.
Существующие методы и средства технической диагностики при комплексном обследовании оборудования позволяют обнаружить большинство дефектов. Однако комплексные обследования, в силу большой трудоемкости и стоимости выполняются только на стратегическом оборудовании при выводе в ремонт и, естественно, не обеспечивают своевременного обнаружения развивающихся дефектов.
Принципиальной проблемой является существенное отставание теоретического обеспечения концепции обслуживания по состоянию от реальных возможностей современных средств диагностики и достижений информационных технологий.
Цель работы заключается в разработке методов и средств мониторинга силовых трансформаторов для принятия обоснованных управленческих решений по их эксплуатации и совершенствованию путем выявления дефектов и прогнозирования их развития преимущественно под рабочем напряжением. Основные задачи:
1) Исследование взаимосвязи механизмов развития дефектов с контролируемыми диагностическими признаками.
2) Исследование влияния на скорость износа изоляции силового трансформатора нескольких механизмов старения с разными энергиями активации.
3) Совершенствование алгоритма прогнозирования безопасной эксплуатации силового трансформатора с учетом результатов мониторинга.
4) Разработка и исследование технических средств температурного мониторинга.
5) Повышение чувствительности и точности определения угла сдвига фазы между зашумленными гармоническими сигналами.
6) Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии мониторинга силового трансформатора средствами аналого-цифрового преобразования информации и микропроцессорной техники, а также по использованию результатов мониторинга для улучшения технико-экономических показателей силовых трансформаторов.
Методы исследования. При решении диссертационных задач использовались методы теоретического и эмпирического познания. На теоретическом уровне это методы теории надежности, теории идентификации, теории прогнозирования, теории принятия решений, а также теория электрических цепей, теория катастроф, теория измерений и теория погрешностей. На эмпирическом уровне использовались методы физического и математического моделирования, в том числе исследования на макетных образцах и путем вычислительного эксперимента. Научная новизна.
1) Усовершенствована математическая модель теплового износа изоляции силового трансформатора, позволяющая раздельно исследовать влияние температуры охлаждающей среды (воздуха), параметров состояния (потери мощности опытов холостого хода и короткого замыкания) и режима силового трансформатора (коэффициентов нагрузки по току и напряжению). Влияние нескольких механизмов старения с разными энергиями активации предложено учитывать относительно доминирующего фактора путем введения эквивалентного температурного коэффициента.
2) Развит аналитико-вероятностный метод экстраполяции результатов измерения диагностических признаков и предложен алгоритм прогнозирования остаточного ресурса силового трансформатора, позволяющий повысить достоверность прогноза за счет коррекции детерминированной основы прогнозирующей функции на каждом временном интервале по результатам оценки текущей погрешности прогноза.
3) Разработана методика измерения фазового сдвига между зашумленными гармоническими сигналами (векторами), исключающая выделение опорного вектора аппаратными средствами за счет разложения этих сигналов на ортогональные составляющие в виртуальном сигнатурном базисе.
4) Предложен принцип задания режима термочувствительной ячейки, обеспечивающий высокую линейность функции преобразования температуры в ток внешней цепи за счет использования токового зеркала.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1) Предложенная методика определения фактических параметров опытов холостого хода и короткого замыкания с помощью установленных на подстанциях 110/35/6 кВ ОАО «Невинномысский Азот» регистраторов электрических событий, позволяет оперативно отслеживать текущее состояние силовых трансформаторов под рабочим напряжением.
2) На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан полупроводниковый датчик-преобразователь абсолютной температуры в ток, новизна которого подтверждена решением о выдаче патента. Предложена модель преобразования термодатчика, позволяющая оценивать его технические и метрологические характеристики на этапе проектирования. Выработаны рекомендации по его использованию в составе автоматических систем температурного мониторинга силовых трансформаторов.
