Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор методов и приборов для диагностики высоковольтного электрооборудования 18
1.1. Конструкции силовых трансформаторов 18
1.1.1. Основные элементы трансформаторов 18
1.1.2. Магнитопровод и обмотки 20
1.1.3. Система охлаждения 24
1.1.4. Системы регулирования напряжения 26
а) переключающие устройства без возбуждения (ПБВ) 30
б) регуляторы напряжения под нагрузкой (РПН) 31
1.2. Разновидности РПН 33
1.2.1. Переключающие устройства реакторного типа 33
1.2.2. Быстродействующие переключающие устройства с токоограни- чивающими резисторами 37
а) типа PC (болгарские) 37
б) типа PHTA-Y-35/200 (отечественные) 41
в) типа РНОА (украинские) 44
г) типа SDV, SAV, SCV (германские) 46
1.3. Основные методы контроля силовых трансформаторов 51
1.3.1 Традиционные методы диагностики силовых цепей обмоток высоковольтных трансформаторов 53
а) определение группы соединения 53
б) измерение омического сопротивления 62
в) измерение силы тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении 70
г) измерение коэффициента трансформации 73
д) измерение полного сопротивления короткого замыкания 76
е) измерение индуктивности рассеяния 80
1.3.2. Осциллографирование токов в контактных системах быстродействующих РПН 82
1.3.3. Осциллографирование круговых диаграмм переключающих устройств 90
1.4. Методы диагностики высоковольтных выключателей 96
1.5. Методы диагностики средств защиты от перенапряжения 100
1.6. Методы контроля трансформаторного масла 105
1.6.1. Определение температуры вспышки 107
1.6.2. Измерение влагосодержания 112
1.7. Методы регенерации отработанного трансформаторного масла 112
ГЛАВА 2. Автоматизированные устройства для диагностики обмоток силовых трансформаторов 115
2.1. Структура цифрового осциллографа и описание его работы 116
2.2. Автоматизированное устройство для измерения омического сопротивления 129
2.2.1. Актуальность автоматизации измерения омического сопротивления при диагностике трансформаторов 129
2.2.2. Структура и работа автоматизированного устройства 134
2.3. Автоматизированное устройство для определения группы соединения... 139
2.4. Автоматизированное устройство для измерения полного сопротивления короткого замыкания 141
2.5. Автоматизированное устройство для измерения коэффициента трансформации 146
2.6. Автоматизированное устройство для измерения силы тока и потерь
холостого хода при малом однофазном возбуждении 151
ГЛАВА 3. Ресурсосберегающие методы диагностики регуляторов напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов 156
3.1. Методика осциллографирования контактной системы трехфазных РПН в режиме интродиагностики и её теоретическое обоснование 157
3.2. Виды выявляемых неисправностей токоограничивающих резисторов в режиме интродиагностики 172
3.3. Методика диагностики РПН с обособленными контакторами и приводами и её теоретическое обоснование 174
3.4. Осциллографирование контактной системы РПН, в котором контактор, переключатель и привод выполнены в едином блоке 180
3.5. Автоматизированный метод осциллографирования круговой диаграммы переключающих устройств с применением цифрового осциллографа 189
3.6. Способ измерения индуктивности рассеяния обмоток трансформатора... 197
3.6.1. Примеры исполнения способа измерения индуктивности рассеяния
высоковольтной обмотки силовых трансформаторов 202
ГЛАВА 4. Разработка автоматизированных ресурсосберегающих методов и устройств для диагностики высоковольтных выключателей и средств защиты от перенапряжения 210
4.1. Разработка методики диагностики контроля выключателей типа ВМТ-
110 кВ, ВМТ-220 кВ с помощью тепловизора 211
4.2. Диагностика высоковольтных выключателей без вскрытия бака 222
4.3. Измерение собственного времени включения и отключения 241
4.4. Диагностика вентильных разрядников с помощью тепловизоров 249
4.5. Тепловизионный контроль ограничителей перенапряжения 251
4.6. Разработка автоматизированного устройства для измерения пробивного напряжения вентильных разрядников 255
ГЛАВА 5. Приборы и устройства для диагностики, исследования и регенерации диэлектрических жидкостей 262
5.1. Разработка автоматизированного устройства для измерения температуры вспышки трансформаторного масла 263
5.2. Экспериментальное исследование выделения водорода из трансформаторного масла методом КАРС с применением ВКР-бигармонической накачки 272
5.2.1 .Актуальность экспресс-контроля газов в трансформаторных маслах 272
5.2.2. Исследование выделения водорода из трансформаторного масла типа ГК после импульсного электрического пробоя 274
а) схема эксперимента 274
б) выделение водорода при разложении трансформаторного масла 277
5.2.3. Исследование выделения водорода из трансформаторного масла под действием ультразвука 281
5.2.4. Измерение коэффициента диффузии водорода в трансформаторном масле 286 5.3. Актуальность корректного отбора проб трансформаторного масла на хроматографический анализ 291
5.4. Разработка методики и устройства для отбора проб трансформаторного масла с высоковольтных герметичных вводов 500...750 кВ 296
5.5. Разработка автоматизированного устройства для измерения концентрации водорода и влаги в трансформаторного масле 303
5. 6. Ресурсосберегающий метод регенерации отработанного трансформаторного масла 310
5.6.1. Электрофоретические процессы в жидком диэлектрике 310
5.6.2. Схема эксперимента для очистки трансформаторного масла 318
5.6.3. Устройство для очистки трансформаторного масла 325
Заключение 329
Литература 332
Приложения: Приложение 1. Каналы напряжения и тока многофункционального
- Осциллографирование токов в контактных системах быстродействующих РПН
- Автоматизированное устройство для измерения полного сопротивления короткого замыкания
- Методика диагностики РПН с обособленными контакторами и приводами и её теоретическое обоснование
- Разработка автоматизированного устройства для измерения пробивного напряжения вентильных разрядников
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке и созданию прогрессивных автоматизированных ресурсосберегающих методов, приборов и устройств для диагностики, измерения, определения технических параметров и характеристик высоковольтного электрооборудования, такого как высоковольтные выключатели, средства защиты от перенапряжений, регуляторы напряжения под нагрузкой, силовые трансформаторы, а также исследованию заполняющих их диэлектрических жидкостей.
