Результат интеллектуальной деятельности: Счетчик ресурса трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции (варианты)

Предлагаемая группа изобретений относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначена для вычисления и индикации относительной интенсивности V износа изоляции обмоток трансформаторов, а также может найти применение в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы Т_ир изоляции обмоток трансформаторов на двухтрансформаторной подстанции.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [1], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками этого аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик ресурса силового трансформатора [2], содержащий датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, экспоненциальный преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, блок деления, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часы, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная не учетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева (погрешность определения температуры обмоток трансформатора по этой причине может достигать 40% [3]) и не учетом влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью одновременного контроля ресурса изоляции на двух трансформаторах.

Технические задачи, решаемые изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности одновременного контроля ресурса изоляции двух трансформаторов.

Указанные технические задачи (в первом варианте реализации счетчика, используемом при отсутствии встроенных в трансформаторы датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора) решаются благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, дополнительно введены второй датчик тока, двухвходовой аналоговый коммутатор, входной преобразователь, датчик температуры окружающей среды, второй и третий приемопередатчики, микроконтроллер, порт A которого подключен к выходу входного преобразователя, порт B - к выходу датчика температуры окружающей среды, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно D - через второй приемопередатчик с входом цифрового индикатора, E - через третий приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - с входом первого приемопередатчика, C - с управляющим входом двухвходового аналогового коммутатора, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков тока.

Указанные технические задачи (во втором варианте реализации счетчика, используемом при наличии встроенных в трансформаторы датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора) решаются благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, дополнительно введены датчики температуры наиболее нагретой точки обмотки первого и второго трансформаторов, второй и третий приемопередатчики, микроконтроллер, порты A и B которого подключены соответственно к выходам датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки первого и второго трансформаторов, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно C - через второй приемопередатчик с входом цифрового индикатора, D - через третий приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, E - с входом первого приемопередатчика.

Указанные технические задачи (в третьем варианте реализации счетчика, используемом как при наличии, так и при отсутствии встроенных в трансформаторы датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформатора) решаются благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, дополнительно введены второй датчик тока, двухвходовой аналоговый коммутатор, входной преобразователь, первый и второй датчики температуры, второй и третий приемопередатчики, микроконтроллер, порт A которого подключен к выходу входного преобразователя, порт B - к выходу первого датчика температуры, порт C - к выходу второго датчика температуры, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно D - через второй приемопередатчик с входом цифрового индикатора, E - через третий приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, F - с входом первого приемопередатчика, G - с управляющим входом двухвходового аналогового коммутатора, первый и второй информационные входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков тока; входной преобразователь содержит двухполупериодный прецизионный выпрямитель и буферный масштабный усилитель, вход которого подключен ко входу входного преобразователя, а выход через двухполупериодный прецизионный выпрямитель соединен с выходом входного преобразователя.

Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов в различных вариантах его реализации:

1) второго датчика тока, двухвходового аналогового коммутатора, входного преобразователя, датчика температуры окружающей среды, второго и третьего приемопередатчиков, микроконтроллера;

2) датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки первого и второго трансформаторов, второго и третьего приемопередатчика, микроконтроллера;

3) второго датчика тока, двухвходового аналогового коммутатора, входного преобразователя, первого и второго датчиков температуры, второго и третьего приемопередатчиков, микроконтроллера.

К существенным отличиям предлагаемого счетчика также относятся организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности одновременного контроля ресурса изоляции двух трансформаторов.

Схемы первого - третьего вариантов реализации счетчика представлены соответственно на фиг.1, фиг.2 и фиг.3; на фиг.4 приведен один из возможных вариантов реализации схемы входного преобразователя.

