ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ РЕЖИМА НАГРУЗКИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОМ

621.314
М.А. Поляков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ РЕЖИМА НАГРУЗКИ СИЛОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРОМ
Розглядаються теоретичні та практичні питання визначення показнику режиму навантаження потужного масло-наповненного трансформатору та принципи його використання у системі моніторингу та керування трансформатором як узагальнюючого показника ризків прискоренного термічного ізпосу та миттєвого пробою ізоляції трансформатора
Рассматриваются теоретические и практические вопросы определения показателя режима нагрузки силового маслонаполненного трансформатора и принципы его использования в системе мониторинга и управления трансформатором как обобщенного показателя рисков ускоренного термического износа и мгновеннго пробою изоляции трансформатора
ВВЕДЕНИЕ
Системы мониторинга и управления силовыми трансформаторами (СМУ) предоставляют оперативному персоналу подстанции большое количество первичной информации о текущих значениях параметров и условиях использования трансформатора [1, 2]. В долговременной памяти компьютера СМУ организован архив этих значений за предыдущие периоды экс. -тодологии использования этой информации является актуальной задачей имеющей важное теоретическое и . -фицит обобщающих показателей, анализ которых позволил бы своевременно выявить опасные тенденции в использовании трансформатора.
Одной из важных задач, решаемых СМУ в процессе экплуатации трансформатора, является оценка технического состояния его изоляции. Для маслонаполненных силовых трансформаторов в нормативной литературе [36] приведены факторы определяющие термический износ и риск немедленного отказа изоляции.
К моменту написания настоящей статьи, действующими в Украине являются стандарты ДСТУ 346396 и ГОСТ 14209-97 введенные на замену ГОСТ 14209-85. Оба эти стандарта представляют собой полный аутентичный текст стандарта МЭК 354 (1991) "Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов" с добавлениями, набранными курсивом. Сам стандарт МЭК 354 (1ЕС 354), после перехода МЭК на пятицифровые, обозначения стандартов получил обозначение 1ЕС 60354. В настоящее время на замену стандарта 1ЕС 60354 разрабатывается стандарт 1ЕС 60076-7 [5].
В связи с темой статьи отметим, что в официальном издании ГОСТ 14209-97 и ДСТУ 3463-96 в разделе 2.6 , -ем термического износа изоляции. В частности, в формуле "Скорость износа = постоянная * г~р ", определенной на основании формулы (6) стандартов [3, 4], перед коэффициентом р должен стоять знак "+". Фор-
(7) -
янным коэффициентом р в диапазоне температур от 80 до 140 °С. А в примере приложения Ь, эта формула применяется при температурах вне этого диапазона.
(8) -, .
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЙ В стандартах [3-5] даны рекомендации по допустимым режимам нагрузок превышающих номинальную мощность трансформатора, выделены такие ре,
( ) (normal cyclic loading),
аварийных перегрузок (ПАП) (long-time emergency loading) -
грузок (КАП) (short-time emergency loading).
В режиме СН средняя относительная скорость термического износа изоляции не должна превышать .
,
.
риск немедленного пробоя изоляции в результате роста температуры наиболее нагретой точки изоляции. Для каждого режима и категории трансформатора в стандартах установлены предельно допустимые значения тока нагрузки в относительных единицах, температуры масла в верхних слоях и температуры наиболее нагретой точки изоляции.
,
учитывает влияние комплекса факторов на техническое состояние изоляции и его перспективно использовать в СМУ трансформатором в качестве обоб-. ,
, -
пользования показателя режима нагрузки для целей оперативного управления трансформатором в процессе эксплуатации СМУ. Технические возможности , -
, -
формативность показателя режима нагрузки.
Целью исследований является определение показателя нагрузки трансформатора в СМУ трансформа, -
тей повышения информативности.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ В качестве показателя режима нагрузки предлагается использовать следующие показатели:
1.
системе ограничении определяющих один из режимов .
2. Степень близости режима нагрузки к более тяжелому режиму по последствиям для изоляции
.
3. Продолжительность работы трансформатора в определенном режиме нагрузки.