Актуальность темы
Разработка новых принципов и методов измерений физических величин, таких как сила тока, напряжение, сопротивление, индуктивность, мощность, частота колебаний, коэффициент трансформации преобразователей напряжения, температура и т.д., существенно увеличивающих точность, чувствительность и быстродействие измерений, актуальна для проведения различных физических экспериментов в энергетике. Например, при диагностике высоковольтного электрооборудования все эти физические величины приходится измерять и контролировать в виде конкретных параметров: полного сопротивления короткого замыкания трансформаторов, коэффициента трансформации обмоток, силы тока и потерь холостого хода, омического сопротивления постоянному току, времени переключений контактов контактора и сопротивления токоограничивающих резисторов переключающих устройств, собственного времени включения и отключения, шунтирующих сопротивлений, скорости и разновременности работы контактной системы высоковольтных выключателей (ВВ), пробивного напряжения вентильных разрядников, температуры вспышки горючих жидкостей, влаго- и газосодержания диэлектрической жидкости (ДЖ).
Важными элементами высоковольтного электрооборудования в энергетике являются силовые трансформаторы, выключатели и средства защиты от перенапряжений. Все они представляют собой сложные и дорогостоящие устройства, диагностика и эксплуатация которых требуют создания методов и приборов для измерения вышеперечисленных физических величин.
За последнее время произошли существенные изменения в приборном оснащении диагностики и контроля силовых высоковольтных трансформаторов (СВТ) благодаря применению цифровых измерительных устройств и новых методов обработки данных. В частности, появились высокоразрешающие тепловизионные приемники, высокочувствительные приборы для измерения частичных разрядов, множество разновидностей осциллографов и регистраторов, легко сопрягаемых с персональным компьютером, различные модификации хроматографов,
позволяющие количественно определять содержание газов в диэлектрической жидкости, залитой в силовой трансформатор и др.
Однако для определения электрических параметров и характеристик силовых цепей высоковольтных трансформаторов, выключателей, параметров разряда средств защиты от перенапряжений все еще пользуются различными приборами, не отвечающими современным требованиям. К таким приборам относятся стрелочные амперметры, вольтметры, гальванометры, мосты постоянного тока, вибрографы, а также светолучевые осциллографы и др. Поэтому разработка методов и создание унифицированных приборов, установок и устройств для диагностики, измерения и испытания силовых цепей обмоток высоковольтных трансформаторов, выключателей и средств защиты от перенапряжений на базе микропроцессорной техники являются актуальной задачей.
Одним из способов регулирования напряжения в электрических сетях является выбор ответвлений на обмотках СВТ. Регулирование напряжения за счет изменения числа витков при отключенной нагрузке не обеспечивает требуемую оперативность для системы управления электроснабжением. В связи с этим применяют трансформаторы, снабженные специальными коммутаторами, обеспечивающими переключение ответвлений обмоток под нагрузкой, именуемые регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН). Выход из строя РПН приводит к аварии всего трансформатора. Мировой опыт показывает, что экономический ущерб от случайной аварии мощного силового трансформатора, связанный только с остановкой промышленных предприятий из-за отсутствия питающего напряжения, исчисляется миллионами долларов, не говоря уже о весьма крупных затратах, необходимых для восстановления его работоспособности. В связи с этим предъявляются весьма высокие требования к надежности РПН.
В настоящее время в системе электроэнергетики и на промышленных предприятиях России и за рубежом диагностику РПН осуществляют традиционным методом - вскрытием его бака и сливом из него трансформаторного масла. Такой метод диагностики является дорогостоящим, трудоемким и весьма продолжительным. Необходимо особо отметить, что нарушение технологии откачки масла и последующей его заливки приводит к ухудшению его диэлектрических свойств, снижению сопротивления изоляции бакелитового цилиндра бака РПН и сопротивления изоляции обмоток трансформатора в целом, а также к увеличению вероятности загрязнения окружающей среды и т.п. Кроме того, при отрицательных температурах и повышенной влажности атмосферы вскрытие бака РПН недопустимо. В силу всего этого, разработка методов диагностики регуляторов напряжения под нагрузкой без вскрытия его бака и откачки из него ДЖ является
весьма актуальной. В данной работе для обозначения подобных методов диагностики высоковольтного электрооборудования введен термин «интродиагностика».
Другим важным элементом силовых цепей являются высоковольтные выключатели (ВВ). Передача электроэнергии потребителю в значительной мере определяется их безотказной и надежной работой. Важными техническими параметрами ВВ являются собственное время включения и отключения, временные, скоростные, ходовые характеристики, переходное сопротивление контактной системы, целостность (исправность) шунтирующих сопротивлений. Необходимо отметить, что измерение и определение всех этих параметров и характеристик ВВ целесообразно осуществлять методами интродиагностики в рабочих режимах.
В качестве защиты электрооборудования, от так называемых грозовых волн, возникающих в линиях электропередач, применяются вентильные разрядники (ВР) и ограничители перенапряжений (ОПН), которые относятся к средствам защиты от перенапряжения. Одним из эффективных методов контроля работоспособности этих устройств является определение их пробивного напряжения. К сожалению, до сих пор не разработаны и не созданы установки, позволяющие в автоматизированном режиме с высокой точностью измерять действующее значение пробивного напряжения, определять и другие параметры элементов средств защиты от перенапряжения. Решение этих задач также важно для техники физического эксперимента.
