42 УДК 621.311:658.012.011.56 РАСЧЕТ РЕСУРСА ТРАНСФОРМАТОРОВ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ В АСУ ТП ПОДСТАНЦИЙ Инженеры БУРЛЮК В. В., ЖЕРКО С. Н. УП «НИИ средств автоматизации» Трансформаторы и автотрансформаторы являются основным электро- техническим оборудованием подстанций. По своему конструктивному ис- полнению они бывают трех- и однофазными с различными системами и средами охлаждения. 43 Ресурс данного оборудования определяется по состоянию изоляции об- мотки и рассчитывается исходя из времени эксплуатации, величины загрузки и теплового состояния. Нормативный срок службы изоляции об- мотки составляет 20–25 лет с учетом того, что температура наиболее нагретой части обмотки не превышает 98 °С. При нарушении нормального режима работы нормативный срок службы изоляции обмотки может силь- но изменяться. Из-за отсутствия обоснованного представления об износе изоляции обмотки стремятся завышать мощность трансформаторов. Это приводит к тому, что большинство трансформаторов имеют неоправданно низкую нагрузку, редко превышающую (0,3–0,6)Snom. В результате этого трансфор- маторный парк используется плохо, а капиталовложения – неэффективно. Нагрузочный режим трансформаторов (автотрансформаторов) в настоя- щее время контролируется с помощью сигнализации перегрузки, а также осуществляется контроль температуры верхних слоев масла. При контроле температуры верхних слоев масла хотя и учитываются предшествующая нагрузка и условия охлаждения, однако нет возможности достоверно су- дить о главном факторе – температуре наиболее нагретой точки (ННТ) об- мотки, что обусловливает актуальность задачи контроля теплового состоя- ния обмотки и ресурса трансформаторов и автотрансформаторов [1]. В статье рассматривается алгоритм расчетного метода текущего кон- троля температуры ННТ обмотки и учета ресурса трансформаторов и авто- трансформаторов, предлагаемый для реализации в составе комплекса за- дач АСУ ТП подстанции или в качестве отдельной автоматизированной функции. Предлагаемый алгоритм на основе периодически выполняемых измере- ний тока нагрузки нI и температуры верхних слоев масла мΘ обеспечи- вает расчет температуры ННТ обмотки, износа и остаточного ресурса вит- ковой изоляции обмотки. Согласно [2] приняты следующие допущения: • изменения температуры в переходных тепловых процессах, т. е. при учете тепловых постоянных времени, принимать протекающими по экспо- ненциальному закону, а допустимо установившиеся значения температуры при этом достигаются за промежуток времени, равный четырем тепловым постоянным времени; • при расчете не учитывается изменение сопротивления обмоток, теп- лоемкости и вязкости масла с повышением температуры вследствие прак- тически приемлемой компенсации их взаимного влияния на температуру обмоток; • расчет температуры ННТ обмоток и износа витковой изоляции следу- ет определять для прямоугольных двух- или многоступенчатых графиков нагрузки, в которые необходимо преобразовать реальные исходные графи- ки нагрузки. Расчет проводится последовательно для каждой ступени с учетом того, что каждая предыдущая нагрузка является начальной для следующей ступени ступенчатого графика нагрузки; 44 • для трехобмоточных трансформаторов (автотрансформаторов) изме- рения тока нагрузки следует проводить для наиболее нагруженной об- мотки; • при неравномерной нагрузке трансформатора (автотрансформатора) измерения тока нагрузки следует проводить для наиболее нагруженной фазы обмотки. Исходными данными для решения задачи по каждому трансформатору (автотрансформатору) являются: 1. Настраиваемые параметры задачи: • t∆ – интервал накопления и обобщения (усреднения) сигналов теле- измерений, мин; • стK∆ – ширина коридора зоны нечувствительности, определяющая точность формирования ступенчатого графика нагрузки, %. 