Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Профилактический контроль и диагностика изоляции силовых трансформаторов как средство повышения их эксплуатационной надежности 12
1.1. Общие замечания. Анализ отказов силовых трансформаторов 12
1.2. Системы изоляции силовых трансформаторов 20
1.3. Обзор существующих методов и устройств тестового контроля изоляции высоковольтного электрооборудования 29
1.4. Контроль состояния изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению 45
1.5. Автоматизированное устройство для измерения параметров изоляции УИПИ 53
Глава 2. Анализ процессов в многослойной изоляции распределительных трансформаторов 58
2.1. Определение оптимального количества слоев в схеме замещения главной изоляции распределительных трансформаторов 58
2.2. Расчет процесса заряда неоднородной изоляции классическим методом 67
2.3. Расчет процесса заряда неоднородной изоляции операторным методом 81
2.4. Расчет процесса саморазряда неоднородной трехслойной изоляции классическим методом 92
2.5. Расчет процесса саморазряда неоднородной трехслойной изоляции операторным методом 105
2.6. О знаке возвратного напряжения 109
Глава 3. Моделирование процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов в пакетах MathCad, Simulink и SimPowerSystems системы MATLAB 113
3.1. Моделирование в пакете MathCad 113
3.2. Исследование процессов заряда и разряда изоляции с помощью S-моделей 122
3.3. Моделирование процесса саморазряда и измерения возвратного напряжения в приложение SimPowerSystems (SPS) 136
Глава 4. Новые устройства для тестовой диагностики главной изоляции трансформаторов, разработанные с участием автора 142
4.1. Устройство для контроля качества электрической изоляции по напряжению саморазряда и возвратному напряжению 142
4.2. Устройство для измерения сопротивления электрической изоляции 149
4.3. Устройство для контроля качества электрической изоляции высоковольтного электрооборудования с большой постоянной времени 156
4.4. Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора 161
4.5. Устройство для контроля качества электрической изоляции по емкостным характеристикам 167
4.6. Устройство для измерения израсходованного срока службы электрической изоляции электрооборудования 172
Глава 5. Экспериментальные исследования. определение диагностических параметров электрической изоляции 178
5.1. Методика измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения 178
5.2. Определение оставшегося ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда 182
5.3. Определение оставшегося ресурса главной изоляции трансформаторов по возвратному напряжению 189
5.4. Программа расчета остаточного ресурса изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда Prostaresis-1 195
Заключение 198
Список литературы 200
Приложения 211
- Системы изоляции силовых трансформаторов
- Определение оптимального количества слоев в схеме замещения главной изоляции распределительных трансформаторов
- Исследование процессов заряда и разряда изоляции с помощью S-моделей
- Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора
Введение к работе
Актуальность темы. Распределительные трансформаторы напряжением 6-10 кВ являются одним из важнейших устройств систем электроснабжения. Одной из главных и наиболее ответственных частей трансформаторов высокого напряжения является внутренняя электрическая изоляция, электрическая прочность которой определяет надежную работу трансформаторов. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит старение изоляции, т.е. ухудшение ее характеристик. Эти воздействия, которые невозможно заранее учесть, приводят к тому, что в изоляции возникают распределенные и местные дефекты, которые в конечном итоге вызывают пробой изоляции.
Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов распределительных трансформаторов является нарушение работы его изоляционной системы. При этом более 25 % отказов приходится на долю главной изоляции трансформаторов.
Чтобы выявлять развивающиеся дефекты и не допускать аварий за счет внезапных пробоев электрической изоляции, свойства ее в эксплуатации периодически проверяют. Это обеспечивает поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса трансформаторного оборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации энергетических систем, когда более 70 % основного трансформаторного оборудования уже выработало свой ресурс времени, регламентированный нормативными документами.
Периодичность и нормы испытаний устанавливаются Правилами технической эксплуатации. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по времени эксплуатации. Более эффективной является система обслуживания по реальному техническому состоянию. Для перехода к такой системе необходимы современные приборы, основанные на надежных и научно обоснованных методах выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции.