В высоковольтных электрических аппаратах в качестве охлаждающей и изолирующей среды широко применяется трансформаторное масло (ТМ). Надежная работа маслонаполненного электрооборудования зависит от качества заливаемой в него ДЖ. Важными эксплуатационными характеристиками ТМ являются пробивное напряжение, влагосодержание, содержание растворенных газов, температура вспышки и т.д. Однако для измерения указанных его характеристик в энергетической отрасли пользуются приборами, не отвечающими современным требованиям. Автоматизация устройств для исследования и контроля ДЖ позволяет увеличить точность измерений, исключает ошибки при проведении анализов, обеспечивает удобство и безопасность работ. Такие приборы также крайне необходимы при проведении различных физических экспериментов: исследование частичных разрядов в ТМ, лазерный пиролиз ДЖ и др. В то же время существует проблема очистки ТМ, бывшего в эксплуатации. Следовательно, актуальны разработка и создание автоматизированных приборов для определения качества трансформаторного масла и устройств его очистки от углеродосодержащих и иных примесей.
Таким образом, перечень поставленных научных задач данной диссертационной работы и их решения можно представить в виде структурной схемы (см. рис. 1).
Ресурсосберегающая диагностика высоковольтного электрооборудования
Диагностика силовых трансформаторов Q] 35...750 кВ
Диагностика средств защиты от перенапряжения
Интродиагностика высоковольтных выключателей [J] 35...750кВ
Диагностика трансформаторного масла
Цифровая диагно
стика силовых цепей
обмоток высоковоль
тных трансформа-
І1.1 | торов
Проведение статистических исследований температурно-го поля вентильных
разрядников
Разработка устройства для измерения временных харак-
теристик
Разработка автоматизированного прибора для измерения температуры
вспышки
1.1.1
Разработка метода и устройства для измерения омического СО-ПРОТИВЛеНИЯ постоян-
ному току
Разработка экспериментальной установки для измерения параметров разряда 2.2 элементов ВР
Разработка устройства для измерения скоростных харак-
. теристик
Ъ2\
Разработка автоматизированного прибора для измерения влагосодержания 4.2
Разработка устройст
ва для определения
группы соединения
обмоток
1.1.2
Диагностика
высоковольтных
вводов
Разработка устройства для измерения ходовых характеристик
3.3
4.3
Разработка автоматизированного прибора для измерения концентрации
водорода
Разработка устройства для измерения коэффициента трансформации
1.1.3
Разработка метода и
устройства для отбора проб масла на хроматографический 1.2.1 анализ
Разработка метода
диагностики
шунтирующих
сопротивлений
3.4
Разработка методики
для измерения коэффициента диффузии водорода
4.4
<—>
Разработка устрой
ства для измерения
тока и потерь
холостого хода
1.1.4 I 1.3.1
Диагностика магнитопровода
Разработка метода тепловизионного контроля выключателей типа BMT
Разработка установки
для очистки
отработанного
трансформаторного
4.5 масла
Разработка устройства для измерения
полного сопротивления короткого 1.1.5 замыкания
Разработка метода
осциллограф и рова-
ния токов РПН типов
1.4.2
Разработка устройства для измерения
собственного време-ни включения и от-
3.6 ключения ВВ
Изучение влияния ультразвука на разложение диэлектрической жидкости
4.6
Разработка методов осциллографирова-ния токов РПН типов РНОА, PHTA-35/200 1.4.1
Интродиагностика
регуляторов
напряжения под
нагрузкой
1.4
*^->
Разработка метода и устройства для ос-циллографирования круговой диаграммы 1.4.3 I РПН
Разработка способа
диагностики
токоограничивающих
резисторов РПН
1.4.4
Рис. 1. Обобщенная структурная схема научных задач, решенных в диссертационной работе
Цель работы - разработка прогрессивных автоматизированных ресурсосберегающих методов, приборов и устройств для диагностики высоковольтного электрооборудования, исследования и определения наиболее важных их параметров.
Достижение этой цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:
-
Автоматизация устройств и разработка методов для диагностики и измерения следующих параметров и характеристик обмоток силовых высоковольтных трансформаторов: омического сопротивления постоянному току, полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого хода, а также определение группы соединения.
-
Разработка функциональной схемы цифрового осциллографа (ЦО) и соответствующего программного обеспечения для автоматизации измерения параметров и характеристик обмоток силовых трансформаторов, электрических цепей РПН, а также высоковольтных выключателей и вентильных разрядников.
-
Создание методов интродиагностики процессов переключений контактной системы и токоограничивающих резисторов различных типов РПН, а также осциллографирование круговой диаграммы РПН силовых трансформаторов.
-
Разработка, создание автоматизированных методов и устройств для измерения скоростных, ходовых, временных характеристик, собственного времени включения и отключения, а также шунтирующих сопротивлений высоковольтных выключателей в режиме интродиагностики.
-
Проведение статистических исследований температурного поля внешних поверхностей высоковольтных выключателей и вентильных разрядников с помощью тепловизионных приемников от частоты возникновения в них дефектов.
-
Разработка и создание экспериментальной автоматизированной установки для измерения параметров разряда средств защиты от перенапряжения.
-
Разработка и создание автоматизированных приборов и устройств для исследования, контроля и диагностики трансформаторного масла.
-
Создание автоматизированной ресурсосберегающей установки для очистки отработанного трансформаторного масла, имеющего высокое содержание углеродосодержащих примесей.
Объект исследования - высоковольтное электрооборудование: средства защиты от перенапряжений, выключатели, силовые трансформаторы, регуляторы напряжения под нагрузкой и заполняющие их диэлектрические жидкости.
Предмет исследования - разработка, создание автоматизированных методов и приборов для диагностики элементов высоковольтного электрооборудования.
Методы исследования. В диссертационной работе использован комплексный метод, включающий теоретическое обоснование и экспериментальную реализацию проведенных исследований и полученных результатов. Работа выполнялась с применением достижений современной микроэлектроники и компьютерных
технологий на действующем высоковольтном электрооборудовании, эксплуатируемом на предприятиях энергосистем. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин и статистические методы обработки результатов исследований.
