Введение к работе
Актуальность работы. Одной из актуальных проблем при эксплуатации силового электрооборудования является своевременное обнаружение дефектов токоведущего контура. Известно , что значительная доля (41%) аварий силовых трансформаторов (СТ) при сроках эксплуатации от 10 до 30 лет приходится на следующие виды повреждений: разрушение высоковольтных вводов (22%), повреждение обмоток (16%), повреждения регуляторов под нагрузкой (РПН) (13%). Часть таких повреждений (до 15%) сопровождается взрывами и пожарами, что наносит существенный экономический ущерб.
Дефекты СТ, различные по природе, в большинстве случаев приводят к изменению сопротивления цепи токоведущего контура, в том числе, и к изменению сопротивления цепи постоянному току. Известно, что все перечисленные виды дефектов можно обнаружить одним простым методом -
гтпїгапянттпч лшічлл^лрл ппттЛЛтчіппаїТТИТ ПЛотЛПІПїтп; TrSJ/ЛІ П&\ЯГЛТГ\ТГ ПлтаіГІИТ.Т^
J'UJ.VlVpVilJTl^lVl VlVlUiVHWlU >WV/J.lpV A IliJJl^iJXi^A 11UVIW/1""V1UJ LVA*.J Vv^i 4. V ж. WAV. VWl—iUill/'v
методы уступают в универсальности обнаружения неисправностей.
Активное сопротивление обмотки - есть первый из группы схемных параметров, согласно аналитической теории трансформаторов, интегрально характеризующей электромагнитные и энергетические процессы в трансформаторе и придающей конкретный смысл параметрам уравнений состояния и основу для решения задач анализа. Вся совокупность схемных параметров определяется путём их измерения.
Токоведущий контур, включающий обмотку силового трансформатора или реактора (СТР), характеризуется значительной постоянной времени, существенно снижающей скорость установления в ней рабочего тока с требуемой погрешностью измерения. На современном этапе развития подобных средств измерений (СИ) достигнутая точность измерения активного сопротивления удовлетворяет выдвигаемым требованиям (ГОСТ 3484.1, п.4.1.4: «Сопротивление обмоток постоянному току следует измерять при помощи приборов классов точности не ниже 0,5»). Временные затраты на измерения, с учётом большого числа отведений в РПН, существенно снижают производительность измерения и испытания подобного электроэнергетического оборудования.
Поэтому возникает актуальная задача повышения быстродействия средств измерения активного сопротивления обмоток СТР с сохранением или улучшением точностных показателей СИ.
Для реализации современных методов испытаний используются цифровые измерители сопротивления (ЦИС). В настоящее время рынок предлагает массу ЦИС, порой с идентичными характеристиками. Доступные литературные материалы показывают, что ЦИС относятся к перспективному
Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением ПО -150 кВ в эксплуатации. // Электрические станции. 2001. № 9. С.53-58.
виду средств измерения. Разработкой конструкций и серийным выпуском ЦИС заняты многие предприятия и фирмы в России и за её пределами (такие фирмы как «ADWEL» (Канада), «С-А Schuetz Messtechnik» (Германия), «Megger» (США), «Sonel» (Польша), «АВИАСТЭК», «ИНФРОХРОМ-99», «СКБ ЭП ИСЭМ» (Россия).
В разработку методов измерения сопротивления внесли большой вклад коллективы, возглавляемые такими известными учёными, как Карандеев К.Б., Шляндин В.М., Волгин Л.И, и другие.
Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом ЦИС (такие как «MMR-620», «MMR-630» («Sonel», Польша), «Мико-2.3» («СКБ ЭП ИСЭМ», Россия)) имеют высокие метрологические характеристики, однако их потенциальное быстродействие (десятки и более измерений в секунду) не используется в виду значительной инерционности измерительной цепи. Этот недостаток частично устраняется в ряде приборов, если используется принцип форсирования рабо4е.і о тока (такие модели ЦИС как «ИСО-1», «РЕТ-МОМ» и «ПТФ-1»; «МКИ-200» и «МКИ-600» (Россия)). Вопросу повышения быстродействия омметров для диагностики СТР уделяется большое внимание вот уже на протяжении 50 лет. Вопросам коррекции динамических характеристик измерительных цепей и преобразователей посвящены работы Харченко P.P., Грановского А.В., Колосова О.С., Мелентьева B.C. и других учёных.
Решение проблемы повышения быстродействия приборов актуально и для современных, достаточно дорогих приборов, обладающих значительными вычислительными и измерительными мощностями. Использование в практике измерений априорной информации об объекте и обработка отсчётов мгновенных значений переходного процесса в измерительной цепи позволяет существенно сократить временные затраты на преобразование информации и разработать новые алгоритмы измерения параметров обмоток силовых трансформаторов и реакторов без магнитопровода на основе методов динамических измерений и двухканального инвариантного преобразования измерительных сигналов.
Целью работы является повышение быстродействия измерения сопротивления обмоток силовых трансформаторов и реакторов постоянному току и разработка структуры и алгоритма работы быстродействующего цифрового измерительного прибора с улучшенными точностными характеристиками для испытания токоведущего контура СТР.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести критический анализ быстродействия алгоритмов работы и структур современных приборов, способов и средств коррекции динамических характеристик входной измерительной цепи (ИЦ).