3) Методика разложения векторов в виртуальном сигнатурном базисе исключает выделение опорного вектора аппаратными средствами и решает задачу измерения фазовых сдвигов между зашумленными гармоническими сигналами с высокой разрешающей способностью при ограниченном количестве разрядов и выборок на периоде аналого-цифрового преобразователя.
4) Разработана конструкция однофазного трансформатора с пониженной в 1,6 раза материалоемкостью, новизна которого защищена заявкой на изобретение. Эффективность конструкции подтверждена независимой экспертизой СКБ ИЦ концерна «Энергомера» и актом использования ОАО «Ставропольпромэнергоремонт» в испытательном энергетическом оборудовании для полевых условий.
5) Результаты исследований внедрены и используются ОАО «Невинномысский Азот», ОАО «Ставропольпромэнергоремонт» РАО «ЕЭС России» и ОАО «Завод измерительных приборов» концерна «Энергомера». Материалы теоретических и методических разработок нашли применение в учебном процессе НТИ Северо-Кавказского государственного технического университета. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 7 конференциях, в том числе:
- III региональная научно-технической конференции "вузовская наука - Северо-Кавказскому региону". Ставрополь, 1999 г.
- XXX научно-техническая конференция по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 1999 г. Ставрополь, 2000 г.
- Межрегиональная конференция "Студенческая наука - экономике научно-технического прогресса". Ставрополь, 2000 г.
- Конференция молодых специалистов энергетики. Москва, 2000 г.
- Международная научно-практическая конференция "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики". Новочеркасск 2000 г.
- IV региональная научно-техническая конференция "вузовская наука - Северо-Кавказскому региону". Ставрополь, 2000 г.
- XXXI научно-техническая конференция по результатам работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 2000 г. Ставрополь, 2001 г.
Публикации. По содержанию и результатам диссертационной работы опубликовано 11 тезисов докладов, 5 статей и подано 2 заявки на патенты РФ, на одну из которых получено решение о выдаче патента.
Основные положения выносимые на защиту
1) Усовершенствованная математическая модель износа изоляции силового трансформатора позволяет раздельно оценивать влияние температуры окружающей среды и потерь мощности в зависимости от его режима работы, учитывающая несколько механизмов старения изоляционных материалов с разными энергиями активации при расчете остаточного ресурса.
2) Усовершенствованный аналитико-вероятностный метод экстраполяции результатов измерения диагностических признаков и алгоритм прогнозирования позволяет повысить достоверность прогноза остаточного ресурса силового трансформатора за счет коррекции детерминированной основы прогнозирующей функции на каждом временном интервале по результатам оценки текущей погрешности прогноза.
3) Методика измерения фазового сдвига между зашумленными гармоническими сигналами (векторами), основанная на разложении их дискретных выборок в виртуальном сигнатурном базисе на ортогональные составляющие с последующим вычислением искомой величины, обеспечивает высокую разрешающую способность при исключении необходимости формирования опорного вектора аппаратными средствами.
4) Принцип задания режима термочувствительной ячейки полупроводникового датчика-преобразователя абсолютной температуры в ток, заключающийся в отражении выходного тока ячейки с помощью токового зеркала на ее вход, обеспечивает высокую линейность функции преобразования, большое динамическое сопротивление в широком диапазоне пи питающих напряжений и малое время установления выходного тока при подаче напряжения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержание которых изложено на 138 страницах, девяти приложений, содержит 48 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 131 наименования.
Анализ методологических принципов мониторинга
Понятие «энергетический мониторинг», методологические принципы и функции мониторинга энергетического оборудования можно получить из соответствующих философских понятий [26]. Методологическая функция энергетического мониторинга заключается в определении исходных причин отказов и аварий оборудования, теоретических принципов исследования причинно-следственных связей, создания системы познавательных способов и средств, соединении в единое целое разрозненных методик, приемов и операций для теоретического и практического освоения нового подхода к обслуживанию оборудования по его фактическому состоянию.
