Способ теплового контроля характеристик трансформаторов напряжения

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в процессе тепловых испытаний высоковольтных трансформаторов напряжения. Технический результат - повышение достоверности измерений. Для достижения данного результата поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки и определяют с помощью тепловизионного приемника температуру каждого участка. Затем рассчитывают тепловой поток каждого участка и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток, характеризующий тепловые потери в магнитопроводе, определяющий значение погрешности измерений.

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при оперативном контроле технического состояния высоковольтных трансформаторов напряжения (ТН), в том числе, каскадных (многоступенчатых) маслонаполненных ТН непосредственно в процессе эксплуатации под рабочим напряжением. Разработанный способ может быть использован в энергетике.

Известны способы и устройства для определения характеристик трансформаторов напряжения - погрешности напряжения fu и угловой погрешности δ. При метрологической аттестации трансформаторы выводят из эксплуатации и при их поверке используют образцовые трансформаторы и приборы сравнения, с помощью которых определяются экспериментальные значения погрешностей трансформаторов напряжения (А.с. СССР №1109690, G 01 R 35/02, 1982).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в данном способе:

1) не производят контроль параметров трансформаторов напряжения непосредственно в процессе эксплуатации на электрических подстанциях под действием рабочего напряжения;

2) для оценки погрешностей необходимо отключать трансформатор напряжения от потребителя;

3) сложно оценивать процесс старения аппарата, работающего на подстанции под напряжением в течение многих лет эксплуатации;

4) невозможно оценить техническое состояние совокупности аппаратов, работающих на подстанции с целью выявления наиболее состаренных аппаратов.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению является принятый за прототип способ дистанционного контроля распределения напряжения на последовательно соединенных элементах высоковольтной установки, например, в гирлянде изоляторов линии электропередач высокого напряжения, заключающийся в том, что в процессе эксплуатации элементов высоковольтной установки измеряют интенсивность оптического излучения этих элементов с помощью тепловизионного приемника, определяют превышение температуры каждого элемента над температурой окружающей среды и расчетным путем определяют величину напряжения на каждом элементе, например, изоляторе гирлянды линии электропередач (А.с. СССР №911345, МПК3 G 01 R 19/00 "Способ дистанционного контроля распределения напряжения на последовательно соединенных элементах высоковольтной установки", заявл. 03.05.79, опубл. 07.03.82, бюлл. №9, автор Поляков B.C.).

Однако в данном способе на основе дистанционного измерения температуры производят единственно расчет величины напряжения, падающего на отдельных элементах высоковольтной конструкции - гирлянды изоляторов, что существенно снижает эффективность оперативного контроля и диагностических параметров при подобном методе диагностики с помощью тепловизионного приемника.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи дистанционного контроля изменения параметров трансформаторов напряжения: изменения погрешности напряжения Δfu и угловой погрешности Δδ непосредственно в процессе эксплуатации с целью оперативной диагностики и вывода из эксплуатации устройств, имеющих завышенные погрешности, для последующего метрологического контроля. Дистанционный контроль производится с помощью тепловизионного приемника.

Известно, что в процессе эксплуатации под напряжением в трансформаторе напряжения, как высоковольтном электрическом аппарате, рассеивается активная мощность Ра (Вт) тепловых потерь, которые в конечном счете обуславливают нагрев конструкции и отвод тепла от нее.

Активная мощность Ра, рассеиваемая в объеме трансформатора напряжения, связана с величинами погрешности напряжения fu и угловой погрешности δ (см. Дымков A.M., Кибель В.М., Тишенин Ю.В. Трансформаторы напряжения. 2-е изд., М.: Энергия, 1975, - 200 с.).

Значения погрешности напряжения fu и угловой погрешности δ трансформатора напряжения описываются выражениями:

где ia, ip - активная и реактивная составляющие тока холостого хода, отнесенные к номинальному току ТН; Uа.н, Up.н - активная и индуктивная составляющие падения напряжения в первичной и вторичной обмотках при номинальной вторичной нагрузке, установленной для ТН определенного класса точности (% вторичного напряжения).

Так например, для однофазного ТН активная и индуктивная составляющие тока холостого хода, отнесенные к номинальному току ТН класса точности 0,5, равны:

где Pa - активная мощность, Вт; Qн - намагничивающая мощность магнитопровода, В·A; S2н.ном - номинальная вторичная мощность ТН; αu - отношение вторичного напряжения к номинальному вторичному напряжению.

Величина активной мощности определяет значения fu и δ, так что с учетом выражений (1)-(3) можно записать соотношения:

где c1, c2. с3, c4 - постоянные, определяемые типом аппарата.

