Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов контроля состояния обмоток силовых трансформаторов 12
1.1. Трансформаторы и их назначения в энергосистеме 12
1.2. Методы контроля состояния обмоток трансформаторов 16
1.3. Контроль состояния обмоток трансформаторов импульсным и непрерывным методам частотного анализа 28
Выводы по главе 1 41
2. Контроль состояния обмоток силовых автотрансформаторов методом частотного анализа 42
2.1. Результаты экспериментальных исследований состояния обмоток автотрансформаторов типа АТДЦТН 42
2.2. Описание разработанного пакета прикладных программ в программной среде «Delphi» для обработки результатов контроля состояния силовых трансформаторов по методу измерения АЧХ 47
2.3. Амплитудно-частотныехарактеристикиобмоток среднего напряжения автотрансформаторов 55
2.4. Амплитудно-частотные характеристики обмоток низкого напряжения автотрансформаторов 62 Выводы по главе 2 78
3. Моделирование обмоток силового автотрансформатора атдцтн-200000/220 в программной среде«multisim» 79
3.1. Оценка параметров обмотки НН автотрансформатора АТДЦТН 200000/220 80
3.2. Моделирование АЧХ отдельной фазы обмотки низкого напряжения автотрансформатора 82 3.3. Моделирование АЧХ обмотки низкого напряжения АТ с дефектами 90
Выводы по главе 3 95
4. Контроль состояния обмоток измерительного трансформатора напряжения типа НКФ 96
4.1. Конструкция НКФ-110 и его технические характеристики 96
4.2. Контроль состояния обмотки ВН НКФ-110 методом частотного анализа 103
4.3. Контроль состояние обмоток ВН обмотки НКФ-110 по сопротивлению постоянному току 110
4.4. Моделирование тепловых режимов НКФ-110 в программной среде «ComSol» 113
Выводы по главе 4 120
Заключение 122
Список цитированной литературы 124
Благодарности
- Контроль состояния обмоток трансформаторов импульсным и непрерывным методам частотного анализа
- Описание разработанного пакета прикладных программ в программной среде «Delphi» для обработки результатов контроля состояния силовых трансформаторов по методу измерения АЧХ
- Моделирование АЧХ отдельной фазы обмотки низкого напряжения автотрансформатора
- Контроль состояния обмотки ВН НКФ-110 методом частотного анализа
Введение к работе
Актуальность темы
Силовые трансформаторы (СТ) и автотрансформаторов (АТ) являются основными элементами электроэнергетических систем и сетей. Около 50 % находящихся в эксплуатации трансформаторов имеют срок службы больше 30 лет и выработали свой нормативный ресурс. Для снижения ущерба от аварийных отключений трансформаторов и автотрансформаторов разработана и осуществляется система разнообразного контроля их состояния. Одним из современных и эффективных методов контроля состояния обмоток трансформаторов являются как непрерывный, так и импульсный методы частотного анализа (МЧА). В различных диапазонах частот, как правило, от 10 кГц до 1 МГц можно обнаружить проявления различных дефектов и механических повреждений обмоток силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Изменения индуктивных и емкостных характеристик обмотки, которые возникают при появлении различных дефектов обмотки, существенно влияют на амплитудно-частотные характеристики (АЧХ). Методы частотного анализа обмоток основаны на сравнении АЧХ диагностируемого трансформатора с его же ранее измеренной АЧХ в исправном состоянии. Таким образом, для успешного применения МЧА для контроля состояния обмоток нужно иметь АЧХ трансформатора в работоспособном состоянии. Все вновь выпускаемые силовые трансформаторы и автотрансформаторы имеют заводские (эталонные) АЧХ. Для трансформаторов, выпущенных ранее 2005 года, такие заводские характеристики в основном отсутствуют. Для первичного контроля состояния обмоток силовых трансформаторов, еще не имеющих эталонных АЧХ, был разработан ряд методик: а) сравнение АЧХ различных фаз одного и того же трансформатора; б) сравнение АЧХ одноимённых фаз различных однотипных трансформаторов. Сравнение производится по коэффициенту корреляции. Если коэффициент корреляции меньше 0,96, то трансформатор (автотрансформатор) считается дефектным и его, возможно, следует выводить в ремонт. Диагностическую ценность этих методик первичного контроля следует признать недостаточной. Так, практически любой исправный трансформатор имеет различающиеся АЧХ разных фаз, у которых коэффициент корреляции часто меньше 0,96. Коэффициенты корреляции меньше 0,96 часто наблюдается и при сравнении АЧХ одинаковых фаз однотипных работоспособных трансформаторов. В настоящее время практически отсутствует достаточно надёжная методика первичного контроля силовых трансформаторов и автотрансформаторов. Разработка методики первичного контроля с большей степенью достоверности является актуальной задачей.