Достоверность результатов разработок и исследований подтверждена в серии работ по комплексному обследованию и диагностике силовых высоковольтных трансформаторов, выключателей, вентильных разрядников на действующих распределительных устройствах подстанций в системе энергетики России. Достоверность результатов также подтверждена в работах по автоматизации приборов для исследования и контроля диэлектрических жидкостей, в работах по разработке методики и устройства для очистки отработанного трансформаторного масла. Обоснование теоретических положений разработанных методик выполнено с опорой на установленные физические законы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и точности физических измерений.
Достоверность результатов работ также подтверждается внедрением полученных решений, разработок, созданных приборов и устройств в промышленность с получением большой экономической выгоды.
Положения, выносимые на защиту
-
Определение группы соединения обмоток, измерение омического сопротивления высоковольтной обмотки, силы тока и потерь холостого хода при малом однофазном возбуждении, коэффициента трансформации и полного сопротивления короткого замыкания трансформатора можно осуществлять в автоматическом режиме с помощью одного прибора, состоящего из специального коммутатора, трехканального источника напряжения постоянного тока и многоканального цифрового осциллографа.
-
Применение мобильного помехоустойчивого многоканального ЦО совместно с трехканальным стабилизированным источником напряжения постоянного тока позволяет осуществлять интродиагностику РПН, включающую измерение времени переключения контактов контактной системы, осциллографирование круговой диаграммы, определение переходного сопротивления контактной системы контактора, а также контроль целостности токоограничивающих резисторов.
-
Соединение линейных выводов высоковольтной обмотки автотрансформатора с его нейтралью разветвляет измеряемые токи по обмоткам среднего и высокого напряжения так, что на каждой фазе силового автотрансформатора создаются две взаимно компенсирующие друг друга магнитодвижущие силы, и тем самым
достигается возможность измерения временных параметров процесса переключения контактора без вскрытия баков РПН и слива трансформаторного масла.
-
Интродиагностику высоковольтного выключателя, включающую измерение и определение его параметров и характеристик (скорость и ход подвижных частей, собственное время включения и отключения, разновременность работы контактов и шунтирующих сопротивлений) можно осуществлять одним устройством, состоящим из многоканального цифрового осциллографа, сопряженного с блоком активных сопротивлений, трехканальным источником напряжения постоянного тока и датчиком ускорения.
-
Разработанный метод тепловизионного контроля выключателей типа ВМТ позволяет проводить диагностику всех семи его контактных соединений.
-
Применение оригинального помехозащищенного цифрового осциллографа в составе созданной автоматизированной экспериментальной установки для определения параметров разряда средств защиты от перенапряжения уменьшает погрешность измерения пробивного напряжения.
-
О работоспособности вентильных разрядников 15...750 кВ, находящихся под рабочим напряжением, можно судить по экспериментально установленным корреляциям между температурным полем их внешних поверхностей и выявленными дефектами.
-
Разработанный оригинальный датчик вспышки горючих жидкостей позволяет создать автоматизированный прибор для измерения температуры вспышки трансформаторного масла.
-
Исследование процесса десорбции водорода из диэлектрической жидкости методом лазерной спектроскопии антистоксова рассеяния света позволяет оценить коэффициент диффузии водорода в трансформаторном масле и создать методику для корректного отбора проб жидкости на хроматографический анализ растворенных в ней газов (ХАРГ) с высоковольтных герметичных вводов 500...750кВ.
10. Трансформаторное масло, содержащее большое количество взвешенных
углеродных частиц, влаги и газов, можно очистить турбулентной
электроконвекцией, возникающей в жидком диэлектрике за счет пондеромоторных
сил в неоднородном переменном электрическом поле.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем: 1. Новыми являются метод и устройство для измерения омического сопротивления, устройства для измерения и определения полного сопротивления короткого замыкания, коэффициента трансформации, силы тока и потерь холостого
хода при малом однофазном возбуждении, группы соединения обмоток силовых высоковольтных трансформаторов, работающих в автоматическом режиме.
-
Впервые предложены и реализованы автоматизированные методы интродиагностики различных типов РПН и ВВ, позволяющие существенно сократить время измерений, сэкономить значительные материальные средства и исключить возможность загрязнения окружающей среды. Разработан метод тепловизионного контроля выключателей типа ВМТ.
-
Впервые разработана и создана установка для автоматического измерения пробивного напряжения вентильных разрядников, позволяющая уменьшать погрешность с 10 до 0,5 %.
-
Разработан автоматизированный прибор для измерения температуры вспышки диэлектрической жидкости с погрешностью ±1 С, а также предложен новый метод для определения влаги и растворенного водорода в трансформаторном масле.
-
Методом лазерной спектроскопии изучена эффективность выделения водорода из трансформаторного масла под действием ультразвука.
-
Новыми являются разработанный способ отбора проб трансформаторного масла с высоковольтных герметичных вводов 500...750 кВ для проведения хроматографического анализа и разработанное устройство для его осуществления.
-
Новым является применение турбулентной электроконвекции, возникающей в неоднородном электрическом поле, для очистки трансформаторного масла с целью существенного уменьшения концентрации механических примесей и увеличения пробивного напряжения.
Новизна разработанных методов и устройств подтверждена патентами РФ на изобретения.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что разработанные автоматизированные методы, приборы и устройства для диагностики параметров и характеристик силовых трансформаторов, высоковольтных выключателей и вентильных разрядников существенно увеличивают точность измеряемых величин. Они уменьшают время проведения измерений с занесением полученных результатов в компьютерную базу данных для последующего архивирования, хранения и использования. Значительно сокращают трудовые и материальные затраты, сводят к минимуму вероятность загрязнения окружающей среды. Ресурсосберегающий электроконвективный способ очистки позволяет эффективно и с малым потреблением электрической энергии дегазировать, очищать трансформаторное масло от углеродосодержащих примесей, влаги и газов.