Несмотря на имеющуюся в этой области обширную литературу и научные публикации таких ученых как М.Е. Алпатов, М.А. Боев, П.А. Бутырин, В.А. Воробьев, А.С. Воробьев, М.Д. Глущенко, В.Г. Голыптейн, А.С. Космодамиан-ский, B.C. Ларин, А.Н. Назарычев, В.М. Пак, А.С. Серебряков, А.Ю. Хренников, до сих пор отсутствует систематическое и детальное рассмотрение основных физических явлений, используемых для целей диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов. Отсутствуют и приборы диагностики, основанные на глубоком анализе абсорбционных процессов в неоднородной высоковольтной изоляции. Эти причины и побудили автора выполнить соответствующие исследования в НГИЭИ по плану научно-исследовательских работ.
Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности 05.09.03. - «Электротехнические комплексы и системы». Диссертационная работа соответствует формуле специальности в части исследования самостоятельных электротехнических комплексов, в качестве которых рассматриваются трансформаторы 6-10 кВ, требующие объективной оценки их техни-
ческого состояния путем мониторинга и прогнозирования остаточного ресурса с целью повышения их эксплуатационной надежности. Сформулированные в диссертации научные положения соответствуют области исследования специальности по математическому, имитационному и компьютерному моделированию компонентов электротехнических комплексов и систем (п. 1), по обоснованию совокупности технических критериев оценки принимаемых решений в области эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 2), а также по разработке методов и средств безопасной и эффективной эксплуатации электротехнических комплексов и систем (п. 5).
Целью диссертации являются исследование абсорбционных и десорбци-онных процессов в главной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ, разработка методик наиболее эффективного использования величин, характеризующих эти процессы, в качестве диагностических параметров для объективной оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов и оценки их остаточного ресурса, а также разработка современного устройства, реализующего разработанные методики.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
-
Выполнить обзор и критический анализ методов и технических средств контроля состояния главной изоляции распределительных трансформаторов.
-
Разработать на основании опытных данных оптимальную математическую модель многослойной неоднородной изоляции распределительных трансформаторов напряжением 6-10 кВ.
-
Исследовать процессы в неоднородной изоляции, и определить значения внутренних параметров, устройства контроля состояния изоляции распределительных трансформаторов по абсорбционным и десорбционным процессам, обеспечивающие минимальную погрешность измерений.
-
Выполнить математическое и имитационное компьютерное моделирование процессов в неоднородной изоляции с помощью современных прикладных программ.
-
Определить диагностические параметры для объективной оценки состояния главной изоляции трансформаторов и ее остаточного ресурса.
-
Разработать новые научно обоснованные технические решения для создания средств диагностики главной изоляции распределительных трансформаторов на современной элементной базе.
-
Провести экспериментальные исследования, измеряя параметры изоляции распределительных трансформаторов и оценить достоверность теоретических исследований.
Объект исследования - распределительные трансформаторы 6-10 кВ.
Предмет исследования - эксплуатационная надежность, методы мониторинга, оценки технического состояния и остаточного ресурса распределительных трансформаторов 6-10 кВ.
Методы исследования. В работе были использованы: метод классического, операторного и численного решения линейных дифференциальных уравнений, метод направленных графов, метод математического моделирования в инте-
грированных пакетах MathCad и MatLab (приложение Simulink), метод имитационного моделирования (приложение SimPowerSystem).
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и полученных результатов базируется на строго доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, математического и имитационного моделирования. Достоверность подтверждена также многократными экспериментальными исследованиями параметров главной изоляции распределительных трансформаторов и образцов разработанных приборов.
Научная новизна:
-
Определено оптимальное количество затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ. Установлено, что процесс саморазряда изоляции описывается тремя экспонентами: быстрой, средней и медленной. При этом постоянные времени, указанных экспонент, заметно отличаются друг от друга. Принятое оптимальное число слоев в математической модели главной изоляции трансформаторов, равное трем, обеспечивает по сравнению с другими числами слоев более точную количественную оценку состояния главной изоляции трансформаторов.
-
Проанализированы процессы заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения. На основании вычисленных погрешностей определены допустимые значения параметров этих элементов.
-
Доказано, что знак возвратного напряжения должен быть таким же, каким был знак напряжения, первоначально приложенного к неоднородной изоляции при ее заряде и измерении сопротивления изоляции независимо от того, как были распределены по слоям электрические емкости диэлектриков.
-
Предложена новая методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению, позволяющая повысить надежность работы трансформаторов.