Для измерения высоких напряжений в системах учета и контроля вырабатываемой, передаваемой и потребляемой электроэнергии применяются измерительные трансформаторы напряжения (ТН). Эти трансформаторы понижают первичное высокое напряжение (ВН) до напряжения 100 В или
100/л/3 В. В объемах и нормах испытания электротехнического оборудования
для таких ТН не предусмотрен текущий эксплуатационный контроль. Вместе с тем, изменение коэффициента трансформации ТН приводит к систематическим ошибкам учета электроэнергии, экономический ущерб от которых может достигать нескольких миллионов рублей. Разработка простого и эффективного метода контроля состояния обмоток высокого напряжения ТН является насущной актуальной задачей.
Цель диссертационного исследования состоит в разработке
усовершенствованного метода частотного анализа для первичного контроля силовых автотрансформаторов и метода текущего контроля измерительных трансформаторов напряжения.
Объект исследования: силовые автотрансформаторы марки АТДЦТН различной мощности и измерительные трансформаторы напряжения.
Основные задачи диссертации
-
Провести экспериментальные исследования АЧХ обмоток автотрансформаторов с целью проверки достоверности существующих методик и разработки новой методики первичного контроля обмоток силовых автотрансформаторов на основе метода частотного анализа.
-
Разработать и создать комплект программ для обработки и моделирования спектров АЧХ.
-
Провести моделирование спектров АЧХ обмоток силовых автотрансформаторов с различного типа дефектами.
-
Разработать методики текущего контроля состояния измерительных трансформаторов напряжения на основе метода частотного анализа и измерения сопротивления постоянному току.
Методы исследования
Для выполнения поставленных задач были применены элементы теории
длинных линий, теории вероятности и математической статистики, теории
спектроскопии, теории термодинамики и вариационный принцип решения
дифференциальных уравнений. В качестве основных методов исследования
были выбраны импульсный и непрерывный методы частотного анализа и метод
измерения сопротивления постоянному току. Разложение АЧХ на отдельные
спектральные составляющие выполнялось с использованием
специализированных разработанных программ в среде «Delphi».
Моделирование АЧХ обмоток с дефектами выполнялось в модели однородной длинной линии в программной среде «Multisim». Моделирование тепловых процессов при включении и отключении измерительного трансформатора напряжения проводилось по методу конечных элементов в программе «Comsol».
Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов
Достоверность полученных результатов определяется использованием аппаратуры, прошедшей метрологическую поверку; соответствием методик проведения экспериментов утвержденным стандартам на метод частотного анализа и измерения сопротивления постоянному току; использованием апробированных методик и современных программных продуктов для обработки экспериментальных результатов. Полученные результаты не
противоречат результатам других авторов и известным теоретическим положениям.
Научная новизна
-
Усовершенствован метод контроля состояния обмоток низкого напряжения силовых автотрансформаторов на основе первичного измерения спектров АЧХ импульсным методом. Усовершенствование состоит в определении доверительных интервалов частот отдельных спектральных составляющих амплитудно-частотной характеристики обмотки при случайных вариациях электрических параметров автотрансформаторов.
-
Разработан пакет прикладных программ для обработки результатов контроля состояния силовых трансформаторов методом частотного анализа.
-
Создана модель обмотки низкого напряжения автотрансформатора без дефектов и с дефектами на основе представления её как длинной линии и предложена методика определения числа элементов в схеме замещения.