Разработанные методы диагностики высоковольтных трансформаторов, выключателей и вентильных разрядников, способ отбора пробы масла на ХАРГ с
высоковольтных герметичных вводов 220...750 кВ и измерение температуры вспышки горючих жидкостей внедрены и успешно используются на предприятиях энергетики России.
Экономический эффект от внедрения разработок диссертационной работы в промышленность России составил более 160 млн. руб. в ценах 2008 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе: на
второй Российской университетско-академической научно-практической
конференции (Ижевск, 1995); на 28-ой научно-производственной конференции
Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (Ижевск, 1998); на
Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях
«Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» ИТЭЭ 1996, ИТЭЭ 2002, ИТЭЭ 2006 (Чебоксары, 1996, 2002, 2006); на III, VI и VII Всероссийских научно-технических конференциях «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 1999, 2005 и 2007 гг.); на 4-м Международном российско-китайском симпозиуме "Advanced materials & processing" (Пекин, 1997); на XV, XXI и XXV-й Международных межвузовских школах-семинарах «Методы и средства технической диагностики» (Йошкар-Ола, 1998, 2004, 2008); на Международной конференции по нелинейной оптике (Минск, 2001); на Международной конференции по квантовой электронике (Москва, 2002); на XXVI сессии семинара «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (с международным участием, г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2004); на XXVII сессии семинара «Электроснабжение», (г. Новочеркасск, 2006); на Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития», (Томск, 2007).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в одной монографии, в 22 патентах РФ на изобретения, в 4 свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ, в 59 статьях в научно-технических журналах и сборниках, из них 30 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций.
Личный вклад. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит постановка общих и конкретных задач, нахождение методов и путей их решения, развитие и обоснование экспериментальных методов, выполнение экспериментов; получение, интерпретация и обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований диэлектрической жидкости, а также создание методов диагностики высоковольтного электрооборудования, разработка алгоритмов,
написание компьютерных программ и создание базы данных для испытания высоковольтного электрооборудования; объединение полученных результатов в единое целое.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и приложений. Общий объем работы - 377 страниц, в том числе 12 страниц приложений. Основная часть работы изложена на 332 страницах текста, включает 145 рисунков, 16 таблиц и список использованных источников (352 наименования).
Осциллографирование токов в контактных системах быстродействующих РПН
При наладочных испытаниях электроприводов, генераторов, высоковольтных выключателей и другого оборудования осциллографы позволяют осуществлять визуальное наблюдение и запись переменных во времени электрических процессов или неэлектрических величин, преобразованных в электрические [8].
Обычно в качестве устройства для этих целей применяли многоканальные осциллографы типов Н11, Н13 и им подобные, или магнитоэлектрические осциллографы со светолучевой записью на фотоленте [9]. Эти устройства обладали рядом недостатков. К их числу относится неудобство при осциллографировании, заключающееся в трудности синхронизации запуска осциллографа с началом процесса регистрации измеряемых величин, что влекло за собой излишнюю трату фотобумаги или фотоленты. Другими недостатками осциллографов типов Н11, Н13 являются проявление изображения осциллограмм на фотобумаге в специально оборудованной лаборатории, а также невозможность создания базы данных в электронном виде и ручная обработка осциллограмм. По этим причинам для повышения метрологических характеристик обследования высоковольтного оборудования, одним из перспективных направлений ускоренной и автоматизированной диагностики является применение микропроцессорных устройств и цифровых методов обработки результатов измерений и испытаний, которые не нашли еще широкого и повсеместного использования в практической деятельности инженерных служб в электроэнергетике [10].
Поэтому разработка методов и создание унифицированных приборов, установок и устройств для диагностики, измерения и испытания силовых цепей обмоток высоковольтных трансформаторов, выключателей и средств защиты от перенапряжений на базе микропроцессорной техники являются актуальной задачей.
Одним из способов регулирования напряжения в электрических сетях является выбор ответвлений на обмотках СВТ. Регулирование напряжения за счет изменения числа витков при отключённой нагрузке не обеспечивает требуемую оперативность для системы управления электроснабжением. В связи с этим применяют трансформаторы, снабженные специальными коммутаторами, обеспечивающими переключение ответвлений обмоток под нагрузкой, именуемые регуляторами напряжения под нагрузкой (РПН). Выход из строя РПН приводит к аварии всего трансформатора. В связи с этим предъявляются весьма высокие требования к надежности РПН.
В настоящее время в системе электроэнергетики и на промышленных предприятиях России и за рубежом диагностику РПН осуществляют традиционным методом - вскрытием его бака и сливом из него трансформаторного масла. Такой метод диагностики является дорогостоящим, трудоемким и весьма продолжительным. Необходимо особо отметить, что нарушение технологии откачки масла и последующей его заливки приводит к ухудшению его диэлектрических свойств, снижению сопротивления изоляции бакелитового цилиндра бака РПН и сопротивления изоляции обмоток трансформатора в целом, а также к увеличению вероятности загрязнения окружающей среды и т.п. Кроме того, при отрицательных температурах и повышенной влажности атмосферы вскрытие бака РПН недопустимо. В силу всего этого, разработка методов диагностики регуляторов напряжения под нагрузкой без вскрытия его бака и откачки из него ДЖ является весьма актуальной. В данной работе для обозначения подобных методов диагностики высоковольтного электрооборудования введен термин «интродиагностика» [11].
Другим важным элементом силовых цепей являются высоковольтные выключатели (ВВ). Передача электроэнергии потребителю в значительной мере определяется их безотказной и надежной работой. Важными техническими параметрами ВВ являются собственное время включения и отключения, временные, скоростные, ходовые характеристики, переходное сопротивление контактной системы, целостность (исправность) шунтирующих сопротивлений. Необходимо отметить, что измерение и определение всех этих параметров и характеристик ВВ целесообразно осуществлять методами интродиагностики в рабочих режимах.
