Васильева Кристина Владимировна. Автоматизированная система диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов распределительных электрических сетей

Краткое описание

Васильева Кристина Владимировна. Автоматизированная система диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов распределительных электрических сетей;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ)
имени М.И. Платова»
На правах рукописи
Васильева
Кристина Владимировна
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СУХИХ
ТРЕХФАЗНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
05.14.2 - Электрические станции и электроэнергетические системы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент С.С. Костинский
Новочеркасск - 2022
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ СПОСОБОВ ДИАГНОСТИКИ АКТИВНОЙ ЧАСТИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В РАМКАХ РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ «ЦИФРОВОЙ РАЙОН ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ» И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИИ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ 16
1.1 Увеличение потерь ХХ силовых трансформаторов при увеличении
срока их эксплуатации 16
1.2 Обзор современного состояния и перспектив развития конструкции
магнитной системы силовых трансформаторов 20
1.3 Тенденция применения сухих силовых трансформаторов в
распределительных электрических сетях 25
1.4 Обзор способов диагностики технического состояния активной
части силовых трансформаторов 29
1.5 «Цифровой район электрических сетей» как основа для реализации
концепции «интеллектуальной» электрической сети 36
1.6 Выводы к главе 1 41
ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА СПОСОБА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕРЬ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СУХОМ СИЛОВОМ ТРЕХФАЗНОМ ДВУХОБМОТОЧНОМ ТРАНСФОРМАТОРЕ В РЕЖИМЕ ONLINE И ОЦЕНКА РЯДА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ ЕГО ПРИМЕНЕНИИ 44
2.1 Обзор способов определения потерь в силовых трансформаторах 44
2.2 Способ определения потерь электрической энергии в активной части
силового трансформатора при равномерном графике нагрузки в номинальном режиме основанный на мониторинге его температуры и окружающей среды 51
2.3 Способ определения потерь электрической энергии в активной части
силового трансформатора при неравномерном графике нагрузки основанный на мониторинге его температуры и окружающей среды 57
2.4 Исследование суточных графиков изменения величины коэффициента
загрузки силовых трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях 64
2.5 Влияние изменения величины напряжения питания силовых
трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях на величину потерь ХХ 72
2.6 Экспериментальное исследование влияния температуры окружающей
среды на величину потерь в магнитопроводе сухого силового трехфазного двухобмоточного трансформатора 80
2.7 Выводы к главе 2 88
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ СУХИХ ТРЕХФАЗНЫХ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ 93
3.1 Методика диагностики технического состояния магнитной системы
сухих трехфазных силовых трансформаторов 93
3.2 Обзор современных, серийно выпускаемых устройств и датчиков
измерения температуры 95
3.3 Автоматизированная система диагностики технического состояния
магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов 100
3.4 Апробация работы автоматизированной системы диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных
силовых трансформаторов в действующих распределительных сетях 117
3.5 Экспериментальная апробация работы автоматизированной системы
диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов на физической модели 123
3.6 Выводы к главе 3 143
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное) Протокол юстировки устройства
диагностики магнитопровода сухого силового трансформатора 172
ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное) Патент и свидетельства о регистрации
программ для ЭВМ 183
ПРИЛОЖЕНИЕ В (справочное) Сведения о внедрениях 187