-
Разработан метод текущего контроля состояния обмоток высокого напряжения измерительных трансформаторов напряжения на основе определения сопротивления постоянному току.
Практическая и теоретическая значимость:
К теоретической значимости работы относится методика определения числа элементов в схеме замещения обмотки автотрансформатора, что важно при моделировании обмоток в диапазонах частот, в которых длина электромагнитной волны сопоставима с длинной обмотки.
Разработанные методики контроля могут найти применение в энергетических системах и сетях. Установленные диапазоны частот характерных линий АЧХ обмоток работоспособных АТ позволяют оценить состояние любого подобного автотрансформатора, не имеющего исходных частотных характеристик. Метод контроля состояния обмоток высокого напряжения измерительных трансформаторов напряжения может быть использован в практике эксплуатации на любых электрических станциях и подстанциях, что подтверждается Актом об использовании результатов кандидатской диссертации в ООО «Инженерный центр «Энергопрогресс», г. Казань.
На защиту выносятся:
усовершенствованный импульсный метод частотного анализа для первичного контроля состояния обмоток низкого напряжения силовых автотрансформаторов. Усовершенствование состоит в определении доверительных интервалов частот отдельных спектральных составляющих амплитудно-частотной характеристики обмотки при случайных вариациях электрических параметров работоспособных автотрансформаторов;
пакет прикладных программ для обработки результатов контроля состояния силовых трансформаторов по методу измерения АЧХ;
модель обмотки низкого напряжения силового автотрансформатора без дефектов и с дефектами на основе её представлении как длинной линии и методика определения числа элементов в схеме замещения;
- метод текущего контроля состояния обмоток высокого напряжения
измерительных трансформаторов напряжения на основе определения
сопротивления постоянному току.
Апробация работы.
Основные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX, Х международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения», 2014, 2015 гг., Казань, КГЭУ; Национальном конгрессе по энергетике, 2014 г., Казань, КГЭУ; IX международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 2014 г., Иваново, ИГЭУ; X Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия – 2014», 2014 г., Иваново, ИГЭУ, VII Межвузовской (XII) научно-технической конференции студентов и магистров «Молодая мысль – развитию энергетики», 2014 г., Братск, БрГУ; ХVII и ХVIII аспирантско-магистерских научных семинарах, посвященного дню энергетика, 2013, 2014 гг., Казань, КГЭУ.
Публикации.
Основное содержание работы изложено в 9 научных публикациях, в том числе в 2 статьях в журнале, входящем в перечень ВАК, 1 свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ, 1 статье в другом рецензируемом научном издании и 5 публикациях в материалах всероссийских и международных научных конференций.
Личный вклад автора.
Автор лично участвовал во всех этапах получения результатов, представленных в диссертации и публикациях: в разработке алгоритмов, в написании программ обработки результатов измерений в среде «Delphi», принимал участье в проведение экспериментальных исследований, создании моделей в среде «Multisim» и «Comsol», в анализе и сравнении теоретических и экспериментальных результатов; в подготовке докладов, выступлении на конференциях и написании статей.
Соответствие диссертации научной специальности
Диссертация соответствует специальности 05.11.13 – «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» и охватывает следующие направления паспорта специальности:
П. 1 «Научное обоснование новых и усовершенствование существующих методов аналитического и неразрушающего контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», разделы научной новизны 1, 3, 4.
П. 6 «Разработка алгоритмического и программно-технического обеспечения процессов обработки информативных сигналов и представление результатов в приборах и средствах контроля, автоматизация приборов контроля», раздел 2 научной новизны.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы и приложения. Объем работы – 139 страниц, не
считая приложения на 27 страницах, иллюстрирована 8 таблицами и 81 рисунком. Библиографический список состоит из 133 наименований.