Для определения факта нахождения нагрузки трансформатора в определенном режиме рассмотрим четырехмерное пространство с осями: средняя скорость термического износа изоляции Vav за определенный временной интервал эксплуатации трансформатора; коэффициент нагрузки Kload, температура
масла в верхних слоях 0^ и температура наиболее нагретой точки изоляции 0ікр . Геометрически, заданные в стандартах [3-5], предельно допустимые значения Vavi, К,
loadi
^hpmin < в\hp < ^ihpb
(1)
model =
Vav <1
где Kload 1, в oh 1, в ihp 1 - предельные значения соответствующих параметров для режима СН, установленные в стандарте;
model "
",
(1)
X если (0 < Kload < Kload1)AND (вoh min < вoh < вohl')AND (вihp min < вihp < вihpї)AND (2)
Vav < 1
0, ,
AND - .
mode2
" ", -
model
неравенств
Kload < Kload2;
вoh<вoh2; (3)
в hp < в hp2,
1 < V < V
av av max
ГДе Kload2 , 0oh2 , 0^р2 - Предельные Значения СООТветствующих параметров для режима ПАП, установленные в стандарте; Vav тах - максимальная допустимая для пользователя скорость Vav . Логическую про-
mode 2 =
(4)
0ohI , 0гhpг ДЛЯ і - Г0 режима нагрузки определяют в этом пространстве некоторую область Мі, а актуальные значения Vav, К1оаЛ , 0^ ,
0ЦгР - т0ЧКУ X . Факт нахождения нагрузки трансформатора В І - М режиме имеет место если X С Мі .
Аналитически режим СН зададим системой неравенств
0 - Kload - К1оаЛ;
0оЬтт— 0oh — 0оМ;
цедуру определения значения переменной model опишем выражением
1, есл и NOT (model) AND
(Kload - Kloadl)AND (©oh - ©ohl)AND (©ihp -©ihpl)AND
1 < Vav - Vav max ’
0, иначе,
где NOT - логическая операция HE.
Другим словами, из выражения (4) следует, что model = 1 если не выполняется хотя бы одно неравенство из (1) и выполняются неравенства (3).
Логическую переменную mode3 "режим КАП", определим по результатам проверки значения переменных model, model и неравенств
Kload — Kload 3’
©oh - ©oh 3; (5)
©ihp — ©ihp3;
1 < V < V
av av max
где Ko
в„„, в,.
4oadз, ^ohз, ^ihp3 - предельные значения СООТветствующих параметров для режима КАП, установленные в стандарте. Логическую процедуру определения значения переменной mode3 опишем выражением
1, есл и NOT(mode1)AND NOT(mode2) AND
(Kload - Kload3 )AND (©oh - ©oh3)AND (@ihp - ©ihp3)AND
mode3 =
(6)
(1 < Vav < V
);
mode4 =
(7)
av тах 0, иначе
Нормативная литература [3] не содержит определения режима нагрузки, в котором не выполняется хотя бы одно из неравенств (5). Назовем такой режим "режимом недопустимых перегрузок" (НП). Логическую процедуру определения значения переменной mode4 для этого режима опишем выражением
1, ЄСЛИ (Kload > Kload3) ОЯ
(0oh > 0oh3) OR(0ihp > 0Лрз)°К
(V > V )• av тах'’
0, ,
где ОЯ - логическая операция ИЛИ.
Требует уточнения методика определения актуальных значений параметров режима нагрузки трансформатора средствами СМУ. Если температура 0ок
, -ределяются в результате расчета и (или) логических .
Так, коэффициент К1оаd рассчитывается по формуле /Кот , где - измеренный ток нагрузку
а 1пот - номинальный ток нагрузки. В общем случае различные части изоляции трансформатора могут ра-
ботать в разных режимах нагрузки. Например, в результате неравномерной нагрузки трансформатора по фазам или обмоткам. В этом случае для расчета К1оай выбирается наиболее нагруженная фаза обмотки.