2. Настраиваемые параметры трансформатора (автотрансформатора): • нnomI – номинальный ток нагрузки, А; • обмτ – тепловая постоянная обмотки, мин; • nomF – нормированный износ витковой изоляции (срок службы трансформатора (автотрансформатора)), «нормальные сутки износа»; • предF – фактический предыдущий износ витковой изоляции до ввода в эксплуатацию задачи на данной подстанции, «нормальные сутки износа». Согласно [2] температуру и износ витковой изоляции обмотки необхо- димо рассчитывать по каждому из m участков (ступеней) после преобразо- вания расчетного исходного графика нагрузки в эквивалентный (в тепло- вом отношении) ступенчатый график с нагрузками К1, К2, …, Кm, и про- должительностью ступеней ∆T1 = t1, ∆T2 = t2 – t1, …, ∆Tm = tm – tm–1. Формирование исходных суточных графиков нагрузки и температуры масла по каждому трансформатору (автотрансформатору) производится в интервалах t∆ (параметр, настраиваемый в минутах) путем усреднения значений телеизмерений тока нагрузки Iн и температуры масла м .Θ Их размерность определяется кратностью заданного интервала t∆ к длитель- ности суток, выраженных в минутах. Выбор точки измерения тока нагруз- ки определяется пользователем с учетом изложенных выше допущений. В автоматическом режиме запуск задачи осуществляется в момент сме- ны суток для определения износа витковой изоляции обмотки за истекшие сутки. В полуавтоматическом режиме запуск задачи производят по команде оператора с указанием даты контролируемых суток, по которым необхо- димо произвести расчет износа витковой изоляции обмотки. Этот режим позволяет проводить выборочный контроль суточного износа витковой изоляции обмоток. При каждом запуске функции на основании исходного суточного гра- фика нагрузки осуществляют построение расчетного суточного графика относительной нагрузки согласно [2]: н1 1 нnom ; I K I = н22 нnom ; I K I = …; н нnom ,nn I K I = (1) где 1, 2, …, п – подстрочные индексы, обозначающие порядковые номера усредненных значений телеизмерений тока нагрузки Iн и расчетных значе- 45 ний относительной нагрузки; нnomI – номинальный ток нагрузки (настраи- ваемый параметр). Алгоритм преобразования расчетного исходного суточного графика от- носительной нагрузки контролируемых суток в ее эквивалентный прямо- угольный график при заданном значении стK∆ и полном или частичном отсутствии данных по телеизмерениям за первые предыдущие сутки отно- сительно контролируемых суток предполагает выполнение следующих процедур: • расчет значений нижней и верхней границ коридора зоны нечувстви- тельности в соответствии с величиной первой относительной нагрузки ее исходного расчетного суточного графика: ст 1 1н 1 ст 1 1в 1 ; 200 ; 200 K K K K K K K K ∆ = −    ∆ = +    (2) • проверку на вхождение в коридор зоны нечувствительности последу- ющих значений относительной нагрузки исходного контролируемого су- точного графика нагрузки: 1н 2 1в 1н 3 1в 1н 1 1в 1н 1в ; ; ; ; l l K K K K K K K K K K K K − ≤ ≤   ≤ ≤  ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅   ≤ ≤  ≤ ≤   (3) • фиксацию порядкового номера текущего значения относительной нагрузки ,lK которое вышло из коридора зоны нечувствительности; • определение среднего значения относительной нагрузки для первой ступени по значениям относительных нагрузок 1,K …, 1;lK − • формирование следующей ступени эквивалентного прямоугольного графика нагрузки путем расчета значений верхней и нижней границ кори- дора зоны нечувствительности относительно значения нагрузки lK по (2) и выполнение процедуры по (3), начиная с относительной нагрузки 1lK + и далее расчет среднего значения относительной нагрузки для второй сту- пени. В итоге последовательное выполнение описанных выше процедур на протяжении всего исходного расчетного суточного графика относительной нагрузки обеспечивает построение эквивалентного прямоугольного графи- ка относительной нагрузки с точностью, определяемой шириной зоны не- чувствительности стK∆ (параметр настраиваемый). Одновременно ведется подсчет длительности каждой ступени: 1 1 ;T S t∆ = ∆ 2 2 ;T S t∆ = ∆ …; ,m mT S t∆ = ∆ (4) где 1S , 2S , …, mS – количество относительных нагрузок исходного рас- четного суточного графика нагрузки, значения которых соответствуют условиям выражения (3) по каждой ступени нагрузки; t∆ – интервал 46 накопления и обработки телеизмерений (параметр, настраиваемый в мину- тах); 1, 2, …, т – подстрочные индексы, обозначающие порядковые номера сту- пеней нагрузки. Алгоритм преобразования исходного расчетного суточного графика от- носительной нагрузки