Контроль состояния обмоток трансформаторов импульсным и непрерывным методам частотного анализа
Измерение сопротивления короткого замыкания (Zk) основано на измерении тока через одну из обмоток трансформатора при замыкании накоротко выводов другой обмотки. Измерение производится при низком напряжении промышленной частоты. Этот метод получил широкое применение в России и за рубежом для испытания трансформаторов на стойкость при коротком замыкании или в эксплуатации в соответствии с РД 34.45-51.300-97 [3, 4]. Суть метода заключается в том, что напряжение подается так, чтобы в одной обмотке протекал номинальный ток, когда другая замкнута накоротко. При этом измеряется напряжение на первичной обмотке, которое принимается за напряжение короткого замыкания. По результатам измерения рассчитывается значение сопротивления короткого замыкания Zк. Измерение сопротивления КЗ (Zк) позволяет эффективно выявлять радиальные деформации [11, 41- 46]. Измерение Zк производится с одной стороны с использованием амперметров и вольтметров, включенных в измерительную схему, на отключенном и полностью расшинованном трансформаторе (рис. 1.1).
Напряжение питающей сети должно составлять 380 В, класс точности применяемых приборов - не ниже 0,5 [10]. Предельное отклонение напряжения короткого замыкания и потери мощности при КЗ в трансформаторах не должны превышать ±10% от нормированных значений [9]. Такой метод дает возможность осуществлять непрерывный контроль состояния обмоток без отключения трансформатора от сети. В современной системе непрерывной диагностики производятся постоянные измерения величины тока и напряжения. Полученные данные сохраняются в течение определенного времени в памяти компьютера [11,47]. По истечении определенного времени сохраненная информация о нормальном режиме работы стирается. Данные об аварийном режиме (коротком замыкании) хранятся в течение установленного времени. Эти данные можно рассматривать как данные метода определения сопротивления короткого замыкания. Результаты расчета индуктивности с использованием данных тока и напряжения, снятых при КЗ сравниваются с базовыми или эталонными данными. Автоматическое удаление данных, снятых в нормальном режиме работы объясняется тем, что они занимают большое место в памяти компьютера. Сохраненные данные напряжения (6 байт), тока (6 байт) и время (4 байт) за каждые 50-100 микросекунд занимают в общем 16 Гбайт, что быстро переполняет память компьютера. Хранение информации, снятой за каждые 30 секунд или одну минуту приводит к уменьшению объема данных до 100 кбайт и 50 кбайт соответственно. Вследствие чего выгодно хранить только информацию, снятую во время короткого замыкания. Преимуществом данного метода является возможность непрерывного слежения за состоянием обмоток и быстрого обнаружения дефекта. В соответствии с международным стандартом (IEC 60076-5), полученная индуктивность короткого замыкания не должно отличатся на 2% от исходного значения [4, 10, 48, 49]. Метод измерения сопротивления короткого замыкания Zk имеет высокую чувствительность при определении деформации обмоток, связанной с изменением размеров канала рассеяния и деформации, при которых теряется только радиальная устойчивость обмоток [50]. С другой стороны, основным недостатком метода является низкая чувствительность к обнаружению таких дефектов, как полегание витков, распрессовка обмоток или сползание витков. Фактическое отсутствие изменения сопротивления КЗ не обязательно означает отсутствие опасных деформаций обмоток. Данный метод также не позволяет охарактеризовать тип дефекта. Фазное значение сопротивления короткого замыкания рассчитывается по выражению (1.1) и схема подключения приборов для измерения напряжения короткого замыкания показана на рис. 1.1. В этой схеме измерение сопротивления короткого замыкания проводится на фазе А обмотки ВН-НН. Для измерения на других фазах, переносят амперметр и вольтметр в соответствующей фазе, и замыкают другую обмотку накоротко в зависимости от какого сопротивления короткого замыкания необходимо измерить (обмотки ВН-СН или обмотки СН-НН).