Методология, теория и методы энергетического мониторинга находятся на стадии становления [16, 27, 28]. Анализ опыта ведущих отечественных и зарубежных энергокомпаний по материалам СИГРЭ, института электроэнергетики США (EPRI), ежегодных конференций и семинаров, организуемых НЦ ЭНАС (Москва), ПЭИПК (Санкт-Петербург) и т.д., позволил сформулировать комплекс мероприятий и первоочередные задачи энергетического мониторинга: - разработать концепцию и методологию; - разработать основные теоретические положения; - определить и классифицировать наиболее чувствительные и информативные параметры по группам оборудования; - адаптировать известные методы и средства контроля и измерения; - развивать нетрадиционные методы диагностики и разрабатывать на их основе средства измерения; - накапливать базы данных и базы знаний на основе компьютерных технологий для создания экспертных систем по отдельным видам оборудования; - сформулировать техническую стратегию; - разработать или адаптировать известные методики и рекомендации по оценке технико-экономической эффективности для условий рыночных отношений; - скоординировать функции организационных структур по координации работ на отраслевом, региональном и федеральном уровне, в том числе по подготовке специалистов и т.д.
Термин «мониторинг» применительно к энергетическому оборудованию (ЭО) стал появляться в публикациях с 1997 года [2, 3] как синоним непрерывного или периодического контроля и диагностики в рабочем и (или) в остановленном состоянии для обнаружения и слежения за развитием дефектов с целью предотвращения аварий. Первые целенаправленные исследования технических и методологических аспектов эксплуатации изношенного электрооборудования (ИЭ) выполнены Сазыкиным В.Г. и опубликованы в 2000 году [27,28]. В этих работах упомянуты экономические и организационные аспекты при классификации проблемных составляющих наряду с техническими и методическими аспектами-признаками, а также отмечена их тесная взаимосвязь. Особо следует подчеркнуть, что по своей сути, стратегии и цели рациональная эксплуатация ИЭ совпадает с мониторингом ЭО как такового только на последней стадии его эксплуатации, то есть когда ресурс практически выработан, но не исчерпан.
По нашему мнению изучение особенностей эксплуатации ИЭ изолировано от условий его работы в предшествующие.периоды без учета качества обслуживания и мероприятий по профилактике (т.е. его генетики) не может гарантировать получение даже ориентировочного прогноза. Тем более, что при проведении комплексных обследований анализ технической документации, режимов работы, объемов и результатов ремонтов, например силовых трансформаторов, является обязательным при назначении очередной ревизии [21, 29]. На начальной стадии эксплуатации новое ЭО имеет интенсивность отказов, сравнимую с изношенным оборудованием. Причем на этапах приработки ЭО и выработки ресурса причины повреждения разные. Это требует использования различных диагностических моделей для разных стадий эксплуатации ЭО или одной модели с переменными параметрами, функционально или статистически зависящими от времени и режимов ЭО.
Технические аспекты электрогериатрии [27] включают семь проблемных компонент и пять компонент разрешения. Поскольку элементы проблемного компонента напрямую связаны с видом ЭО, то дальнейшие исследования сосредоточим на силовых трансформаторах (СТ) - основным элементом схем передачи и распространения электроэнергии в системах электроснабжения (СЭС). Среди проблемных компонент выделяется моральное старение (износ) ЭО, которое является экономической категорией и отражает снижение как технической эффективности ИЭ (приходится ограничивать нагрузки, выполнять больший объем профилактических и ремонтных работ и т.д. по сравнению с новым ЭО того же типа), так и экономичности в силу потери конкурентоспособности ИЭ перед новым и более совершенным ЭО [30]. Другие проблемы ИЭ технического характера:
- специфичность повреждений обусловлена медленными деградационными процессами конструкционных и изоляционных материалов (см. п 1.3,1.4);
- повышенная чувствительность к факторам износа появляется после длительной эксплуатации в виде нарастания интенсивности частичных разрядов [30], снижения электрической прочности и потери тепловой устойчивости в изоляции;
- увеличение скорости развития повреждений практически исключает возможность обнаружения дефектов традиционными методами периодической диагностики [21, 28, 31];
- увеличение доли необратимых процессов в виде термоокислительной деструкции изоляции, механической деформации обмоток и развивающихся локальных повреждений, в том числе за счет роста количества металлосодержащих коллоидных частиц и повышения концентрации растворенных газов в масле, имеют свойство накапливаться до критических уровней;
- повышение риска безаварийной эксплуатации характерно не только для высоковольтных вводов СТ [32], но и для других его элементов, работающих в зоне предельных значений нормируемых параметров, когда игнорирование фактора риска может привести к ошибочным и экономически неоправданным решениям;
- тяжесть последствий повреждений СТ, автотрансформаторов и шунтирующих реакторов по совокупному ущербу в большинстве случаев многократно превышает затраты на рациональное обслуживание [31, 32], последние десять лет достаточно всесторонне обсуждались на конференциях разного уровня и в журналах по вопросам энергетики.