Нами разработан и внедрен в повседневную практику ряд методов интродиагностики и модификаций цифровых устройств на базе мобильного помехозащищенного микропроцессорного осциллографа (регистратора) динамических процессов для цифровой диагностики и контроля наиболее ответственных силовых элементов энергообъектов и их уязвимых узлов. Освоение цифровых методов и новых микроэлектронных устройств для осуществления интродиагностики высоковольтных электрических аппаратов позволяет повысить точность измерений, сократить время проведения диагностики высоковольтного электрооборудования, автоматизировать обработку результатов, а также существенно облегчить работу оперативного персонала и формирование интегрированных баз данных контроля электрооборудования энергетических компаний и отдельных предприятий.
В качестве защиты электрооборудования, от так называемых грозовых волн, возникающих в линиях электропередач, применяются вентильные разрядники (ВР) и ограничители перенапряжений (ОПН), которые относятся к средствам защиты от перенапряжения. Одним из эффективных методов контроля работоспособности этих устройств является определение их пробивного напряжения. К сожалению, до сих пор не разработаны и не созданы установки, позволяющие в автоматизированном режиме с высокой точностью измерять действующее значение пробивного напряжения, определять и другие параметры элементов средств защиты от перенапряжения. Решение этих задач также важно для техники физического эксперимента.
Автоматизированное устройство для измерения полного сопротивления короткого замыкания
Угол её наклона соответствует значению магнитной проницаемости; точка, в которой кривая выравнивается в верхней части (точка /W), соответствует точке магнитного насыщения, а площадь, ограничиваемая кривой AMNM A, соответствует гистерезису [13].
Тонкие пластины из листовой стали, из которых состояли сердечники первых трансформаторов, характеризовались значительными потерями на гистерезис. Впоследствии потери постепенно начали снижаться за счет тщательного подбора сталей, поставляемых различными производителями, к 1900 г. эти потери были уменьшены вдвое. Возникла также проблема, связанная со старением материала: чем дольше эксплуатировался трансформатор, тем выше становились потери на гистерезис. С 1900 года рабочие характеристики материала для сердечников были значительно улучшены.
В начале 1900-х годов английский исследователь-металлург Роберт А. Хедфилд провел серию экспериментов с целью установить, каким образом добавки других элементов влияют на свойства железа. В ряде публикаций Хедфилд и его коллеги указывали на перспективность использования кремнистой стали в качестве материала для сердечников. При добавлении кремния потери на гистерезис в железе уменьшались, магнитная проницаемость повышалась, эффект старения практически полностью исчезал, а электрическое сопротивление металла возрастало. Однако производство кремнистой стали натолкнулось на трудности, и прошло несколько лет, прежде чем компания Хедфилда поставила заказчикам свою первую тонну трансформаторной стали. В течение последующих 17 лет применение этого материала позволило электроэнергетической промышленности сэкономить около 340 млн. долл. - по тем временам это была колоссальная сумма.
Следующий скачок в технологии производства сердечников был сделан в начале 30-х годов, когда американский металлург Норман П. Госс, сотрудник компании Cold Metall Process Company, установил, что при комбинированном воздействии проката и нагревания у кремнистой стали появлялись незаурядные магнитные свойства в направлении прокатки. Эффект, физической сущности которого Госс тогда не понимал, заключался в том, что благодаря такой обработке главные оси частиц железа выстраивались в одном направлении, что приводило к коллективному магнитному взаимодействию. Если сердечник, изготовленный из такого материала, был соответствующим образом ориентирован в трансформаторе, магнитное насыщение увеличивалось на 50 %, потери на гистерезис сокращались в 4 раза, а магнитная проницаемость возрастала в 5 раз.
Поскольку теперь металл нужно было специальным образом ориентировать в сердечнике, технологию производства сердечников также потребовалось изменить. Уже нельзя было просто штамповать Ш-образные пластины из сплошных стальных листов. Чтобы добиться оптимальных характеристик, нужно было вырезать каждую ножку Ш отдельно. До 1941 г. открытие Госса не нашло широкого применения в производстве, но в последующий период оно сыграло важную роль в дальнейшем усовершенствовании трансформаторов [14-22].
Охлаждающие устройства предназначены для отвода тепла, выделяющегося в трансформаторе при его работе, в окружающую среду. Без таких устройств невозможна длительная работа трансформатора, так как бумажная изоляция подвержена износу (старению) при недопустимом превышении температуры. Если в трансформаторах малой мощности (I и II габаритов) для отвода тепла достаточен гладкий бак или бак с трубчатыми радиаторами, то для отвода тепла трансформаторов средних или больших мощностей требуется сложная система охлаждения.
В трансформаторах III габарита и выше по мере роста мощности применяют следующие системы охлаждения: -естественное масляное охлаждение (типа М); -масляно-дутьевое охлаждение (типа Д); -масляно-дутьевое охлаждение охладителями, установленными на баке и обдуваемыми мощными вентиляторами, с принудительной циркуляцией масла, создаваемой масляными насосами (типа ДЦ); -масляно-водяное охлаждение отдельно установленными колонками, в которых масло охлаждается водой, с циркуляцией масла, создаваемой масляными насосами (типа Ц); -система охлаждения с направленным потоком масла в обмотках трансформаторов (НДЦ, НЦ) [23]. Основными комплектующими узлами таких систем охлаждения являются маслонасос, маслоохладитель, вентилятор (отсутствует в случае водяного охлаждения) и адсорбер. Подача масла от охладителей производится, как правило, в промежуток между стенкой бака и активной частью. Однако в ряде конструкций для повышения эффективности теплосъема и тем самым исключения перегревов отдельных элементов активной части масло подается направленно в обмотку. В этом случае в нижней части трансформатора (бака) маслосистема связана бакелитовым патрубком с нижней ярмовой изоляцией обмотки. Такая система циркуляции масла более эффективна, но вместе с тем резко возрастает степень опасности перегревов в случае внезапного аварийного прекращения движения масла. Трансформатор такой конструкции при прекращении движения масла нести нагрузку не может. В противоположность направленной системе охлаждения трансформаторы с подачей масла в бак могут непродолжительно работать после прекращения движения масла. Такая система более надежна и в другом отношении. В случаях повреждения маслонасосов продукты разложения масла и истирания подшипников не попадают непосредственно в обмотку и не перекрывают изоляционные промежутки, снижая прочность изоляции. Поэтому направленную систему циркуляции масла в конструкциях новых трансформаторов применяют в крайних случаях и обязательно вместе с экранированными маслонасосами и фильтром тонкой очистки [24, 25].