контролируемых суток в эквивалентный прямо- угольный график относительной нагрузки при наличии полной базы дан- ных по телеизмерениям за первые предыдущие сутки относительно кон- тролируемых суток предполагает выполнение описанных выше процедур, начиная с последнего значения относительной нагрузки за первые преды- дущие сутки относительно контролируемых суток. Для первой ступени контролируемых суток фиксируется значение относительной нагрузки по последней ступени первых предыдущих суток относительно контролируе- мых суток при условии ее дальнейшего продолжения в контролируемых сутках. Температура масла учитывает температуру окружающей охлаждающей среды, условия охлаждения и предыдущую нагрузку. Построение суточно- го расчетного графика теплового состояния ННТ обмотки производится на основе суточного эквивалентного прямоугольного графика относительной нагрузки, алгоритм построения которого описан выше. При этом текущие значения температуры ННТ обмотки ННТтpΘ определяются согласно [2] ННТтp Мтp ННТтp ,Θ =Θ + ϑ (5) где МтpΘ – зарегистрированные по времени усредненные значения (гра- фик) телеизмерений температуры масла; ННТтpϑ – расчетные значения пре- вышения температуры (перегрева) ННТ обмотки над маслом; тр – сдвоен- ный подстрочный индекс, обозначающий порядковые номера ступеней графика нагрузки (т = 1, …, т) и порядковые номера температуры масла и расчетных значений перегрева ННТ обмотки над маслом (р = 1, …, р) по каждой ступени относительной нагрузки. Значения перегрева ННТ обмотки над маслом ННТтpϑ по текущей сту- пени относительной нагрузки определяются с учетом обмτ согласно [3] ННТтp ННТ( 1) ННТуст ННТ( 1) обм' ( ' )(1 exp( / )),m m P t− −ϑ = ϑ + ϑ −ϑ − − ∆ τ (6) где ННТ( 1)' m−ϑ – расчетное значение перегрева ННТ обмотки над маслом по концу предыдущей ступени относительной нагрузки; тр – сдвоенный под- строчный индекс, обозначающий порядковые номера ступеней графика нагрузки (т = 1, …, т) и порядковые номера расчетных значений перегрева ННТ обмотки над маслом (р = 1, …, р) по каждой ступени относительной нагрузки; Р – порядковые номера (1, 2, …, Р) расчетных значений перегре- ва ННТ обмотки над маслом в текущей ступени относительной нагрузки; t∆ – интервал накопления и обработки телеизмерений (параметр, настраи- ваемый в минутах); обмτ – тепловая постоянная времени обмотки транс- форматора (автотрансформатора) (параметр, настраиваемый в минутах); ННТустϑ – расчетное значение установившегося перегрева ННТ обмотки над 47 температурой масла по текущей ступени относительной нагрузки, опреде- ляемое согласно [2] ННТуст ННТном , yKϑ = ϑ (7) где ННТномϑ – превышение температуры наиболее нагретой точки обмотки над температурой масла в верхних слоях при номинальной нагрузке, °С. Если данные отсутствуют, то следует принимать для систем охлаждения М и Д 23 °С и систем охлаждения Ц и ДЦ 38 °С [3]; К – среднее значение от- носительной нагрузки для текущей ступени нагрузки; у (const) – для си- стем охлаждения М и Д – 1,6, для систем охлаждения Ц и ДЦ – 1,8, если не известны другие значения [3]. Первая ступень эквивалентного прямоугольного графика нагрузки кон- тролируемых суток может иметь начало в момент смены суток. В этом случае в выражении (6) для расчета текущих значений перегрева ННТ об- мотки над маслом по первой ступени эквивалентного прямоугольного гра- фика нагрузки контролируемых суток в качестве ННТ( 1)m−′ϑ используется расчетное значение перегрева ННТ обмотки над маслом по концу последней ступени за первые истекшие сутки относительно контролируемых суток. Первая ступень эквивалентного прямоугольного графика нагрузки кон- тролируемых суток может являться продолжением последней ступени предыдущих суток относительно контролируемых суток. В данном случае в (6) для расчета текущих значений перегрева ННТ обмотки над маслом для первой ступени эквивалентного прямоугольного графика нагрузки контролируемых суток используются: в качестве ННТ( 1)m−′ϑ значение перегрева ННТ обмотки над маслом по концу предпо- следней ступени предыдущих суток относительно контролируемых суток, а в качестве P значение порядкового номера температуры масла по концу последней ступени за первые