Значение средней скорости ау вычисляется по формуле [5]:
Т
1 епй
0
15000
ihp min
V=
av
1
(Tend - Tbegin )
Tb
(8)
begin
15000 110+273
- ln(Tnorm /T
- 273 °С. (13)
V -
; Tbegin , Tend -
времени начала и окончания определения средней
Vav . V,
от материала из которого выполнена изоляция, определяется по формулам:
-для обычной бумаги, применяемой в трансформаторах, отвечающих требованиям ГОСТ 11677 (non-thermally upgraded insulation paper [5])
V = 2(0ihp- 98)/6; (9)
-
(thermally upgraded insulation paper [5])
15000 Л
15000___________
,110 + 273 &ihn+273
V = ек- ihp J. (10)
Реально, "мгновенная" скорость V определяется на начало временного интервала At обновления параметров в СМУ и считается постоянной в пределах этого интервала. Величина А^оставляет единицы минут (At = 2 мин в СМУ [2]) и соизмерима с постоянной времени обмотки трансформатора. Целесооб-At
развития более "тяжелого" режима.
Уточним границы применимости формул (9) и (10). Как уже отмечалось, стандарты [3, 4] ограничи-
(9) -
более нагретой точки изоляции в диапазоне 80-140 °С. Применение этой формулы, например при температуре 56 °G, дает относительную скорость износа 0,0078.
25 -
реть 25/0.0078 = 3205 лет! В этих условиях опреде-, - , не связанный с током нагрузки.
В стандарте [5] введение формул (9) и (10) обосновано ссылкой на стандарт [6] и также не содержит
указаний о нижней границе температур Qihp min в
этих формулах и, соответственно, минимальной скорости износа изоляции Vavmin. Предлагается оценивать минимальную скорость износа по формуле
V = T / T (11)
min norm ' хр > VА
где Tnorm - нормальный срок службы изоляции в ус-
ловиях эксплуатации трансформатора; Тхр - нормальный срок хранения трансформатора без нагрузки. После подстановки в (11) значения Vmm(Qihpmin) из
формул (9) и (10), соответственно получим:
©ihp min = 98 + 6 log 2 (Tnorm / Txp ) °C. (12)
Например, при Тпогт = 25 дат и Тхр =400 лет, получим по формулам (12) и (13) ®Ыр т1П , соответственно 74 °С и 84 °С. Вопрос о верхней границе скорости износа требует дополнительного исследования, поэтому, будем полагать, что формулы (9) и (10) справедливы вплоть до температур при которых произойдет пробой изоляции. Таким образом, скорость V будем определять по формулам (9), (10), если
®йр ^ ®йр т1п , иначе примем V = Утт .
Величину временного интервала Тепё - ТЬе^п вычисления средней скорости Vav целесообразно установить в зависимости от "тяжести" режима: для режима ОН - календарные сутки; для режима ПАП - (3
- 4) величины постоянной времени трансформатора; -для режима КАП - полчаса и для режима НП - (1 - 2) величины А1.
Температура ®Ыр измеряется с помощью специ,
методикам [3-5] как функция измеренных значений температур окружающей среды, верхних слоев масла и выбранного коэффициента температуры наиболее .
,
" "
оценки "степени тяжести" более "тяжелого" режима нагрузки. Так, параметры, не удовлетворяющие требованиям режима СН, могут быть использованы для оценки "степени тяжести" режима ПАП. Например, очевидно, что одновременное невыполнение ограничений режима СН по всем параметрам это более тяжелый режим, чем, если не выполнено только одно .
, -
ственной оценкой превышения ограничений.
Выполним эту оценку с использованием теории .
"степени тяжести" /'-го режима нагрузки как лингвистическую переменную Wi, определенную на числовом интервале [0, 1]. Значение вычислим по алго-
ритму Мамдани с помощью нечеткого контроллера с входными лингвистическими переменными коэффициента К1оай , температуры ®оЫ масла в верхних слоях, температуры ®Ыр наиболее нагретой точки изоляции и средней скорости Vav износа изоляции.