Существенными недостатками систем ДЦ и НДЦ являются: неравномерное распределение потоков масла и воздуха через отдельные насосы и вентиляторы; невозможность плавного регулирования и соответственно невозможность поддержания оптимального количества прокачиваемого масла и температуры его верхних слоев.
Попытка увеличить плавность регулирования приводит к усложнению схем управления, увеличению числа коммутационных аппаратов и уменьшению их ресурса. Эти недостатки (особенно первый) обуславливают повышенные затраты электроэнергии в системе охлаждения и повышенный износ подвижных механических частей [26]. В этой же статье предлагается для исключения указанных недостатков оснастить вентиляторы и насосы системы охлаждения регулируемым электроприводом.
Одним из отечественных масляных насосов, применяемым в системе охлаждения силовых трансформаторов, является масляный насос типа АНМТ100/8 - продукция завода "Агрегат" (г. Москва) [27].
Методика диагностики РПН с обособленными контакторами и приводами и её теоретическое обоснование
Самым простым устройством регулирования напряжения является переключающее устройство без возбуждения. Однако эти устройства, во-первых, требуют отключения трансформатора от сети для перестановки регулировочных ответвлений, а во-вторых - ручного выполнения этой процедуры обслуживающим персоналом. По этим причинам регулирующие устройства РПН нашли широкое применение в энергетике и в настоящее время постепенно вытесняют регуляторы типа ПБВ.
Среди класса устройств типа ПБВ, наиболее распространены переключающие устройства барабанного типа однофазные (П) или трехфазные (ПТ) с кольцевыми, сегментными (С) и ламельными (Л) контактами.
Основными элементами устройства ПБВ являются система неподвижных контактов, соединенная с соответствующими регулировочными ответвлениями обмотки, и система подвижных контактов, соединяющая последовательно те или иные неподвижные контакты.
Наиболее распространенным устройством без возбуждения является ПБВ барабанного типа П-6. Управление переключателем осуществляется ручным приводом, расположенным на крышке бака. Вал привода с помощью штанги связан с коленчатым валом переключателя. Переключатель типа П-6 обеспечивает регулирование в пределах пяти положений. Наряду с переключателями барабанного типа применяются переключатели реечного типа с ламельными контактами [29-30]. б) регуляторы напряжения под нагрузкой (РПН) Регулятор напряжения под нагрузкой состоит из переключателя, контактора с главными, дугогасительными и вспомогательными контактами с мощными пружинами и токоограничивающими резисторами, приводного механизма. По сути дела ПУ представляет собой механический программный аппарат. Переключатель (избиратель ответвлений) предназначен для выбора нужного ответвления обмотки, т.е. его контакты подключают необходимую ступень регулировочных ответвлений. Контакты переключателя несут длительную токовую нагрузку, однако в процессе перехода с одной ступени на другую они полностью обесточиваются с помощью контакторного устройства, т.е. контакты переключателя не производят разрыва токовой цепи. Контакторное устройство (контакторы) предназначено для изменения и отключения тока в цепях переключающего устройства, предварительно подготовленных к этому избирателем (переключателем). Токоограничивающий резистор (ТР) предназначен для кратковременного замыкания регулировочной части обмотки между работающим и вновь вводимым ответвлением. Резистор ограничивает циркулирующий ток, возникающий в контуре, и обеспечивает перевод нагрузки с одного ответвления на другое без прерывания тока нагрузки трансформатора. Приводной механизм предназначен для управления работой контакторного устройства и избирателя ответвлений. Привод может осуществляться с помощью электродвигателя или ручным способом. В зависимости от применяемых токоограничивающих резисторов все переключающие устройства делятся на два основных класса: а) ПУ с реакторами (индуктивными сопротивлениями); б) ПУ с активными токоограничивающими резисторами [29, 30]. Для регулирования напряжения на силовом трансформаторе применяют два вида переключений: 1) переключение ответвлений обмоток без возбуждения, т.е. после отключения всех обмоток трансформатора от сети; 2) переключение ответвлений обмоток под нагрузкой - регулирование напряжения под нагрузкой [18]. Регулятор напряжения является одним из важных и в то же время одним из уязвимых узлов в силовом трансформаторе. По этой причине на промышленных предприятиях и на предприятиях энергосистем ему уделяется большое внимание. Одним из основных видов его неисправностей является повреждение контактов контактора вследствие искрения, перегрева, оплавления и выгорания. В настоящее время для регулирования напряжения под нагрузкой применяется много разновидностей устройств регулирования. В частности, в системе энергетики Чувашской республики эксплуатируемые силовые трансформаторы, снабженные РПН с активными токоограничивающими резисторами (РС , РНТА , РНОА , ЭОИ, ЭА]/ , ЭСУ6), составляют значительную долю (72 %) от общего числа СВТ; причем из них только 2 % имеют РПН типа РНОА. Однако здесь необходимо учесть следующее обстоятельство. Дело в том, что эти регуляторы предназначены для регулирования напряжения на линейных выводах обмотки силовых трансформаторов напряжением 115 кВ или в нейтрали силовых трехфазных трансформаторов мощностью несколько сотен мегавольт-ампер. Следует также учесть, что обычно такие трансформаторы устанавливаются на узловых подстанциях, поэтому актуальность своевременного выявления дефектов в подобных типах регуляторов также высока. Отметим, что регуляторы напряжения типа РС применяются для регулирования напряжения под нагрузкой в силовых трансформаторах напряжением до 220 кВ мощностью только до 100 МВ А [17, 31-33]. В России распространены быстродействующие РПН производства Германии (ЭЛУ, ЭСУ, ЭО\/) и Болгарии (РС и РСГ7), а также отечественные (РНТА, РНОА) [31-33, 34-35]. Все они имеют активные токоограничивающие резисторы. Поскольку эти резисторы не рассчитаны на длительное прохождение тока, время их работы в цикле переключения должно быть ограничено. Ограничение времени прохождения тока через резисторы обеспечивается быстродействием переключающего устройства. Поэтому РПН с токоограничивающими резисторами называют быстродействующими. В работе [36] приведены обозначения устройств РПН.