-
На основании экспериментальных исследований, предложены эмпирические зависимости для определения остаточного ресурса изоляции с учетом изменения температуры трансформатора при измерениях в диапазоне от +10 до +40 С.
-
Предложены новые научно обоснованные технические решения для создания устройств диагностики главной изоляции трансформаторов. На три устройства получены патенты РФ на изобретения и один патент РФ на полезную модель. На одно устройство получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение. Определен алгоритм работы устройства диагностики изоляции при измерении параметров изоляции, улучшающий электромагнитную совместимость силовой части устройства с микропроцессорной частью.
Практическая ценность работы. Уточнены диагностические параметры для оценки технического состояния главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ по абсорбционным характеристикам. Даны рекомендации, как оценить техническое состояние и определить остаточный ресурс главной изоляции распределительных трансформаторов по измеренным значениям напряжения саморазряда и возвратного напряжения.
Разработана программа расчета остаточного ресурса изоляции по напряжению саморазряда PROSTARESIS-1. На программу получено свидетельство Роспатента о ее государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ.
Разработано устройство для измерения параметров изоляции на современной элементной базе с применением АЦП, подключаемого к компьютеру через USB-порт, что дает возможность использования для управления процессом диагностики портативных ЭВМ типа Notebook. На основании проведенных аналитических исследований процессов в неоднородной изоляции определены значения внутренних параметров источника испытательного напряжения.
Проделан комплекс экспериментальных работ на полигоне РЭС Княги-нинского района Нижегородской области. Проведенная экспериментальная работа подтвердила достоверность результатов, полученных при теоретических исследованиях, и показала, что предложенные диагностические параметры являются надежными для оценки состояния главной изоляции трансформаторов.
Предложенная методика определения остаточного ресурса трансформаторов 6-10 кВ, позволяет увеличить их эксплуатационную надежность, обоснованно увеличить срок их службы и, следовательно, удешевить их эксплуатацию.
Реализация результатов работы. Разработанное устройство для измерения параметров главной изоляции распределительных трансформаторов внедрено в Центре энергоаудита НГИЭИ. Методика определения остаточного ресурса главной изоляции распределительных трансформаторов внедрена в РЭС Княгининского района Нижегородской области. На базе разработанного устройства в НГИЭИ создается малое инновационное предприятие (МИП) для оценки остаточного ресурса изоляции трансформаторного электрооборудования.
Результаты исследований используются в учебном процессе в НГИЭИ при курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам «Электрические машины» и «Электроснабжение промышленных предприятий и предприятий АПК»
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Определение оптимального количества затухающих экспонент, описывающих процесс саморазряда главной изоляции трансформаторов 6-10 кВ и их количественных значений - интенсивностей и постоянных времени.
-
Результаты исследований процесса заряда и саморазряда трехслойной изоляции с учетом внутреннего сопротивления источника питания и сопротивления измерителя напряжения, а также определение допустимых значений параметров этих элементов.
-
Определение знака возвратного напряжения для сопоставления результатов измерений, полученных разными авторами.
-
Методика определения остаточного ресурса главной изоляции трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.
-
Комплект аппаратных и программных средств диагностики главной изоляции трансформаторов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на 30-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2011, Нижний Новгород; на 7-й международной научно-технической конференции "Научный потенциал мира",2011, София.
«Бял.ГРАД-БГ»; на 31-й научно-технической конференции НГТУ "Актуальные проблемы электроэнергетики", 2012, Нижний Новгород; на 13-й и 14-й научно-практической конференции МНИТ "Безопасность движения поездов", 2012, 2013, Москва; на международной научно-практической конференции «Основные направления развития техники и технологии в АПК и легкой промышленности», 2010, Княгинино; на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, ученых «Основные направления развития техники и технологии в АПК легкой промышленности» НГИЭИ, 2011 и 2012, Княгинино; на международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Проблемы и перспективы развития экономики сельского хозяйства» НГИЭИ, 2012, Княгинино; на 8-й международной конференции «Динамиката на съвременната наука», 2012, София. «Бял ГРАД-БГ»; на 8-й международной научно-практической конференции «Nauka: teoria і praktyka - 2012», Прага.
Публикации. По основным результатам диссертационной работы автором опубликовано 25 печатных работ, из них 5 работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, 3 патента на изобретения, патент РФ на полезную модель и свидетельство Роспатента о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 244 страницы, содержит 210 страниц основного текста, 118 рисунков, 8 таблиц. Список использованной литературы включает 134 наименования.