Область определения входных лингвистических переменных контроллера Wi для режимов СН, ПАП и КАП - это интервалы значений [0, К1оаШ ],
[ ®оЫт1п , ®оЫ ], [ ®/Ирт1п , ®/Ир/ ], [0, Vavi ], ^Де Vavi -
ограничение по скорости Vav для i - го режима. Для режима НП верхние границы соответствующих интервалов предлагается устанавливать с учетом возможностей конкретного трансформатора выдержи-
вать недопустимые перегрузки. Например:
Kload4 = (2 + 3)Kload3 , 0 oh4 = (1.1 + 1.3) 0 oh3 ,
0ihp4 = (1.05 +1.1)0ihp3 , Vload4 = (2 + 5)Vload3 .
При определении терм-множеств входных и выходной лингвистических переменных контроллера Wi ограничимся тремя термами с условными наименованиями малое (L), среднее (M) и большое (B) значение
-
принадлежности Z - образной (для терма L), трапециевидной (для терма M) и S - образной (для терма B) формы. Условия правил контроллера Wi представляют собой объединение с помощью операции нечеткой конъюнкции "И" подзаключений о принадлежности значения каждой входной переменной определен. :
IF( K^ =”B”)AND( 0 oh =”B”)AND( 0^ =”B”)A ND( Vm =”B”)THEN( Wi =”B”).
В соответствии с требованиями стандарта IEC 61131-7, контроллер Wi представлен в форме про-FCL (Fuzzy Control Language).
Продолжительность работы трансформатора в определенном режиме нагрузки может быть использована как показатель "степени тяжести" нагрузки. ,
режимах нагрузки ПАП, КАП и НП за некоторый промежуток времени - индикатор негативных тенденций
,
.
При использовании показателя нагрузки трансформатора в СМУ необходимо дополнительно решить : -та показателя и корректность исходных данных; выбрать наиболее критичную часть изоляции трансформатора; выполнить расчет текущего значения показателя; выполнить расчет динамики изменения показателей по сравнению с предыдущими значениями и визуализировать результаты оценок и расчетов.
Невозможность расчета показателя нагрузки может быть вызвана отказами датчиков, модулей и каналов доставки данных в приложение человеко-, -
ре АРМ оператора СМУ. Отказы датчиков распознаются путем анализа значений тегов данных или кон, -
состояния аналогового входного модуля контроллера СМУ. Факт неполноты входных данных целесообразно визуализировать и отразить в подсистеме тревож-, -
грузки выполнить с оценкой недостающих данных, например по последнему считанному "нормшіьному" .
Визуальная компонента проекта приложения визуализации СМУ трансформатора, в части оценки режима нагрузки трансформатора, может включать: графические дисплеи рассчитанных показателей; экраны текстовых сообщений о тревожных тенденциях динамики значений показателей режима нагрузки и
; , круговые и (или) столбиковые диаграммы соотношения продолжительности нахождения трансформатора в каждом режиме нагрузки в некоторый период вре-( , , . .).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показатели режима нагрузки учитывают комплекс факторов определяющих риски эксплуатации трансформатора с точки зрения технического состояния его изоляции.
Предложенные определения и показатели режимов нагрузки предполагается использовать при разработке программного обеспечения СМУ.
В стандартах по нагрузке масляных силовых , , в стадии разработки, не учтены особенности оценки режимов работы трансформаторов с помощью авто.
, -
раметров и оценки технического состояния изоляции, будет полезна для совершенствования этого перспек-.
ЄПИССЖ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pink T, Stewart P. Power Transformer Control System Developments providing improved reliability and increased overload capacity // Proceeding of TechCon®2004 North America (San Antonio, Texas, January 28,29, 2004), pp 73-88.
2. Рассальский A.H. Система мониторинга и управления
.- -
. 2005, 2.
3. 3463-96 масляних трансформаторів.
4. 14209-97. -
ляных трансформаторов.
5. IEC 60076-7 Ed. 1: Power transformers - Part 7: Loading guide for oil-immersed power transformers. Final draft international standard.
6. IEEE standard C57.91: 1995, IEEE Guide for loading mineral-oil-immersed transformers.
Поступила 22.10. OS
Поляков Владимир Сергеевич, к.т.н., доц.
Запорожский национальный технический университет Украина, 69063, Запорожье, ул. Жуковского, 64, ЗНТУ,
" " тел.(061) 228-16-10, e-mail: polyakov@zntu.edu.ua