Параметры, входящие в выражения (3)-(5), в целом, известны. Например, для трансформатора типа НКФ-110: αu=0,8; S2н.ном=400 B•А; Uр.н=0,36; Uа.н=0,45. Тогда для расчета погрешностей данного трансформатора напряжения необходимо считать, что с1=0,0014%/Вт; с2=0,04 мин/Вт.

В процессе старения трансформаторов напряжения при их длительной эксплуатации увеличивается рассеиваемая активная мощность Рa (Вт) (тепловые потери возрастают) за счет увеличения магнитных потерь в магнитном сердечнике, старения изоляции и т.п., вследствие чего значения погрешностей fu и δ трансформаторов напряжения возрастают. Это влияет на точность измерения величины напряжения подобными аппаратами.

На основе соотношений (4) и (5) можно показать, что увеличение активной мощности от значения Pa1 до Рa2 в процессе старения аппаратов приведет к увеличению величин погрешностей от fu1 и δ1 до значений fu2 и δ2, так что изменение погрешностей может быть определено по формулам:

где ΔРа - изменение величины рассеиваемой активной мощности в процессе старения аппарата; c1, с2 - постоянные, определяемые типом аппарата.

Таким образом, контроль величин изменения погрешностей Δfu и Δδ может быть реализован путем оценки значений ΔРа в процессе старения трансформаторов напряжения.

Выделяемая в объеме трансформатора напряжения активная мощность Ра (Вт) равна суммарной величине теплового потока Q (Вт), который выходит через боковую поверхность фарфоровой покрышки ТН, поэтому выражения (6) и (7) можно записать таким образом:

где Q2, Q1 - величины суммарных тепловых потоков, отходящие от боковой поверхности ТН, рассчитываемые на основе последовательных тепловизионных измерений в различное время в процессе старения аппарата, c1, c2 - постоянные, определяемые типом аппарата.

Величина Рa может быть оценена различными способами, например установкой на поверхность покрышки исследуемых аппаратов контактных датчиков теплового потока, измеряющих поверхностную плотность теплового потока qs (Вт/м2) в различных точках поверхности. Зная величину поверхностной плотности qs и размеры поверхности аппарата, можно оценить суммарный тепловой поток Q, равный величине активных потерь Ра в трансформаторе напряжения, и таким образом контролировать изменение ΔРа величины тепловых потерь в процессе старения аппарата при его эксплуатации.

Однако установка контактных датчиков теплового потока на поверхность высоковольтных ТН невозможна из-за технологических особенностей конструкции покрышки и техники безопасности при работе с высоковольтными установками.

В связи с этим обстоятельством оперативная диагностика в процессе эксплуатации трансформаторов напряжения в рамках предлагаемого способа реализуется посредством дистанционного определения величины суммарного теплового потока Q на основе тепловизионной диагностики.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и достоверности оперативного контроля трансформаторов напряжения непосредственно в процессе эксплуатации при рабочем напряжении.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе, основанном на измерении интенсивности оптического излучения от трансформатора напряжения, имеющего общую высоту боковой поверхности Н и находящегося под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, с помощью тепловизионного приемника и на определении температуры поверхности трансформатора напряжения по зафиксированной интенсивности оптического излучения, определяют суммарный тепловой поток Q1, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой ΔHi=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQi, отходящего от каждого участка по формуле:

где D - внешний диаметр трансформатора напряжения;

αкi и αлi - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от поверхности i-го участка высотой ΔНi;

Δtпi - разность температур поверхности i-го участка высотой ΔHi, определяемая по формуле:

где tповi - температура поверхности i-го участка;

t0 - температура воздуха;

и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток Q1 от всей боковой поверхности трансформатора напряжения, равный сумме тепловых потоков ΔQi каждого участка, затем через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения, аналогично определяют суммарный тепловой поток Q2, отходящий от боковой поверхности этого же трансформатора напряжения, и вычисляют изменение погрешности напряжения Δfu и угловой погрешности Δδ по формулам:

где c1, c2 - постоянные, определяемые типом аппарата;

затем определяют техническое состояние трансформатора напряжения путем сравнения полученных данных Δfu, Δδ с нормативно допустимыми значениями, в случае их превышения производят изъятие трансформатора напряжения из эксплуатации.

Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:

определяют суммарный тепловой поток Q1, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой ΔHi=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQi, отходящего от каждого участка по формуле:

где D - внешний диаметр трансформатора напряжения;

αкi и αлi - коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением от поверхности i-го участка высотой ΔНi;

Δtпi - разность температур поверхности i-го участка высотой ΔHi, определяемая по формуле:

где tповi - температура поверхности i-го участка;

t0 - температура воздуха;

и на основе этих данных определяют суммарный тепловой поток Q1 от всей боковой поверхности трансформатора напряжения, равный сумме тепловых потоков ΔQi каждого участка, затем через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения, аналогично определяют суммарный тепловой поток Q2, отходящий от боковой поверхности этого же трансформатора напряжения, и вычисляют изменение погрешности напряжения Δfu и угловой погрешности Δδ по формулам:

где c1, c2 - постоянные, определяемые типом аппарата;

затем определяют техническое состояние трансформатора напряжения путем сравнения полученных данных Δfu, Δδ с нормативно допустимыми значениями, в случае их превышения производят изъятие трансформатора напряжения из эксплуатации.

Способ осуществляют следующим образом.

В начале эксплуатации трансформатора напряжения и через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом ТН, его боковую поверхность с высотой Н условно разбивают на равные участки, так что высота отдельных участков ΔНi равна

где N - общее количество участков, на которое разбита боковая поверхность трансформатора, i=1...N.

Затем измеряют оптическое излучение от каждого участка боковой поверхности трансформатора напряжения с помощью тепловизионного приемника и определяют значение температуры этих участков по зафиксированной интенсивности оптического излучения, после чего на основе данных температуры поверхности каждого участка рассчитывают мощность теплового потока ΔQi, отходящего от каждого участка боковой поверхности трансформатора напряжения высотой ΔHi, по следующему алгоритму.

В теории теплообмена и инженерной практике используют эмпирические соотношения, которые с достаточной степенью точности описывают протекающие процессы в тепловых системах.

Интенсивность естественного конвективного потока для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде определяется критериями Грасгофа (Gr), Прандтля (Pr) и их произведением (Gr·Pr).

Интенсивность теплообмена на границе раздела ТН - воздух определяется критерием Нуссельта. Коэффициент теплоотдачи αк определяется:

где Nu - число Нуссельта, характеризующее интенсивность процесса конвекционного теплообмена; λв - коэффициент теплопроводности воздуха.

Конвективный теплообмен определяется параметрами физических свойств воздуха: коэффициентом теплопроводности λв, теплоемкостью Ср при постоянном давлении, удельной плотностью ρ, динамической вязкостью μ и кинематической вязкостью, равной ν=μ/ρ.

Число Нуссельта определяется функцией:

Значение Gr рассчитывается по соотношению:

где g - ускорение свободного падения; Н - высота покрышки; b - температурный коэффициент объемного расширения (b=1/273); Δt - разность температур, рассчитываемая по соотношению

причем значение температуры tг в выражении (14) определяется как усредненное значение температуры воздуха t0 и поверхности tпов.

Число Прандтля Pr является теплофизической характеристикой среды, которая участвует в конвекционном теплообмене:

Число Нуссельта представляется в виде критериальной зависимости:

где с, n - табличные коэффициенты, определяемые в зависимости от различных условий (см. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П.Исаченко, В.А.Осипова, А.С.Сукомел. - 4-е изд., перераб. доп. - М.: Энергоиздат, 1981, - 416 с.; Михеев М.А., Михеева И.М., Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, - 344 с.).

С учетом соотношения (11)-(16) можно оценить величину коэффициента теплоотдачи путем конвекции:

При расчетах тепловыделений электрического оборудования необходимо также учитывать теплоотдачу излучением. Реальные объекты находятся в воздухе с температурой t0. С учетом закона Стефана-Больцмана следует оценивать интегральную энергетическую светимость R потока излучения от серого тела с учетом влияния окружающей среды по соотношению:

где ε - коэффициент излучательности, σ - постоянная Стефана-Больцмана; tпов, t0 - температуры поверхности и среды.

Интегральная энергетическая светимость R определяет величину коэффициента теплоотдачи от объекта путем излучения:

где αл - коэффициент теплоотдачи за счет излучения, Δtп - разность температур поверхности участков и воздуха, определяемая в процессе тепловизионных испытаний.

Сумма значения коэффициентов теплоотдачи (αкiлi) для каждого выделенного i-го участка покрышки высотой ΔHi может быть рассчитана с учетом соотношений (11)-(19).

Например, при температуре воздуха t0=-4°С значение температуры в некоторой области наружной части покрышки составляет tповi=4,7°С; Δtпi=8,7°С. Расчет коэффициентов теплопередачи конвекцией и излучением по программам, составленным в соответствии с изложенным алгоритмом, дает значение (αкiлi)≈7 Вт/м2°С (см. Власов А.Б. Программа расчета коэффициента теплопередачи от поверхности при тепловизионном контроле. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611742 регистр. 22.08.2003, Российское агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2003 г.; Власов А.Б. Программа расчета тепловых потоков при тепловизионном контроле маслонаполненных трансформаторов напряжения. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611741, регистр. 22.08.2003, Российское агентство по патентам и товарным знакам, Россия, 2003 г.).