Системы изоляции силовых трансформаторов
Изоляция силовых трансформаторов, согласно ГОСТ 1516.2-97, подразделяется на внешнюю и внутреннюю. Воздушные промежутки между вводами и по их поверхностям на землю составляют внешнюю изоляцию, а все изоляционные участки внутри бака, — внутреннюю изоляцию трансформатора. В свою очередь внутренняя изоляция подразделяется на главную и продольную. К главной изоляции относится изоляция обмоток относительно земли (магнитопровода) и между разными обмотками (ВН и НН). К продольной изоляции относится изоляция между разными точками одной и той же обмотки: между витками, слоями, катушками. Существует также изоляция отводов от обмоток, переключателей и выводов. Прочность изоляции обеспечивается соответствующим выбором электроизоляционных материалов и размеров изоляционных промежутков [121].
Основные габариты главной и продольной изоляции определяются значениями импульсных перенапряжений — грозовых и коммутационных. На конструкцию изоляции трансформаторов влияет то обстоятельство, что в активных частях трансформатора - в обмотках и магнитопроводе при работе выделяется значительное количество тепла. Поэтому изоляцию выполняют так, чтобы можно было непрерывно охлаждать активные части.
В сухих трансформаторах изоляцию обмоток выполняют из различных синтетических пленок, имеющих повышенную нагревостойкость и пожаростойкость, что позволяет применять такие трансформаторы непосредственно в зданиях. В последние годы разработаны изоляционные материалы из искусственных арамидных волокон. Эти материалы имеют высокую пожаростойкость и могут работать при температурах до 200 С и высокой влажности. Они широко применяются в сухих трансформаторах в виде бумаг, картонов и формованных деталей. Сухие трансформаторы изготавливают в основном на напряжения до 10 кВ, а в некоторых случаях - до 35 кВ. В сухих трансформаторах достаточно широко используется и так называемая литая изоляция обмоток. В этом случае обмотки пропитываются и заливаются под вакуумом синтетическими смолами. В элегазовых трансформаторах изоляционной и охлаждающей средой служит шестифтористая сера SF6 — элегаз, находящийся под давлением в герметичном корпусе, в который помещен трансформатор.
В современных силовых трансформаторах в качестве главной изоляции используется преимущественно маслобаръерная изоляция (рис. 1.1). Барьеры изготовляются из электрокартона и располагаются в масле перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В основном применяют три типа барьеров: цилиндрический барьер 1, плоскую шайбу 2 и угловую шайбу 3. Количество барьеров зависит от номинального напряжения. В ряде случаев цилиндрический барьер выполняется из бакелита. Между обмотками ВН различных фаз устанавливают междуфазную изоляционную прокладку. В качестве жидкого диэлектрика используется тщательно очищенное нефтяное трансформаторное масло [121].
Масло в трансформаторе выполняет две функции: во-первых, оно повышает электрическую прочность изоляции и во-вторых, улучшает условия охлаждения. Масло отводит теплоту потерь от обмоток и магнитопровода трансформатора в 25 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).
Продольная изоляция выполняется бумажно-масляной. Продольная изоляция обмоток силовых высоковольтных трансформаторов состоит из двух основных элементов (рис. 1.2): витковой изоляции (изоляции между проводниками двух соседних прилегающих друг к другу витков одной катушки) и катушечной изоляции (изоляции между проводниками двух соседних катушек, разделенных масляным каналом). В качестве межслойной изоляции, применяют несколько слоев кабельной бумаги, электроизоляционный картон или лакоткань.
Для длительной и надежной работы трансформаторов «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» (ПТЭ) требуют соблюдения установленного температурного режима трансформаторов и периодического контроля состояния изоляции. Несоблюдение теплового режима ведет к быстрому износу его изоляции. Кроме того, периодически в процессе эксплуатации берутся пробы масла, измеряются значения tgS и C2ICSQ. Подробнее об этих параметрах сказано ниже.
Заметим, что надежная работа изоляции является существенным фактором надежности трансформаторов. Действительно, основные причины аварий мощных трансформаторов связаны с нарушением нормальной работы изоляции. Так 48 % трансформаторов аварий вызваны пробоем внутренней изоляции высоковольтных вводов и 19 % вызваны износом или пробоем изоляции обмоток [98].