-
Исследовать метод динамического измерения (ДИ) сопротивления обмоток СТР, инвариантный к постоянной времени входной ИЦ прибора, который позволяет получить оценку сопротивления обмотки значительно раньше
завершения переходного процесса (ПП) в этой цепи с требуемой
погрешностью.
3. Разработать алгоритм и структуру цифрового прибора, основанные на
методе ДИ, инвариантного к изменению сопротивления ИЦ прибора с целью
повысить точностные характеристики быстродействующего измерителя для
испытания токоведущего контура.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы динамических измерений и анализа динамической погрешности, теории линейных цепей и сигналов, теории автоматического управления, а также метод имитационного моделирования.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
-
На основе единого подхода к оценке эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС произведено сравнение различных алгоритмов.
-
Разработана классификация способов коррекции динамической характеристики измерительной цепи. Классификация позволила найти перспективный для построения ЦИС способ цифрового ДИ, основанный на методе выбранных точек.
-
При помощи имитационного моделирования установлено, что существует область параметров трё'хточечного алгоритма ДИ определяющая его работоспособность.
-
Получены аналитические выражения для расчета максимальной погрешностей оценки асимптоты от шума квантования сигнала ПП и параметров алгоритма.
-
Разработаны рекомендации по практической реализации трёхточечного алгоритма ДИ. Разработана двухканальная структура ЦИС и алгоритм её работы, реализующий трёхточечный алгоритм ДИ.
Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:
-
Проведён сравнительный анализ эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС, основанных на коррекции динамической характеристики входной ИЦ прибора.
-
Разработана структура и алгоритм работы цифрового измерителя активного сопротивления высокоиндуктивной обмотки, основанная на принципе ДИ постоянной величины путём обработки мгновенных значений ПП во входной ИЦ.
-
Разработаны рекомендации по реализации предложенных структур.
-
Результаты работы используются в учебном процессе (в курсовом и дипломном проектировании) на кафедре «Информационно-измерительной техники» ГОУВПО «МЭИ (ТУ)».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: МНТК «Наука, образование, инновации: приоритетные направления развития», организованной МГТУ им. Н.Баумана,
МЭИ (ТУ), Киргизским гос. тех. ун-т, (г. Бишкек, 2009г.); II Всероссийской НТК «Измерение и испытания в судостроении и смежных отраслях «СУДОМЕТРИКА-2008», организованной Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, (г. Санкт-Петербург, 2008г.); МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», организованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008, 2009 гг.); МНТК «Информационные средства и технологии», организованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008-2010 гг.).
Внедрение результатов работы. Работа выполнялась в рамках госбюджетной фундаментальной НИР № 1026091 «Разработка теоретических вопросов создания аппаратно-программного обеспечения информационно-измерительных систем (ИИС) в электроэнергетике (ЭЭ)» и хоздоговорной НИР № 2204080 от 02.06.2008 г. «Разработка автоматизированной многоканальной измерительной системы для измерения временных характеристик резистивньгх регуляторов под нагрузкой (РПН), активного сопротивления обмоток силовых высоковольтных РПН-трансформаторов и снятия вольтамперных характеристик трансформаторов тока силовых высоковольтных трансформаторов» с НП «ИНВЭЛ». Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического института (ТУ) при подготовке специалистов по направлению «Информатика и вычислительная техника» (230100).
Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в контрольных точках результатов аналитического и имитационного моделирования.
Положения, выносимые на защиту
-
Классификация и сравнительный анализ алгоритмов коррекции динамической характеристики входной измерительной цепи ЦИС.
-
Результаты исследования влияния параметров алгоритма выбранных точек, реализующего метод ДИ, на методическую погрешность оценки результата измерения. В качестве независимых параметров алгоритма выбраны следующие: разрядность цифрового эквивалента мгновенных значений ПП в ИЦ; относительная длительность интервала обработки сигнала; относительный момент начала интервала обработки по отношению к началу ПП. Рекомендации по практической реализации трёхточечного алгоритма ДИ.
-
Структура ЦИС, реализующая алгоритм выбранных точек метода ДИ, отличающаяся наличием двух каналов преобразования мгновенных значений тока и напряжения ИЦ, позволяющая уменьшить влияние возмущающих факторов в ИЦ.
-
Результаты исследования способа форсирования тока в измерительной цели показали, что время действия этого режима целесообразно определять по текущей погрешности установления тока в измерительной цепи. Это обеспечивает максимальную эффективность этого способа коррекции динамической характеристики ИЦ.
Соответствие паспорту специальности. Цель и объект исследования диссертационной работы состоит в существенном совершенствовании известных методов и средств измерений, обусловленных требованиями развития науки и техники.
Значение решённых в диссертационной работе задач, относящихся к данной специальности, состоит в совершенствовании измерителя активного сопротивления, что соответствует п.5 области исследования паспорта специальности о совершенствовании существующих методов и способов обеспечения единства измерений в области измерений электрических величин.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна работа депонирована в ВИНИТИ РАН РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, библиографического списка, включающего 97 источников. Основная часть работа изложена на 158 страницах, содержит 45 рисунков и 31 таблицу.