Схема измерения тока и напряжения короткого замыкания трехобмоточного трансформатора (схема и группа соединения Ун/Ун/Д-0-11)
Для выбора значения тока и напряжения короткого замыкания, сначала определяется ожидаемое номинальное значение сопротивления короткого замыкания в Омах из выражения (1.2), номинальный ток определяется по выражению (1.3). Подставляя полученные параметры в выражении (1.1), можно оценивать ожидаемые значения тока и напряжения короткого замыкания для отчета по шкале приборов измерения. Отклонение измерительного значения сопротивления короткого замыкания от базового значения определяется из выражения (1.4). ZТ= 4ном Uk (12) 73 100/ном где [/ном - паспортное линейное номинальное напряжение обмотки трансформатора, кВ; Uк- паспортное напряжение короткого замыкания обмотки трансформатора, %; /ном - номинальный ток обмотки трансформатора, который вычисляется по формуле: где ZТ.б - базисное сопротивление короткого замыкание, Ом; ZТ(50) - измеренное значение сопротивление короткого замыкание приведенное к частоте 50Гц по формуле (1.5).
Метод определения коэффициента трансформации Коэффициент трансформации трансформатора (КТ) позволяет проверить число витков обмоток трансформатора и является отношением первичного напряжения к вторичному напряжению при холостом ходе трансформатора [51, 52]. Коэффициент трансформации силовых трансформаторов можно определить как отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. Изменение числа витков в обмотке приводит к изменению коэффициента трансформации. Это может случиться при межвитковых или межслойных замыканиях в обмотке трансформатора. По методу определения коэффициента трансформации определяется характер дефекта, но невозможно определить его место нахождения. Измеренное значение КТсравнивается со значениями КТ других фаз, или с паспортными (эталонными) значениями.
Разница между измеренным и эталонным значением не должна превышать 2 %. На рис. 1.2 показаны схемы измерения коэффициента трансформации, используемые, когда нет возможности трехфазного возбуждения обмоток высокого напряжения трехфазного трансформатора. При измерении КТ подводимое напряжение должно равняться номинальному напряжению (Uном), и не должно отклоняться на величину больше 1 % от Uном [4, 9,10,52]. Метод измерения коэффициент трансформации позволяет обнаружить обрыв в обмотке, межвитковое замыкание, проверить состояние переключателей ответвлений, но не эффективен при деформации обмоток.
Описание разработанного пакета прикладных программ в программной среде «Delphi» для обработки результатов контроля состояния силовых трансформаторов по методу измерения АЧХ
В данном разделе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований 13 исправных автотрансформаторов типа АТДЦТН разных заводов изготовителей, годов выпуска и номинальной мощности. Массивы экспериментальных данных сведены в единую базу обработка и анализ, которые производится в программной среде «IFRA». Оценено коэффициент корреляции разных фаз одного АТ и разных фаз разных трансформаторов. Проведены также оценка АЧХ обмоток АТ разных годов выпуска и разных годов эксплуатации. Описано методика нахождения диапазонов частот позволяющие проводить контроль исправности или неисправности обмоток трансформаторов по положениям отдельных линий АЧХ.
Измерение методом частотного анализа проводится разными способами в зависимости от схемы и группы соединения обмоток СТ. Под прямым измерением понимают измерение без трансформации тестового сигнала, а переходным является измерением с трансформацией тестового сигнала через другую обмотку. В данной работе измерение проводилось по прямому способу, где к одному концу обмотки подключались источник сигнала, а на другом конце снимались отклик. Схема подключения приборов измерения к объекту изображена в главе 1 на рис. 1.6. Измерение АЧХ фаз обмоток автотрансформатора проведено в разных годах, анализ касается трех групп однотипных автотрансформаторов марок
Третья группа состоит из трех однотипных автотрансформаторов мощностью 250000кВА типа АТДЦТН-250000/220/110, завод изготовитель двух первых АТ – «Запорожский Трансформаторный Завод (ЗТЗ)» с заводскими номерами 105546 (1978 г.), 99079 (1977г.) и 24939 (2012г.) завода изготовителя «Тольятти». Необходимо отметить что, автотрансформаторы, участвующие в исследовании находятся в эксплуатации и имеют срок службы тридцать (30) лет и более. В этих годах, метод частотного анализа не имел широкое применение, и не было предусмотрено заводами изготовителя измерение исходных частотных характеристик их обмоток. Кроме того, до тех спор метод частотного анализа основан на сравнение спектров. Причина отсутствия исходных данных для большинства трансформаторов не позволил развивать данного метода. Нужно отметить еще что, исследуемые трансформаторы находятся в эксплуатации на разных подстанциях республики Татарстан. В этой работе разрабатывается методику контроля механического состояния обмоток автотрансформаторов (или трансформантов), не имеющих исходных данных.