В зарубежной практике недостатки вводов с бумажно-масляной изоляцией привели к созданию вводов с твердой изоляцией, которой является бумага, пропитанная смолой. В результате применения высоковольтных вводов с твердой изоляцией, ожидается значительное снижение аварийности трансформаторов из-за повреждений вводов. В эксплуатации на внутреннюю изоляцию трансформаторов непрерывно воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, приводящее к ее пробою. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восстановительного ремонта изоляции. Срок службы изоляции Т определяет и срок службы трансформатора.
Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуатации происходит за счет передачи электрической изоляции различных видов энергии. В соответствии с этим различают электрическое, тепловое и механическое старение изоляции. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникновением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.
Электрическое старение может происходить при напряженностях электрического поля во много раз меньших (в 5-20 раз) пробивных напряжений.
Экспериментально установлено, что зависимость срока службы Т от значения воздействующего напряжения U в диапазоне значений Т от 0 до 104 часов имеет вид [98]
Типичным значением постоянной А для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6-Ю9 год/(кВ)п. Показатель степени п обычно выбирают равным 6.
Тепловое старение изоляции. В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается.
Обычно полагают, что срок службы при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции х\ и %2 при разных температурах /; и t2 будет выражаться
Определение оптимального количества слоев в схеме замещения главной изоляции распределительных трансформаторов
Для того, чтобы перейти от системы обслуживания и ремонта электрооборудования по регламентированному сроку эксплуатации к альтернативной системе обслуживания его по реальному техническому состоянию, нужны объективные оценки технического состояния электрооборудования. Для распределительных трансформаторов прежде всего приходится оценивать техническое состояние главной (корпусной) изоляции. При этом необходимо знать процессы, протекающие в изоляции, ее математическую модель и параметры, по величине которых можно судить о техническом состоянии изоляции.
Как показали исследования, проведенные на кафедре "Электрификация и электроснабжение" МИИТ и кафедре «Электрификация и автоматизация» НГИЭИ, наибольшую информацию о состоянии изоляции можно получить, анализируя абсорбционные процессы в ней [100]. О характере абсорбционных процессов можно судить по зависимостям сопротивления изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения от времени.
Для измерения этих характеристик было разработано и изготовлено автоматизированное устройство с применением ПК типа IBM PC [74]. С его помощью измерялись указанные выше характеристики, по которым далее определялись параметры математической модели корпусной изоляции и соответствующей ей схемы замещения.
Корпусная изоляция трансформаторов является неоднородной - она состоит из нескольких слоев, имеющих различные физические свойства, а, следовательно, и разные значения сопротивления изоляции и электрической емкости. В соответствии с полученными экспериментальными данными анализировались однослойная, двухслойная, трехслойная и четырехслойная схемы замещения корпусной изоляции (рис. 2.1). Математическая модель многослойной изоляции для процесса саморазряда при допущении, что сопротивление вольтметра равно бесконечности, представлялась в виде суммы затухающих экспонент с разными постоянными времени
В случае если величины постоянных времени заранее неизвестны, то задача определения их становится неоднозначной и результаты решения системы нелинейных уравнений (2.1) будут зависеть от начальных приближений. Однако для главной изоляции трансформаторов можно заранее предположить, что количество затухающих экспонент будет не более трех, и значения их будут заметно отличаться друг от друга. Поэтому можно считать, что к 60-й секунде остается только одна самая медленная экспонента, параметры которой легко определить. Вычитая из результирующей кривой самую медленную вычисленную экспоненту, получим меньшую сумму экспонент, которые затухают за время, значительно меньшее 60с. Предполагая, что на конце этой вновь полученной кривой, остается только одна, самая медленная из оставшихся экспонент, определяем ее параметры. Далее поступаем подобным же образом.