Разработка автоматизированного устройства для измерения пробивного напряжения вентильных разрядников
Правильность работы переключающего устройства обеспечивается соблюдением определённой очередности работы контактов переключателя и контактора. Кинематика переключающего устройства такова, что во время перехода с одного ответвления на другое работает только контактор. Контакты переключателя в этом случае не работают. В дальнейшем в режиме последовательного переключения ответвлений поочередно функционируют контакты нечетного и четного рядов переключателя. Контакты избирателя нечетного ряда работают всегда в режиме замкнутого правого плеча К\ контактора, а контакты четного ряда избирателя - при замкнутом левом плече Кц контактора. Контакты избирателя в процессе регулирования напряжения цепь тока не разрывают, а только пересоединяют ответвления регулировочной обмотки. Дуга при разрыве цепи тока контактами контактора гасится в нем.
Таким образом, последовательность работы контактной системы такая же, как и у РПН типа РС. В схемах с реверсированием регулировочной обмотки последовательность работы переключающего устройства принципиально не изменяется. В таких устройствах для изменения направления подключения обмотки применяется предызбиратель, контакты предызбирателя работают на седьмом (при семи ответвлениях) или на восьмом (при девяти ответвлениях) положениях. Сначала размыкаются соответствующие контакты избирателя, размыкаются и замыкаются контакты предызбирателя, т.е. происходит реверсирование регулировочной обмотки, и лишь после этого контакты избирателя замыкаются.
Следовательно, контакты предызбирателя срабатывают при разомкнутых контактах контактора и избирателя четной или нечетной ступеней, в зависимости от того, в каком положении находится (четном или нечетном) переключающее устройство, производится реверсирование регулировочной обмотки. г) типа ЭОУ, БА]/, ЭСУ (германские) В России переключающие устройства Германии используются в основном в силовых трансформаторах, установленных на предприятиях генерирующих компаний. Принципиально все переключающие устройства по своим механическим характеристикам одинаковы и отличаются электрическими данными и числом ступеней. Конструкции контактора, избирателя и предызбирателя аналогичны устройствам переключателя типа РНОА (рис. 1.14) [33, 39]. Переключающие устройства типа БАУ выпускаются в однофазном исполнении и предназначены для регулирования напряжения на линейных выводах или в нейтрали обмотки силового трансформатора. В частности, они применяются для регулирования напряжения в обмотке напряжением 220 кВ в однофазных автотрансформаторах типа АОДЦТН напряжением 500 кВ, мощностью 167000 кВ-А и 267000 кВ-А, и в обмотке напряжением 115 кВ в трёхфазных трансформаторах типа АТДЦТН напряжением 500 кВ, мощностью 250000 кВ-А. Переключающие устройства типа БОУ применяются в силовых трансформаторах типов ТДНС, ТРДН мощностью от 10000 до 80000 кВ А для регулирования напряжения в нейтрали обмотки напряжением 115 кВ. Эти устройства могут применяться для регулирования напряжения в обмотках 35 кВ на линейных выводах. В зависимости от величины тока изменяется число контактов в контакторе. При токах 200...400 А контактор имеет по одному главному и дугогасительному контакту соответственно, при токе 630 А контактор имеет по два главных и дугогасительных контакта соответственно, при токах 250...800 А - по два главных и дугогасительных контакта соответственно с делителем тока, при токе 1600 А - по четыре главных и дугогасительных контакта соответственно с делителями тока. Переключающие устройства типа вСУ используются в трёхфазных трансформаторах типа АТДЦТН-250000/500 мощностью 250000 кВ-А. Все контакторы производства Германии с номинальным током более 400 А имеют сдвоенные дугогасительные, вспомогательные и главные контакты. Главные контакты выполнены розеточными. Для контакторов на токи более 800 А в цепи вспомогательных контактов включены делители тока, облегчающие условия работы контактов при отключении тока, обусловленного падением напряжения на токоограничивающих резисторах. Делители тока расположены на нижнем фланце переключающего устройства под избиратель. Контакторы с номинальным током более 400 А оборудованы так называемым контактом покоя (шунтирующий нож), работающим только после окончания цикла переключения. Контактор заполняется изоляционным маслом с электрической прочностью, не менее 240 кВ/см (более 60 кВ в стандартном пробойнике). Контактор снабжён пружинами, которые для большей надёжности выполнены составными и собираются параллельно. Избиратель в обычном исполнении имеет однополюсное присоединение ответвлений обмоток к неподвижным контактам. В переключающем устройстве на номинальный ток 1600 А избиратель имеет двухполюсное присоединение ответвлений, что даёт возможность отдельного подключения спаренных или параллельно включённых обмоток с ответвлениями. В переключающем устройстве, рассчитанном для работы при токах 800 А и более, применяются делители тока (рис. 1.14, б, в). Электрическая схема регулятора типа БО\/ представлена на рис. 1.15 [19, 28, 39]. К каждому переключающему устройству предусмотрен электрический привод, но при использовании в трёхфазных трансформаторах однофазных переключающих устройств возможно управление от одного привода. Транспортировка переключающих устройств возможна отдельно от трансформатора. Поэтому к ним при монтаже предъявляются специальные требования, которые во всех случаях должны соблюдаться. Несоблюдение их может привести к рассогласованию работы избирателя и контактора, что усложняет наладку переключающего устройства.