Компоненты разрешения указанных технических проблем хорошо известны эксплуатирующим и ремонтным организациям [4-7, 33, 34], и нашли отражение в нормативных документах [21, 24, 25]. Выделим важнейшие из них и пригодные для мониторинга ЭО:
- создание особых условий работы и эксплуатации путем улучшения защиты оборудования от перенапряжений и токов короткого замыкания (КЗ), снижения электрической и тепловой нагрузки, секционирования и резервирования как в СЭС, так и у крупных потребителей;
Математическое описание механизмов развития дефектов
Принято считать [53], что дефекты изготовления, дефекты появляющиеся в процессе транспортирования, хранения и монтажа проявляются при эксплуатации ЭО. Различают быстро и медленно развивающиеся дефекты. Дефекты на определенной стадии «жизни» в зависимости от условий окружающей среды, режимов работы и качества обслуживания при эксплуатации проявляются в явной форме как отказы и аварии. К быстро развивающимся дефектам относят те из них, которые не могут быть обнаружены и предупреждены традиционными методами при существующей системе нормирования периодичности контроля и диагностики, то есть в первую очередь дефекты, достигающие предельных уровней между периодами наблюдения и сопровождающиеся внезапными отказами. К медленно развивающимся дефектам относят такие, диагностируемые параметры которых изменяются в пределах от 10 до 50% от предельного значения установленного «Объемами и нормами...» [21], за регламентированный проверочный интервал (1, 3, 6 месяцев, 1 год и т.д.). Случайные отказы, обусловленные стихийными бедствиями, грозовыми разрядами, грубыми ошибками обслуживающего персонала и т.д. также относятся к внезапным и здесь не рассматриваются.
Выполним анализ развития дефектов, связанных со старением, износом и деградацией изоляционных свойств трансформаторного масла и его твердой изоляции, которые являются причиной подавляющего числа постепенных отказов.
В процессе старения в трансформаторном масле появляются продукты окисления, растворенные в масле газы, влага, шлам и механические примеси [57, 86], которые приводят к резкому снижению напряжения пробоя ипр свежего дегазированного масла. Наибольшее влияние на изоляционные свойства масла оказывает связанная и растворенная вода [87, 88]. Осажденная (на дне бака) вода может перейти в растворенное состояние и твердую изоляцию СТ. Фундаментальные исследования [89, 90] подтверждают сильное влияние воды на пробой масла, например, в [89] описан специальный опыт с искусственным добавлением воды в очень чистое дегазированное масло: при содержании воды 0,0002 долей прочность масла снижается с 700 до 100 кВ/см. Для получения количественных оценок и аналитической зависимости пробивного напряжения ипр от количества влаги WM в масле поставлен следующий эксперимент.
В качестве объекта взято чистое сухое трансформаторное масло марки Т-1500 по ГОСТ 982-80 с исходным значением пробивного напряжения 46 ± 0,3 кВ/2,5 мм. Определение величины Unp выполнялось на полуавтоматической установке типа КГШ-901 с контролем отдельных результатов на пробойной установке АИМ 80 по ГОСТ 6581-75 в лабораторных условиях при температуре 22...23 С.