предыдущие сутки относительно контроли- руемых суток. При полном или частичном отсутствии данных телеизмерений тока нагрузки и температуры масла за первые предыдущие сутки относитель- но контролируемых суток необходимо значение перегрева ННТ обмотки над маслом для первой ступени эквивалентного прямоугольного графи- ка нагрузки контролируемых суток считать установившимся и определять по (7). Далее на основании построенного расчетного суточного графика зна- чений температуры обмотки производится определение износа изоляции и остаточного ресурса обмотки. Фактический износ витковой изоляции обмотки по каждой ступени контролируемых суток mT∆ (m = 1, …, m) в «нормальных сутках износа» (суточная гистограмма фактического износа) определяется согласно [2] ННТБННТСР2 , 24 60 [ ]/mm m m TF ∆= ⋅ Θ −Θ ∆ (8) где ННТСРmΘ – среднее значение температуры ННТ обмотки по каждой ступени эквивалентного прямоугольного графика нагрузки согласно [3]; 48 ННТБmΘ – базовая условно постоянная температура наиболее нагретой точ- ки обмотки, при которой скорость расчетного износа витковой изоляции соответствует сроку службы изоляции, °С. Для витковой изоляции класса нагревостойкости А следует принимать 98 °С [2]; ∆ – температурный ин- тервал, при изменении на который температуры наиболее нагретой точки обмотки расчетный износ витковой изоляции изменяется в два раза; при- нимать ∆ = 6 °С, если нет других значений, определяемых из характери- стик витковой изоляции «температура – срок службы» [2]; mT∆ – длитель- ность каждой ступени, определяемая по (4); m – подстрочный индекс, обо- значающий порядковый номер ступени. Фактический суммарный суточный износ витковой изоляции обмотки в «нормальных сутках износа» по эквивалентному ступенчатому графику нагрузки определяется согласно [2] сут 1 , m mF F=∑ (9) где т (1, 2, …, т) – текущий номер и количество суммируемых ступеней; Fm – фактический износ по каждой ступени нагрузки в «нормальных сут- ках износа», определяемый по (8). Фактический суммарный износ витковой изоляции обмотки в «нор- мальных сутках износа», считая от даты ввода в эксплуатацию трансфор- матора (автотрансформатора) на данной подстанции, можно рассчитать пред сут ,F F F= + (10) где предF – фактический предыдущий износ витковой изоляции обмотки в «нормальных сутках износа» до ввода в эксплуатацию задачи на данной подстанции (параметр настраиваемый). Фактический остаточный ресурс витковой изоляции обмотки в «нор- мальных сутках износа» находим по формуле ост nom ,F F F= − (11) где nomF – нормативный износ витковой изоляции обмотки в «нормальных сутках износа» (параметр настраиваемый). В результате решения задачи (по запросу) для каждого трансформатора (автотрансформатора) формируются и выводятся на печать: • исходные суточные графики нагрузки и температуры масла; • суточный исходный расчетный график относительной нагрузки; • суточный эквивалентный прямоугольный график относительной нагрузки; • суточный график теплового состояния ННТ обмотки; • гистограмма суточного износа витковой изоляции обмоток. В Ы В О Д Ы 1. Задача текущего учета ресурса трансформаторов и автотрансформа- торов позволяет формировать расчетные гистограммы посуточного износа витковой изоляции обмоток, что дает возможность оперативно следить за 49 техническим состоянием и принимать решения об их дальнейшей работе либо проведении профилактических или восстановительных работ. 2. Расчетные суточные эквивалентные прямоугольные графики нагруз- ки и графики температуры наиболее нагретой точки обмотки трансформа- торов и автотрансформаторов обеспечивают текущий контроль их темпе- ратурно-нагрузочных режимов работы, возможность оптимизации этих режимов, более эффективную эксплуатацию. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Б а р к а н, Я. Д. Эксплуатация электрических систем / Я. Д. Баркан. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 39–53. 2. Т р а н с ф о р м а т о р ы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки: ГОСТ 14209–85. 3. Э л е к т р и ч е с к а я часть станций и подстанций / под ред. А. А. Васильева. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – С. 44–45, 330–334. Поступила 12.02.2009