Тепловой поток ΔQi от участка боковой поверхности ТН площадью ΔS может быть рассчитан по соотношению:

где αкi и αлi - коэффициенты теплоотдачи от поверхности i-го участка высотой ΔHi; D - внешний диаметр ТН; Δtпi - разность температур поверхности i-го участка tповi и температуры воздуха t0.

Примеры расчета величин тепловых потоков представлены в работах (см. Власов А.Б. Тепловизионный контроль маслонаполненных высоковольтных аппаратов // Электрика, №10, 2003, стр.30-35; Власов А.Б. Тепловизионный контроль высоковольтных трансформаторов напряжения // Электротехника, №1, 2004, стр.42-47).

По рассчитанным значениям ΔQi определяют суммарный тепловой поток Q, отходящий от всей боковой поверхности трансформатора напряжения высотой Н:

Таким образом, рассчитывают суммарный тепловой поток Q, который, как отмечено выше, равен активной мощности Ра, рассеиваемой в объеме аппарата и оказывающей наибольшее влияние на погрешности трансформаторов напряжения.

При практической реализации предлагаемого способа можно производить тепловизионную диагностику путем сравнения тепловых потоков одного трансформатора напряжения путем его многократного тепловизионного обследования. В этом случае проводят неоднократные тепловизионные испытания на одном аппарате: первоначально определяют исходное значение Q1, равное Рa1, после чего проводят испытания состаренного аппарата при эксплуатации и определяют текущее значение Q2, равное Рa2, причем испытания проводят через интервал времени, определяемый условиями эксплуатации и типом трансформатора напряжения. Это может быть от 1 года до 3 лет.

Трансформаторы напряжения должны находиться под рабочим напряжением в течение интервала времени, достаточного для окончания возможных переходных процессов, в том числе феррорезонансных явлений, и наступления на каждом аппарате установившегося температурного режима.

По результатам тепловизионных испытаний рассчитывают величину изменения погрешностей Δfu и Δδ по соотношениям (8) и (9).

Если со временем эксплуатации рассеиваемая мощность возрастает, например, на ΔРа=(P2-P1)=(Q2-Q1)=60 Вт, то значение погрешности напряжения fu увеличивается на Δfu=0,08%, а угловая погрешность δ аппарата возрастает на величину Δδ≈2,4 мин.

Известно, что для НКФ-110 значения погрешностей fu<1-2% и δ<10-20 мин. Поэтому при Δfu=0,08% относительное изменение величины погрешности напряжения Δfu/fu может составлять 4-8% от исходной величины; аналогично при возрастании δ на 2,4 мин относительное изменение величины угловой погрешности Δδ/δ может достигать 10-20% от начального значения.

Сравнивая величину теплового потока трансформаторов в процессе их старения путем последовательных тепловизионных испытаний, можно осуществлять дистанционный оперативный контроль за изменением технического состояния трансформаторов напряжения в процессе эксплуатации и сравнивать полученные данные Δfu и Δδ с нормативно допустимыми значениями погрешности напряжения и угловой погрешности, в случае их превышения производят изъятие ТН для последующего метрологического контроля.

Способ теплового контроля характеристик трансформаторов напряжения, основанный на измерении интенсивности оптического излучения трансформатора напряжения, имеющего общую высоту Н боковой поверхности и находящегося под напряжением в течение интервала времени, превышающего длительность переходных процессов, с помощью тепловизионного приемника и на определении температуры поверхности трансформатора напряжения по зафиксированной интенсивности оптического излучения, отличающийся тем, что определяют суммарный тепловой поток Q1, отходящий от боковой поверхности трансформатора напряжения, в начале его эксплуатации, для этого боковую поверхность трансформатора напряжения условно разбивают на равные участки высотой

ΔHi=H/N,

где N - общее количество участков;

определяют температуру этих отдельных участков, затем рассчитывают мощность теплового потока ΔQi, при этом суммарную мощность теплового потока принимают равной активной мощности трансформатора, рассеиваемой в сердечнике трансформатора, а значения погрешности напряжения Δfu и угловой погрешности Δδ определяют по формулам

Δfu=-с1·(Pa2-Pa1), %;

Δδ=c2·(Pa2-Pa1), мин,

где Ра2, Pa1 - значения активной мощности, рассчитываемые на основе тепловизионных измерений;

с1, с2 - постоянные, определяемые типом аппарата.