Искусственные пробы с влагосодержанием: 0,001; 0,002; ...; 0,012 % (об.), то есть 10; 20; ...; 120 ppm, получены по следующей методике. С помощью мерной посуды класса 0,2 по ГОСТ 6370-83 путем смешивания 100 мл сухого масла и 1,2 мл бидистиллята получена эмульсия с концентрацией влаги 1,2 %, 12 мл которой перенесены в мерную колбу объемом 1 л и долиты свежим маслом до 1000 мл для получения концентрации 0,012 % (об.) влаги. Расчетные значения других искусственных проб получены методом смешивания двух известных объемов с известными концентрациями, например, для получения 2000 мл с WM = 60 ppm смешивается 1000 мл исходного масла и 1000 мл с WM = 120 ppm, а для получения 1000 мл с WM = 30 ppm или WM = 90 ppm берется 500 мл (и 500 мл) масла с WM = 60 ppm и смешивается с таким же объемом исходного или с WM = 120 ppm соответственно и т.д. Равномерность растворения воды в масле обеспечивалось нагреванием проб до 70...80 С. Соответствие реального влагосодержания этих проб расчетным значениям проверено кулонометрическим методом [48, 87] с помощью прибора ВТМ-2 в точках 10; 20; 30 ppm, соответствующих уровням увлажнения масла MHO, и в точке 100 ppm. Контрольная проверка на влагосодержание выполнена с помощью прибора типа ПКВ-901-1. Отклонение расчетных значений относительно измеренных не превысило ± 2,5 %. В приложении Г приведены результаты измерения и статистической обработки зависимости Unp(WM), а также результаты расчетов этой зависимости по аппроксимирующим функциям Unp =10,4.e-350W +4.e-2000W" + 4, (2.5) Unp=14,4-e 420WM+4. (2.6)
Последняя формула вполне приемлема для практического применения. Адекватность этих выражений оценивается на уровне 0,9813 для (2.5) и 0,9665 для (2.6). Среднеквадратическое отклонение по ансамблю экспериментальных реализаций составляет 0,27 кВ при максимальном с.к.о. 0,35 кВ. Обработка результатов выполнена в табличном процессоре EXCEL.
Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик преобразователя температуры в электрический сигнал
Поскольку при конструировании таких термодатчиков приходится задаваться не отношением плотностей тока ji/j2 = N, а отношением площадей эмиттеров транзисторов термочувствительной ячейки S2/S1 = L и коэффициентом передачи тока М = Ii/I2, то с учетом равенства N = L-M формула (3.5) принимает вид: и ее следует рассматривать как обобщенную модель преобразования температуры в электрический сигнал, а модели (3.3) и (3.4) фирм Analog Devices и National Semiconductor являются частными случаями. Несмотря на то, что в схеме рисунка 3.4 имеет место положительная обратная связь по контуру: база VT2-коллекторУТ2-база УТ4-коллектор УТ4-база VT2, действие местной отрицательной обратной связи по току через резистор R обеспечивает наличие единственной точки А (см. рисунок 3.5) устойчивого равновесия. Таким образом, два «токовых зеркала», по крайней мере одно из которых является термозависимым, соединенные последовательно как по питающему напряжению, так и по направлению подачи сигнала, позволяют получить датчик-преобразователь температуры р-n переходов транзисторов в ток внешней цепи.