Схема первого варианта реализации счетчика (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 датчики тока (ДТ) первого и второго трансформаторов, двухвходовой аналоговый коммутатор (АК) 3, входной преобразователь (ВП) 4, датчик температуры окружающей среды (ДТОС) 5, генератор 6 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер 7, первый - третий приемопередатчики 8-10, цифровой индикатор (ЦИ) 11, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 12, компьютер 13. Выходы первого 1 и второго 2 датчиков тока соединены соответственно с первым и вторым информационными входами двухвходового аналогового коммутатора 3, управляющий вход которого подключен к порту C микроконтроллера 7, а информационный выход через входной преобразователь 3 соединен с портом A микроконтроллера 7, порт B которого подключен к выходу датчика температуры окружающей среды 5, а тактовый вход подключен к выходу генератора 6 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 7 соединены соответственно D - через второй приемопередатчик 8 с входом цифрового индикатора, E - через третий приемопередатчик 9 с входом постоянного запоминающего устройства 12, F - через первый приемопередатчик 10 с входом компьютера 13.

Схема второго варианта реализации счетчика (фиг.2) содержит первый 14 и второй 15 датчики температуры наиболее нагретой точки обмотки (ДТОТ) первого и второго трансформаторов, генератор 16 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер 17, первый - третий приемопередатчики 18-20, цифровой индикатор (ЦИ) 21, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 22, компьютер 23. Выходы первого 14 и второго 15 датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки первого и второго трансформаторов соединены соответственно с портами A и B микроконтроллера 17, тактовый вход которого подключен к выходу генератора 16 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 17 соединены соответственно C - через второй приемопередатчик 18 с входом цифрового индикатора 21, D - через третий приемопередатчик 19 с входом постоянного запоминающего устройства 22, E - через первый приемопередатчик 20 с входом компьютера 23.

Схема третьего варианта реализации счетчика (фиг.3) содержит первый 24 и второй 25 датчики тока (ДТ) первого и второго трансформаторов, двухвходовой аналоговый коммутатор (АК) 26, входной преобразователь (ВП) 27, первый 28 и второй 29 датчики температуры, генератор 30 прямоугольных импульсов (ГПИ), микроконтроллер 31, первый - третий приемопередатчики 32-34, цифровой индикатор (ЦИ) 35, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 36, компьютер 37. Выходы первого 24 и второго 25 датчиков тока соединены соответственно с первым и вторым информационными входами двухвходового аналогового коммутатора 26, управляющий вход которого подключен к порту G микроконтроллера 31, а информационный выход через входной преобразователь 27 соединен с портом A микроконтроллера 31, порты B и C которого подключены соответственно к выходам первого 28 и второго 29 датчиков температуры наиболее нагретой точки обмотки первого и второго трансформаторов, а тактовый вход подключен к выходу генератора 30 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 7 соединены соответственно D - через второй приемопередатчик 32 с входом цифрового индикатора 35, E - через третий приемопередатчик 33 с входом постоянного запоминающего устройства 36, F - через первый приемопередатчик 34 с входом компьютера 37.

Входные преобразователи 4 (фиг.1) и 27 (фиг.3) идентичны, причем входной преобразователь 27 (фиг.4) содержит двухполупериодный прецизионный выпрямитель 38 и буферный масштабный усилитель 39, вход которого подключен ко входу входного преобразователя 27, а выход через двухполупериодный прецизионный выпрямитель 38 соединен с выходом входного преобразователя 27. Схемы буферного масштабного усилителя 39 и двухполупериодного прецизионного выпрямителя 38 общеизвестны, в частности, в качестве их реализаций могут быть использованы схемы, описанные в [4, 5] и изображенные на рисунках 1.3 и 2.49 [4], 13.7 и 52.15 [5].

Первый вариант счетчика (фиг.1) работает следующим образом.

Выходное напряжение ДТ 1-2, пропорциональное токам нагрузки I(t) первого и второго трансформаторов, поступает соответственно на первый и второй информационные входы двухвходового аналогового коммутатора 3.

Датчики тока 1-2, которые могут быть, в частности, выполнены на измерительных шунтах, включенных в цепь вторичной обмотки измерительных трансформаторов тока, обеспечивает выходной сигнал низкого уровня (номинальное значение 75 мВ). Для согласования уровня сигнала ДТ 1-2 с рабочим диапазоном встроенного в МК 7 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) во входном преобразователе 4 используется буферный масштабный усилитель 39 (фиг.4), имеющий большой коэффициент усиления 15-80 (выбираемый в зависимости от модификации используемого МК 7). В ВП 4 также используется двухполупериодный прецизионный выпрямитель 38 для преобразования двухполярного синусоидального сигнала ДТ 1-2 в однополярный.