Измерение АЧХ проводилось импульсным методом частотного анализа в разных годах эксплуатации (с 2010г. по 2013г.). Результаты измерения были обработаны с помощью метода математической статистики и спектрального метода нормального распределения Гаусса. Диапазон измерения не превышал 1 МГц.
Как уже отмечалось в главе 1 (п.1.2.6.1), импульсный подход метода частотного анализа является одним из широко применяемых методов измерения амплитудно-частотных характеристик обмоток силовых трансформаторов. Измерения АЧХ тринадцати вышеописанных АТ проводились при помощи прибора «импульс-9» разработчика ВЭИ им. Ленина, г. Москва (см. глава 1). Результаты измерений, приставляющие собой двухмерной массив коэффициентов передач и частот, «импульс-9» сохраняет в базе данных (БД) типа Microsoft office Access. Для визуализации и предварительного экспресс-анализа результатов измерения в состав программного обеспечения прибора импульс-9 входит специализированная программа IFRA (Impulse Frequency Response Analysis). Эта программа удобна для оперативной работы с базой данных по АЧХ трансформаторов. В базе данных предусмотрено сохранение информаций об измерениях АЧХ, которые были сделаны в разные периоды времени. Сравнивать спектры АЧХ можно только для одного и того же трансформатора. В соответствие с методикой контроля состояния обмоток силовых трансформаторов по методу частотного анализа [25, 30, 60, 98,101-103] необходимо проводить сравнение текущей АЧХ с измеренной ранее на работающем исправленном трансформаторе. Программа IFRA позволяет это сделать в удобной форме. При сравнении двух спектров АЧХ можно определить коэффициент корреляции, частоту локальных максимумов на АЧХ, разность частот этих максимумов спектров, как для разных фаз одного и того же трансформатора, так и для одной и тоже фазе, но измеренные в разные периоды времени.
Для анализа спектров амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) при импульсном подходе частотного анализа необходимо перейти на страницу «анализ». На рис. 2. 2 показаны спектры фазы А при положении РПН в точке 1 и 7. Десять локальных максимумов пронумерованы в порядке убывания амплитуды. Можно заметить, что максимумы под номерами 7 сильно различаются по амплитуде, а максимумы с номерами 6 имеют большие различия по частоте (42,72 кГц). Данная разность частот связана с разными позициями РПН, поскольку РПН включает или отключает определенное количество витков в обмотке. Сравниваемые спектры приводится в графической форме с отменными максимумами. Численные значения различий максимумов, как по амплитуде, так и по частоте приводятся в виде отдельных таблиц, что удобно для анализа.
Моделирование АЧХ отдельной фазы обмотки низкого напряжения автотрансформатора
Первичные обмотки трансформатора напряжения (ТН) типа НКФ содержат около 26 тысяч витков и изготавливаются из круглого медного провода диаметром 0,35 мм. Режим работы ТН фактически является режимом холостого хода. Номинальное сопротивление первичной обмотки НКФ-110 имеет величину порядка 4,5 кОм. На рис. 4.1 показаны схемы и вид ТН типа НКФ-110 без фарфорового корпуса.
На рис. 4.1 введены следующие обозначения: I, II – номера каскадов первичной обмотки, П – выравнивающая обмотка, ВН – первичная обмотка, ЭК – экран, НН – вторичные обмотки, А, а, ад , Х, х, хд – обозначения выводов обмоток. Вид первичной обмотки верхнего каскада ТН типа НКФ-110 представлен на рис. 4.2.
Изоляция первичной обмотки ТН типа НКФ рассчитана на половину рабочего напряжения [107, 121, 122-127]. Обмотка ВН состоит из двух частей I и II. Средняя точка обмотки ВН соединена с магнитопроводом (ярмом) трансформатора, который находится под половинным потенциалом и изолирован от заземленного корпуса трансформатора. Недостатком такой конструкции ТН является подверженность продольной (витковой) изоляции повреждениям под воздействием длительных повышений напряжения, а также перенапряжений с крутым передним или задним фронтом (срезом) импульса.