Из рисунка 3.4 видно, что выходное (динамическое) сопротивление датчика как двухполюсника относительно источника питания и внешней нагрузки определяется суммой проводимостей коллекторных переходов транзисторов VT2 и VT4, слабо зависящих от питающего напряжения, т.е. последовательно соединенный датчик и источник питающего напряжения обладают свойствами источника тока для нагрузки, включенной в эту цепь. Теоретические и экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик преобразователя температуры в электрический сигнал Теоретические исследования
Если в качестве полезного сигнала использовать напряжение U-уэ, то целесообразно оценить выходное сопротивление схемы по рисунку 3.4 относительно эмиттерного вывода транзистора VT2. В этом случае эквивалентная схема имеет вид, представленный на рисунке 3.6 и выходное динамическое сопротивление относительно зажимов резистора R по определению гВЬ1х = AI R , где Е) Из выражения для полезного сигнала иээ = Еэ r3+R 1 + гэ/К эквивалентная ЭДС или напряжение холостого хода, с учетом выражения для сопротивления р-n перехода гэ фт / h где Фт = кТ температурный потенциал, имеем иээ =
. Откуда видно, что напряжение на Фт, 1 + 1 + Фт, ээ IR токозадающем резисторе R зависит лишь от температуры и не зависит от тока I, т.е. гВЬ1Х » 0. Этот важный вывод подтвержден экспериментально. При изменении сопротивления резистора R от 100 до 1100 Ом изменение напряжения U-yj составило 10 мкВ при изменение тока I на 0,25 мА, что эквивалентно гвых = 0,04 Ома при фиксированной температуре 20С. Отметим, что для обеспечения выходного сопротивления не более 1 Ома в термодатчике К1019ЕМ1 применен операционный усилитель с коэффициентом усиления более 40 тысяч [104].
Эквивалентная схема датчика T-U Упрощенная модель р-п перехода (3.1) и полученная по ней функция преобразования (3.6) не позволяют оценить нелинейность датчика температуры при изменении выходного тока. Можно воспользоваться выражением для аппроксимации В АХ р-n перехода [107] где n - коэффициент зависящий от тока и технологии изготовления транзистора; 1о, Т0 - координаты начальной точки.
Выражение (3.7) справедливо с погрешностью около 0,1 % при изменении тока в диапазоне от десятых долей микроампера до десятков миллиампер [107]. Для полезного сигнала термочувствительной ячейки (рисунок 3.1а) имеем зависимость: где An = П - n2 - вариация п, обусловленная разной плотностью тока транзисторов VT1 и VT2, а также изменением величины тока при изменении температуры.
Для получения аналитической зависимости п = п(1) для транзисторных интегральных сборок типа 198НТ1 проведены экспериментальные исследования при токах 1о = 1; 10; 100 мкА и 1 мА и вычислены средние значения коэффициента п, которые хорошо согласуются с известными оценками [107] в точках п (1 мкА) = 2,43 и п (1 мА) = 1,50 .
Микропроцессорный счетчик ресурса в системе мониторинга силового трансформатора
Важность проблемы оценки текущего состояния изоляции СТ (твердой изоляции и трансформаторного масла) для мощных СТ всегда стояла очень остро. Так, в фундаментальном труде Сапожникова А.В. [121], изданном более 40 лет назад, отмечается важность решения этой задачи для повышения использования нагрузочной способности СТ и описывается физическая термомодель его обмотки. В монографии Боднара В.В. [91] подробно обсуждается эта тема и приводится конструкция усовершенствованной термомодели, содержащая нагревательную, измерительную обмотки и вкладыш для регулирования постоянной времени модели. Нагревательная обмотка питается от трансформатора тока. Существуют и другие попытки воспроизвести или непосредственно измерить температуру наиболее нагретых мест обмотки с помощью генераторных, оптико-электронных и других измерителей. Однако задача непосредственного измерения температуры наиболее нагретой точки (ННТ) до сих пор удовлетворительно не решена.