После того как будут определены параметры At и Т, в первом приближении, далее они уточняются с помощью интегрированного пакета MATHCAD. Для определения использовались стандартные функции Find и Minerr решения системы нелинейных уравнений. Системы нелинейных уравнений записывались в виде
Необходимое количество точек к для нахождения параметров математической модели равно удвоенному количеству слоев схемы замещения, так как каждому слою соответствуют два параметра: значение модуля экспоненты и постоянная времени. Так, например, для нахождения параметров математической модели двухслойной схемы замещения требуется составитьчетыре уравнения
На рис. 2.2 в качестве примера приведено определение параметров математической модели для двухслойной схемы замещения главной изоляции трансформатора со сроком эксплуатации 10 лет по данным напряжения саморазряда. На рис. 2.2 для наглядности решения начальные приближения искомых величин в нелинейных уравнениях взяты равными 1, т.е. весьма далекими от реальных значений. Но все же при этом были получены значения, близкие к действительным. Такое оказывается возможным благодаря тому, что показатели экспонент значительно отличаются друг от друга. На рис. 2.2 матрица-столбец AT выдает значения постоянных интегрирования At и постоянных времени Tj.
Для определения параметров двухслойной модели были взяты значения напряжения саморазряда, измеренные в четырех точках при t = 15, 30, 45 и 60 секунд. Эти значения обычно фиксируют при ручном измерении. На рис. 2.3 приведены кривые напряжения саморазряда, построенные по уравнениям для однослойной (1) и двухслойной (2) моделей. На этом же рисунке крупными точками показаны измеренные значения напряжения саморазряда (кривая 3).
Как видно из рис. 2.3. кривая 1 для однослойной модели плохо совпадает с опытными данными, а кривая 2 для двухслойной модели совпадает хорошо, но только для значений времени / больших 10 секунд. При меньшем времени заметно расхождение между ними.
На рис. 2.4 приведено определение параметров математической модели трехслойной изоляции в интегрированном пакете MATHCAD путем решения системы шести нелинейных уравнений, а на рис. 2.5. приведена зависимость напряжения саморазряда для этой модели изоляции. Кривая построена по уравнению
Здесь Ai=841,432 В, А2=936,229 В и А3=723,99 В - постоянные интегрирования. Их индексы взяты по мере нарастания величин постоянных интегрирования, что несколько отличается от индексации, проставленной в системе MathCad на рис. 2.4. Как видно из рис. 2.5, кривая u(t) , построенная по уравнению (2.7) хорошо совпадает с экспериментальными данными, которые показаны на рис. 2.5 черными квадратиками. На этом же рисунке приведены и отдельные составляющие напряжения на слоях трехслойной модели. На рис. 2.6 показаны составляющие напряжения саморазряда для двухслойной (квадратиками 2) и трехслойной (сплошной линией 3) моделей. Из рис. 2.6 видно, что две экспоненты у двухслойной и трехслойной моделей практически совпадают. Это значит, что параметры первого и второго слоев для двухслойной и трехслойной моделей изоляции близки друг к другу. Но в трехслойной модели появляется еще одна экспонента с малой постоянной времени Тз = 2,2 с.
Эту быстро затухающую экспоненту можно определить только в самом начале процесса измерения, когда измерения производятся с малым шагом и процессом измерения управляет ЭВМ. К 15-й секунде эта экспонента затухает. Вот почему в том случае, когда измерения производятся вручную и начинаются с 15-й секунды, процесс саморазряда хорошо описывается двумя экспонентами и третья экспонента не наблюдается, Однако при этом в начале процесса получается большая погрешность.
Исследование процессов заряда и разряда изоляции с помощью S-моделей
Для исследования составленной выше математической модели неоднородной изоляции более подробно целесообразно использовать математическую систему MATLAB и входящий в нее пакет моделирования Simulink. Математическую модель схемы замещения в пакете Simulink далее будем называть S-моделъю.
Исследуем модель изоляции при изменении внутреннего сопротивления #вт источника напряжения и сравним полученные результаты моделирования в пакете Simulink с результатами, полученными ранее. Для составления модели в пакете Simulink используем те же уравнения, что были составлены ранее, но только с той разницей, что в пакете Simulink вместо дифференциальных уравнений записываются уравнения в интегральной форме. Для процесса заряда неоднородной изоляции, схема замещения которой представлена на рис. 2.9 уравнения, составленные по законам Кирхгофа Процесс заряда изоляции. Полный направленный граф и полная S-модель процесса заряда трехслойной изоляции представлены на рис. 3.11. Для получения в компоненте "осциллограф" графика изменения сопротивления изоляции применен делитель одного сигнала на другой, а именно U/i. Результат деления подается на "осциллограф".