Путем смены кода на выходе порта C «1-0-1-0…» МК 7, соединенного с управляющим входом АК 3, датчики тока 1-2 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП МК 7 таким образом, чтобы получать цифровые коды токов нагрузки первого и второго трансформаторов 50-100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в двух ячейках в течение 1 мин.

Датчиком 5 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды Θ_окр, а температура обмотки каждого трансформатора Θ определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле:

где - коэффициент изменения сопротивления обмоток трансформатора в функции от температуры;

α - температурный коэффициент сопротивления обмоток; имеет значение для меди α_м=0,004°C^-1, алюминия α_а=0,0044°C^-1;

Θ_ном - номинальная длительно допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора; для большинства трансформаторов Θ_ном=98°C; для трансформаторов с термически высококачественной изоляцией Θ_ном=110°C;

Θ₀=20°C - температура окружающей среды; принимаемая при определении номинальных параметров трансформатора по [5];

I_ном - номинальный ток трансформатора;

I_i - среднеквадратическое значение тока нагрузки первого (I=1) и второго (I=2) трансформаторов.

Разрешим уравнение (1) относительно производной температуры Θ, а также сделаем замену

Для решения уравнения (2) перед началом измерений в памяти в МК 4 размещаются константы, значения которых приведены в таблице.

Таблица Константы Номера ячеек 1 2 3 4 5 Значения кодов 1 α Θ0=20°

Относительная скорость износа изоляции V определяется в функции температуры обмотки трансформатора Θ по формуле [6, 7]

где μ=0,116 - коэффициент, характеризующий интенсивность старения изоляции.

Износ (использованный ресурс срока службы) Т_ир изоляции за интервал времени T=1 час, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 14209-97 [6], определяется по формуле

Управление работой счетчика осуществляется следующим образом.

Через одинаковые интервалы времени ΔT=1 мин приемопередатчиком 8 с выхода порта D в ЦИ 11 записываются значения относительной скорости износа изоляции V первого и второго трансформаторов, которые в дальнейшем отображаются на цифровом индикаторе 11, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Приемопередатчик 9 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 12: дату; час; значение износа Т_ир изоляции за этот час и т.д. первого и второго трансформаторов.

Второй вариант счетчика (фиг.2) работает следующим образом.

У этого варианта счетчика используются встроенные в контролируемые силовые трансформаторы датчики 14 и 15 наиболее нагретой точки обмотки трансформаторов.

В этом случае один раз в минуту определяется относительная скорость износа изоляции трансформаторов V по формуле (3) - эта информация отображается на ЦИ 21 и один раз в час значение износа Т_ир изоляции трансформаторов регистрируется в ПЗУ 22.

Третий вариант счетчика (фиг.3) по применению является универсальным.

В первом варианте его применения (при наличии встроенных в трансформаторы датчиков наиболее нагретой точки обмотки трансформатора) расчет интенсивности износа изоляции V выполняется по формуле (3), а температура обмоток силовых трансформаторов определяется датчиками температуры 28 и 29.

Во втором варианте применения счетчика (при отсутствии встроенных в трансформаторы датчиков наиболее нагретой точки обмотки трансформатора) расчет температуры обмотки каждого трансформатора Θ определяется по формуле (2), а температура окружающей среды Θ_окр определяется датчиком 28 или 29.

Преимуществами предлагаемой группы изобретений по сравнению с известными аналогами являются их более высокая точность и более широкие функциональные возможности. Схема реализаций счетчика ориентирована на применение микроконтроллеров.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 2041496 СССР, МПК G06F 17/18, 1991.

2. Патент РФ 2380715, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).

3. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис. … канд. техн. наук. - Омск, 2005.

4. Применение интегральных схем: Практическое руководство: В. 2 кн.: Пер. с англ. / П. Брэдшо, С. Гош, X. Олдридж и др./ Под ред. А. Уильямса. - М.: Мир, 1987: Кн.1. - 432 с.

5. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 688 с.

6. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91. LOADING GUIDE FOR OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. - Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.

7. Никитин Ю.М., Тер-Оганов Э.В. Определение вероятностных характеристик случайного процесса относительного износа изоляции трансформаторов // Электричество. - 1973. - №9. - С.62-67.