Около 30 лет назад Всесоюзным электротехническим институтом (ВЭИ) были разработаны интеграторы старения аналогового типа и установлены в партию СТ, поставленных в Аргентину. Общеизвестны недостатки аналоговых устройств, например, аналоговых вычислительных машин, и их судьба. Низкая точность и большая долговременная нестабильность аналоговой контрольно-измерительной техники вызвала большие сомнения в результативности таких интеграторов старения. Действительно в отчетах ВЭИ, ВНИИЭ и Московского трансформаторного завода (МТЗ - изготовитель этой партии СТ) официальных результатов, или отзывов о работе интеграторов старения не обнаружено, хотя это объясняется расформированием большинства научных коллективов. Выполненный в данной работе анализ механизмов старения твердой изоляции убедительно свидетельствует о низкой достоверности оценки ресурса только по температуре наиболее нагретой точки без учета влажности. В этом направлении требуются серьезные исследования, выполнение которых представляется вполне реальными средствами цифровой техники и компьютерных информационных технологий автоматизации эксперимента. Одним из первых шагов в этом направлении можно считать предлагаемый счетчик ресурса (СР), в котором простота технической реализации получена в обмен на интеллектуальную сложность [122].
Методика расчета остаточного ресурса изоляции СТ по результатам измерения его состояния. Если ресурс нового (или восстановленного) СТ установлен Трн как интервал времени от начала эксплуатации до наступления предельного состояния, тогда за время Т он выработает ТР своего ресурса, а его остаточный ресурс Тро составит: т =т _т 1 ро А рн 1р или в относительных единицах: Ro=l-R, где Ro = Трц/Трн - остаточный ресурс; R = Тр/Тр - относительный износ. Выработанный ресурс не равен времени включенного состояния, а зависит от режима работы и условий эксплуатации СТ. Расчеты и мировой опыт эксплуатации СТ показывают, что при сквозном КЗ выработанный ресурс достигает нескольких лет нормальной «жизни» СТ, а повторное включение на не устраненное КЗ приводит к износу изоляции, который может составлять половину ее ресурса [91]. Ранее было показано, что отказы СТ в большинстве случаев определяются износом изоляции. В качестве исходной можно принять формулу для относительного расчетного износа витковои изоляции за интервал времени Т в долях периода П (часов, чаще суток, иногда года), рекомендуемую ГОСТ 14209-85: FT= jf[GHHT(t)]dt, (4.6) 11 о где f[6HHT(t)] = 1} HHT t)_ HHT6J/A - мгновенное значение относительного износа или скорость относительного износа изоляции при температуре 0Mm(t) наиболее нагретой точки, 0ннт.б - базисная температура наиболее нагретой точки (0,,,,,.6 = 98С для изоляции класса А), А9 - интервал температуры, соответствующий изменению относительного износа изоляции в 2 раза. Здесь учитывается влияние главного фактора - температуры. Однако следует учитывать влажность WBJ1 изоляции как второго по значимости влияющего на ресурс фактора (см. п. 2.2), обуславливающего скорость износа: f[WBj1(t)]=2[w-(t)-w ]/AW- (4.7) в силу пропорциональности скорости термического разрушения изоляции от влагосодержания при содержании влаги 0,3...7,0% [91]. Влагосодержание изоляции СТ изменяется очень медленно, не более десятых долей процентов в год. Аналогичным образом может быть учтено кислотное число трансформаторного масла в описании процесса разрушения изоляции, но этот фактор обычно не учитывается и недостаточно изучен. Если ввести обозначения: yi(t) = [0HHr(t) - 0ннт.б]/АО; Уг(0 = [WBI(t) - \)Л.б]/А\У; У(1)= Yi(l) + Y2(t), то общее значение мгновенного износа изоляции будет: f(t) = 2Y(t). (4.8)
Наиболее быстрым тепловым процессом в СТ является нагрев обмоток током. Постоянная времени этого процесса в маслонаполненном СТ составляет около 6 минут или 360 секунд [91], а постоянная времени СТ в целом, согласно ГОСТ 14209-85, лежит в пределах 1,5...3 часа. Поскольку тепловые процессы описываются экспонентами, то на интервале At не более 36 секунд с погрешностью, не превышающей 10 % в момент скачка мощности рассеивания, можно принять функцию f(t) постоянной.