На рис. 3.12 приведены результаты моделирования заряда трехслойной изоляции. Графики совпадают с рассчитанными в параграфе 3.1 (рис. 3.2). Но здесь виден только пиковый ток заряда. Чтобы показать абсорбционный процесс и величину установившегося значения тока, увеличим масштаб осциллографа (рис. 3.13-3.14).
Для сравнения графиков, рассчитанных в MathCad и полученных моделированием в Simulinke, выведем числовые значения сопротивлений изоляции через 5 секунд (табл. 3.1).
Максимальная разница между графиками составляет 0,39 %, что позволяет использовать Simulink как более наглядный инструмент по сравнению с интегрированным пакетом Mathcad для моделирования процессов, происходящих в изоляции.
При моделировании S-модели были приняты такие же параметры, как и при моделирование в пакете MathCad, а именно Л1 = 50-106Ом, #2 = 56-106 Ом, ЛЗ = 44-106Ом, С1 = 0,044 J О-6 Ф, С2 = 0,161 -ЗО Ф, СЗ = 1,023 -1045 Ф, внутреннее сопротивление Re = 1 -10 и напряжение заряда U = 2500 В. Для заряда изоляции использовали блок-Генератор импульсов.
Большое преимущество пакета Simulink перед Mathcad в том, что мы здесь можем изучить модель, не применяя сложных расчетов и преобразований для выражения производных величин в форме Коши. Переход от Mathcad к Simulink — это новое качество моделирования. Особенно при решении "жестких" дифференциальных уравнений [25].
Например, чтобы посмотреть переходные процессы в начале зарядного процесса, необходимо просто увеличить масштаб графика в компоненте "осциллограф". Время начала расчета (задержка) взято 0,1с для удобства увеличения графика в осциллографе. Увеличим масштаб графика до 5 секунд (рис. 3.13). При таком увеличении видно, что сопротивление изменяется не резко от 0, а плавно. Увеличим масштаб времени еще больше, увидим, что конденсаторы заряжаются через сопротивление источника питания за 0,4 с. Для того чтобы посмотреть величину тока заряда, изменим масштаб значения осциллографа, результат показан на рис. 3.14. Изменив значение усилителя (Gain), можно выявить, как влияет на зарядный процесс сопротивление источника питания.
Исследуем на S-модели процесс заряда изоляции с разными значениями сопротивления источника питания. Возьмем четыре значения 1) Re =0.1 МОм, 2) Re=0.5 МОм, 3) Re=l МОм, 4) Re=2 МОм.
Результаты моделирования при данных внутренних сопротивлениях показаны в виде графиков на рис. 3.15.
Из рис. 3.15 видно, что результаты моделирования совпадают с расчетными (рис. 2.17), а это говорит о подтверждении сделанных выводов, влияния внутреннего сопротивления источника питания.
В модели, приведенной на рис. 3.11, не учитывается сопротивление вольтметра Ry. Для схемы замещения с учетом сопротивления Ry, приведенной на рис. 3.16, а S-модель показана на рис. 3.17. Определим влияние сопротивления вольтметра Ry на заряд изоляции.
Устройство для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора
Устройство может быть использовано для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора с целью контроля состояния обмоток трансформатора.
При внезапном коротком замыкании трансформатора в его обмотках возникают механические усилия, стремящиеся растянуть наружную обмотку и сжать внутреннюю. Кроме того, между витками одной и той же обмотки действуют усилия, которые стремятся сжать обмотку по высоте. Эти силы способны деформировать обмотки, что может привести к аварии трансформатора. Поэтому необходим периодический контроль состояния обмоток трансформатора. О геометрии обмоток можно судить по значению их индуктивности, измеряя сопротивление короткого замыкания. Однако более эффективным и чувствительным методом оценки состояния обмоток трансформатора является измерение их емкостей относительно «земли» и относительно друг друга. Этот метод весьма чувствителен даже к небольшим изменениям геометрии обмоток, что выгодно отличает его от традиционного метода измерения сопротивления короткого замыкания.
Известно устройство для измерения эффективной электрической емкости методом амперметра и вольтметра, а также с помощью фарадометра, куметра и моста переменного тока [69,114,122]. Недостатком этих устройств является наличие подвижных механических частей и невысокое быстродействие.