Повреждение продольной изоляции первичной обмотки приводит к возникновению виткового замыкания, что приводит к уменьшению общего числа витков и к уменьшению сопротивления обмотки. Ток, протекающий по поврежденной обмотке, приводит к повышенному нагреву дефектного участка. Локальное повышение температуры обмотки может служить причиной разложения изоляционного масла, образования газовых включений и возникновения частичных разрядов в изоляции ТН.
Всё это является условием развития дефекта, который, в конечном счёте, может вывести ТН из строя. В ряде случаев развитие подобного дефекта происходит молниеносно, что не позволяет выявлять его при периодическом контроле.
Трансформатора напряжения типа НКФ-110 состоит из двух каскадов. Активная часть помещена в фарфоровую покрышку, заполненную трансформаторным маслом. Опорой трансформатора (блока) является цоколь, на который монтируется активная часть и фарфоровая покрышка. Цоколь имеет маслосливное устройство, коробку вторичных выводов, кабельную муфту, бобышки заземления и табличку с техническими данными. Магнитопровод изготовлен из пластин анизотропной, холоднокатаной электротехнической стали. Электропроводящие экраны на обмотках и магнитопроводах улучшают устойчивость трансформаторов напряжения НКФ-110 против ударных атмосферных перенапряжений и снижают уровень частичных разрядов. Конструкция обмоток высокого напряжения – цилиндрическая, многослойная. Данная обмотка состоит из двух последовательно соединённых обмоток, каждая из которых состоит из 44 слоёв обмоток, намотанных виток к витку медным проводом диаметром 0,35 мм и устроенных по принципу трансформаторного ввода для снижения неравномерности радиальной напряженности электрического поля. Вторичная обмотка имеет меньшее количество число витков. Изоляция между слоями выполнена в виде нескольких слоёв пропитанной маслом трансформаторной бумаги, а изоляция между витками достигается за счёт покрытия лаком медного провода и ткань. На двухстержневом магнитопроводе с горизонтальным расположением стержней на каждом стержне на первом ступени намотаны сначала выравнивающая обмотка П, а поверх нее первичная обмотка ВН. Поверх обмотки ВН накладывается электротехнический экран из листовой латуни. На нижнем стержне нижнего каскада, поверх экрана намотаны, вторичные обмотки, которые обозначаются а и х для основной обмотки и ад и хд для дополнительной обмотки рис 4.1.в.
Обмотка ВН ТН имеет цилиндрическую форму, ее конец заземлен. Каскад обмотки состоит из четырех ступеней по одиннадцать слоев. На всю обмотку ВН приходится 88 слоев. Витки обмотки ВН в каждом слое расположены вплотную друг другу (намотка виток к витку). В каждой ступени число витков в слоях 100 одинаково за исключением самого внешнего первого слоя. При таком способе намотки количество витков в каждом ступени можно определить по формуле (4.1), а длину провода в ступени - по формуле (4.2.). Диаметр провода обмотки ВН в изоляции: d=0.35мм. Результаты расчета сведены в таблице 4.1:
Контроль состояния обмотки ВН НКФ-110 методом частотного анализа
Измерение сопротивления постоянному току различных электротехнических устройств является одним из наиболее простых и действенных методов контроля состояния оборудования. Этот метод входит в список рекомендованных методов для контроля и диагностики состояния измерительных трансформаторов напряжения [4], при вводе в эксплуатацию нового электрооборудования и электрооборудования, прошедшего восстановительный или капитальный ремонт и реконструкцию на специализированном ремонтном предприятии. Контроль состояния трансформатора по измерению сопротивления обмотки ВН постоянному току как метод текущего контроля в объемах и нормах испытания трансформаторов напряжения не предусмотрен [4].