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результатом выполнения диссертационной работы является решение актуальной научно-технической задачи совершенствования методов online диагностики технического состояния сухих трехфазных силовых трансформаторов без вывода их из эксплуатации с целью снижения потерь при транспортировке электрической энергии.
Основные результаты работы заключаются в следующем:
1. Обоснована необходимость разработки методики online диагностики технического состояния магнитной системы силовых трансформаторов, эксплуатируемых в распределительных сетях, по критерию величины потерь активной электрической энергии на основе сведений, приведенных в литературных источниках, свидетельствующих об увеличении в них потерь ХХ.
2. Разработан способ определения потерь активной электрической энергии в сухом силовом трехфазном двухобмоточном трансформаторе, позволяющий, не выводя силовой трансформатор из эксплуатации, рассчитывать потери отдельно в обмотках и магнитной системе.
3. Установлено и экспериментально оценено влияние ряда факторов, таких как: коэффициент загрузки силового трансформатора, отклонение напряжения питающей сети и температуры окружающей среды, оказывающих негативное влияние на достоверность результатов работы разработанной методики диагностики технического состояния магнитной системы:
- на основании паспортных данных заводов-изготовителей для сухих силовых трансформаторов номинальной мощностью от 40 до 1600 кВА марок ТС(З) и ТЛС, производимых предприятиями, расположенными на территориях Российской Федерации и Европейского Союза (13 предприятий), было установлено, что влияние величины коэффициента загрузки силового трансформатора на точность определения потерь активной мощности в магнитной системе будет оказываться при его значении в среднем выше 0,46;
- статистическая обработка данных замеров суточных графиков нагрузки, измеренных на 33 трансформаторных подстанциях 6 (10) / 0,4 кВ с силовыми трансформаторами номинальной мощностью от 100 до 630 кВА, эксплуатируемых в распределительных сетях г. Новочеркасска, показала, что среднее арифметическое значение коэффициентов загрузки трансформаторов составляет 0,195, а значение медианы - 0,18. Объем исследуемой совокупности составил свыше 28 тыс. значений. При этом в течение суток максимальный коэффициент загрузки трансформаторов из общей исследуемой совокупности, находящийся в пределах от 0,47 до 0,54 составляет примерно 1 %. Таким образом, влияние разогрева обмоток на точность расчета величины потерь по разработанному способу будет наблюдаться только в 1 % случаев;
- для оценки влияния значения питающего напряжения на шинах ВН силового трансформатора на величину потерь его ХХ были выполнены экспериментальные измерения в действующих электроустановках. Суточные измерения величины междуфазных напряжений на фидерах 6 (10) кВ выполнялись на главных понизительных подстанциях НГ-5, НГ-7 и АС-10. Объем исследуемой совокупности по каждой фазе составил свыше 39 тыс. значений. При этом усредненное значение медианы для междуфазных напряжений на фидерах 6 кВ составило 6,24 кВ, а на фидерах 10 кВ - 10,43 кВ, что соответствует положительным отклонениям напряжений соответственно равным 4 % и 4,3 %. Следовательно, влияние отклонения напряжения питающей сети приведет к увеличению величины потерь ХХ в силовых трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных сетях с номинальным напряжением 6 кВ, в среднем на 8,2 %, а в силовых трансформаторах, эксплуатируемых в распределительных сетях с номинальным напряжением 10 кВ - на 8,8 %. Поэтому при проведении диагностики сухих силовых трансформаторов в режиме online, в соответствии с разработанным способом, необходимо учесть, что изменения потерь ХХ в силовом трансформаторе в пределах 10 % могут быть связаны с величиной положительного отклонения питающего напряжения, а не дефектами в самой магнитной системе, связанными с ее старением;
- влияние температуры окружающей среды было экспериментально исследовано при изменении средней температуры магнитной системы от 13 °С до 45 °С, т.е. на 32 °С. При этом изменение суммарных потерь активной мощности по всем трем фазам испытываемого силового трансформатора, измеренных при выполнении опыта ХХ, составило в среднем 1,5 %. Следовательно, как и указано в литературных источниках, изменение температуры магнитной системы испытываемого трансформатора незначительно влияет на величину потерь.
4. Разработана методика диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов, в которой в качестве косвенного диагностического параметра используются данные мониторинга прямого измерения температуры магнитной системы и окружающей среды, а в качестве критерия принята величина потерь активной электрической энергии в магнитной системе.
5. Разработана автоматизированная система диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов. Она представляет собой совокупность аппаратных и программных средств. К аппаратным средствам относятся: устройство, предназначенное для сбора данных с датчиков температуры, способное сохранить измеренные значения и передать их на удаленный сервер, и датчики для контроля температуры магнитной системы силового трансформатора с возможностью крепления на магнитопровод. К программным средствам относится программное обеспечение, позволяющее обработать переданные результаты прямого измерения с датчиков температуры, используя выражение (2.12), вычислить величину потерь активной мощности в магнитной системе и выполнить сравнение вычисленного значения потерь активной мощности в магнитной системе с паспортными значениями потерь ХХ.
6. Выполнены экспериментальные исследования по подтверждению корректности работы разработанной автоматизированной системы диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов с использованием климатической камеры СМ- 60/75-1000 ТВХ. Значения абсолютной погрешности измеренных с помощью разработанного УМТТ величин температуры в сравнении с заданными, установившимися значениями температуры внутри климатической камеры, лежат в интервале ± 0,5 °С, что подтверждается протоколом юстировки.
7. С целью апробации разработанной методики, была разработана и собрана физическая модель распределительной сети 10 / 0,4 кВ, включающая силовой трансформатор номинальной мощностью 16 кВА. С целью поддержания заданных значений напряжения на зажимах обмоток высшего напряжения каждой фазы были разработаны и изготовлены блоки автоматической регулировки и поддержания заданного значения напряжения, устанавливаемые на лабораторные автотрансформаторы с номинальной мощностью 5 кВА, а также блок автоматического измерения и управления ими.
8. Относительная погрешность расчета потерь активной мощности по разработанной методике, при использовании автоматизированной системы диагностики технического состояния магнитной системы сухих трехфазных силовых трансформаторов на физической модели распределительной сети, при равномерном распределении и одинаковом количестве датчиков температуры, закрепленных на торцевых поверхностях стержней и верхнего ярма, находится в диапазоне от 5,4 % до - 3,2 %.
К перспективам дальнейших исследований по данной теме можно отнести следующие направления: оптимизация количества и мест
размещения датчиков температуры относительно магнитной системы сухих силовых трансформаторов с номинальными мощностями, наиболее часто используемыми в распределительных сетях, а также разработка методики, позволяющей учесть влияние величины коэффициента загрузки силового трансформатора при его значении более 0,46 на точность определения потерь активной мощности в магнитной системе.