Суть многих устройств заключается в том, что емкость измеряется на основе метода амперметра и вольтметра. Здесь под термином «емкость» С будем понимать, как это принято в [124] эффективную емкость, определяющую полное сопротивление конденсатора при данной угловой частоте При известном напряжении U и угловой частоте со ток в цепи пропорционален измеряемой эффективной емкости С: I = coUC = kC, где к — коэффициент пропорциональности. Далее термин «эффективная» перед словом «емкость» будем опускать. При низких частотах индуктивностью конденсаторов можно пренебречь. Поэтому при малых значениях индуктивности и tgS значение емкости С будет совпадать с значением емкости в последовательной и параллельной схемах замещения.
Недостатком указанного устройства является то, что измерение с его помощью емкостей объекта, имеющего три вывода, между каждым из которых и двумя остальными выводами имеется электрическая емкость, связано со сложными вычислениями на основании результатов трех измерений. Поясним процесс измерения емкостей. На рис. 4.11 обозначены:
0 - вывод корпуса трансформатора,
1 - вывод первой обмотки трансформатора,
2 — вывод второй обмотки трансформатора,
Сю — емкость первой обмотки относительно корпуса, Сго — емкость второй обмотки относительно корпуса, Сіг - емкость первой обмотки относительно второй.
Далее, используя полученные при измерении значения С\, Сг и С3, решая уравнения (4.15)-(4.17), определяют искомые значения емкостей С Сю и С2о.
Упрощение процесса измерения и определения емкостей можно достичь за счет исключения при каждом измерении одного конденсатора. Поясним предлагаемый порядок измерения с помощью устройства, на которое получен патент РФ [71].
При измерении по первой схеме, показанной на рис. 4.11, б, испытательное напряжение подало на обе обмотки 1 и 2, их потенциалы будут равны и емкостной ток между обмотками протекать не будет. Это значит, что емкость Сіг между обмотками исключается из измерения. Измеренная емкость в этом случае будет равна
Таким образом, процесс определения частичных емкостей объекта измерения значительно упрощается.
Структурная схема устройства для измерения электрических емкостей изоляции обмоток двухобмоточного трансформатора представлена на рис. 4.12.
На рис. 4.12 обозначено:
1 — источник синусоидального испытательного напряжения,
2 - эталонный резистор,
3, 4, 5 - первый, второй и третий выходные выводы устройства,
6, 7— первая и вторая обмотки испытуемого трансформатора,
8 - емкость Ci2 между первой и второй обмотками трансформатора,
9 — емкость С10 первой обмотки трансформатора на корпус,
10 - емкость Сго второй обмотки трансформатора на корпус,
11,12 — силовые переключающие контакты первого и второго реле, 13-усилитель,
14 — индикатор,
15 — переключатель на три положения,
16, 17, 18 — первый, второй и третий неподвижные контакты переключателя 15 на три положения,
19, 20 — первый и второй двухвходовые элементы ИЛИ,
21, 22 — первый и второй усилители мощности,
23, 24 — катушки первого и второго реле, 25 - источник питания цепей управления.
Устройство работает следующим образом. Когда переключатель 15 находится в первом положении, то его подвижный контакт соединен с первым неподвижным контактом 16. При этом на первых входах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ появляется единичный сигнал. На выходах первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ также появляются единичные сигналы, которые через усилители мощности 21 и 22 подаются на катушки первого 23 и второго 24 реле. Первое и второе реле срабатывают и замыкают свои замыкающие силовые контакты 11 и 12. При этом собирается схема по рис. 4.10, б, по которой измеряется емкость С, -Си)+ С20. Результат первого измерения считывается с индикатора 14.
Далее переключатель 15 переводят во второе положение, при котором его подвижный контакт соединен с вторым неподвижным контактом 17. При этом сигнал на втором входе первого двухвходового элемента 19 равен единице, а сигналы на обоих входах второго элемента 20 ИЛИ становятся равными нулю. Сигнал на выходе первого двухвходового элемента 19 ИЛИ остается равным единице, а сигнал на выходе второго двухвходового элемента 20 ИЛИ становится равным нулю. Первое реле остается включенным, а второе реле обесточивается, и его размыкающие контакты 12 замыкаются. При этом собирается схема по рис. 4.11, в, по которой измеряется емкость С2 =С10 + С12.
Результат второго измерения считывается с индикатора 14.