Как указывалось в разделе 4.2.2, наиболее распространенным дефектом измерительных трансформаторов типа НКФ является замыкание различного числа витков и слоев. Такие замыкание приводят к изменению коэффициента трансформации и к изменению систематических погрешностей и к изменению высокого напряжения. Замыкание одного слоя обмотки ВН уменьшает число витков на 300, что приводит к снижению коэффициента трансформации на 1,2 %. Такое снижение коэффициент трансформации приводит к завышению учета энергии на 1.2 %. Например, при передаче мощности 100 МВА, ошибка измерения составит 1 МВА. В денежном выражении подобная ошибка обходится в 26 миллионов рублей в год. Совершенно очевидно, что нужен простой метод контроля состояния измерительных трансформаторов в период между обязательными метрологическими проверками ТН на соответствие его классу точности. Таким методом может быть метод контроля состояния обмоток ВН по постоянному току.
В данном разделе описаны эксперименты по измерению сопротивления обмоток высокого напряжения НКФ-110 с дефектами типа «короткое замыкание». Проведен анализ возможных ошибок при определении дефектов, указаны требования к контролирующей аппаратуры и способ снижения погрешности измерений. Проведена оценка постоянной времени нагрева/охлаждения НКФ-110.
Как указано в разделе 4.1 общее сопротивление обмотки ВН составляет величину порядка 4500 Ом. При числе витков обмотки в порядке 26000, сопротивление одного витка составляет 180 мОм, что равно 0.004%. Для того, чтобы определить замыкания одного витка в обмотке ВН нужно использовать измеритель сопротивления, имеющий точность не хуже 0.004%. Подобную высокую точность могут обеспечить только мостовые и двойные мостовые схемы измерения. Стандартный мост постоянного тока типа Р333 выполнен по мостовой схеме и имеет класс точности 0,5. Это означает, что используя любой мост этого класса, мы измерим сопротивление с погрешностью, которая не превышает ± 0,5%. Эту абсолютную погрешность измерение сопротивления можно снизить калибровкой по эталонным сопротивлениям класса точности не ниже 0,005 %. Вместе с тем, такой мост позволяет определить величину сопротивления в диапазоне от 1 до 9999 Ом с точностью до 1 Ом. При величине сопротивления 4500 Ом, точность измерения составляет 1 Ом (по последнему переключателю моста) или 0,02% от общего сопротивления обмотки, что соответствует замыканию пяти витков. При использовании моста Р333 число замкнутых витков может быть определено с тонностью до пяти витков. Поскольку слой содержит в среднем до 300 витков, замыкание двух слоёв легко обнаруживаются с помощью этого моста. В таблице 4.2 представлено результаты измерения сопротивления постоянному току обмотки ВН НКФ-110 с искусственно создаваемыми дефектами.
Одной из основных погрешностей измерения сопротивления является погрешность в измерении температуры обмотки. Ошибка в определение температуры на 1С при температурном коэффициенте сопротивления = 4,3 10" 3 Ом/К при R = 4500 Ом приводит к изменению полного сопротивления обмотки в среднем на 18,4 Ом. Такое изменение сопротивления эквивалентно замыкание больше одного слоя обмотки ТН. Если не учитывать температуру, то можно прийти к ошибочному заключению о дефекте внутри ТН при его исправном состоянии, или наоборот неисправный трансформатор считать исправным. Измерение сопротивление должны проводиться на расшинованном трансформаторе, что возможно во время проведения профилактических работ в распределительных устройствах с отключением напряжения на ТН. При проведении измерения сопротивления нужно знать температуру обмоток ВН трансформатора, которые находятся в трансформаторном масле внутри фарфорового кожуха. Обычно измеряется температура окружающей среды или температура фарфорового кожуха. Температура обмотки запаздывает по отношению к изменению температуры окружающей среды. Для того чтобы более точно учесть различия температур на поверхности кожуха и обмоток, нужно знать постоянную времени нагрева и охлаждения трансформатора. Учёт различия температур позволит снизить погрешности контроля состояния обмоток ВН НКФ по измерению сопротивления постоянному току. Для оценки величины постоянной времени нагрева и охлаждения обмотки ВН НКФ была создана модель измерительного трансформатора в среде «ComSol».