Микропроцессорная система управления охлаждением трансформатора

1. Анализ способов и систем охлаждения силовых трансформаторов

1.1 Общие положения

1.2 Виды систем охлаждения

1.3 Основные характеристики термометра ТКП-160Сг-М1

1.4 Система контроля и диагностики трансформаторного оборудования НЕВА-АСКДТ

1.5 Оптоволоконные системы измерения температуры наиболее нагретых точек обмотки трансформаторов

2. Специальная часть

2.1 Тепловые процессы в трансформаторе

2.2 Разработка микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора

2.3 Макетная часть

2.4 Плавный пуск асинхронного двигателя

3. Экономическая часть

4. Безопасность и экологичность проекта

4.1 Основные требования к организации работ с трансформатора 40 МВЧА и силовыми цепями до 300 кВ

4.2 Меры безопасности при эксплуатации трансформаторов Заключение Список использованных источников Приложения, А Приложения Б

Мы живем в мире, где технический прогресс не стоит на месте. С каждым днем технические системы становятся все более совершенными, однако далеко не все. Например, охлаждение трансформаторов на тяговых подстанциях.

Новый трансформатор можно приобрести с необходимыми характеристиками и современной системой охлаждения. Но как же поступать с трансформаторами, используемыми на сети железных дорог ОАО «РЖД», не имеющими новейших систем охлаждения и ресурс которых еще не выработан? Ответ очевиден — необходимо доработать существующую систему охлаждения, а может и вовсе разработать новую.

Актуальность дипломной работы заключается в следующем: микропроцессорная система охлаждения трансформатора позволит увеличить ресурс трансформаторов и двигателей вентиляторов системы охлаждения за счет рационального включения и отключения системы охлаждения, уменьшить затраты электроэнергии, выделяемые на нужды подстанции, а так же производить диагностику работы трансформатора.

Актуальность темы

дипломной работы связана со значительным распространением исследуемого явления и заключается в необходимости разработки рекомендаций по совершенствованию работы в данной области.

Объектом исследования являются трансформаторы на тяговых подстанциях.

Предметом исследования является система охлаждения, которой оборудованы трансформаторы тяговых подстанций.

Целью дипломной работы является рассмотрение систем охлаждения трансформаторов на тяговых подстанциях, выявление актуальных проблем, возникающих в процессе их работы, а так же поиск путей совершенствования механизма функционирования данных систем.

Задачами дипломной работы в соответствии с указанной целью являются:

а) рассмотреть функционирование существующей системы охлаждения трансформаторов;

б) проанализировать её работу и выявить недостатки;

в) изучить выявленные недостатки и наметить пути их решения;

г) разработать микропроцессорную систему охлаждения трансформатора.

Создание данной системы позволит обеспечить эффективное функционирование системы охлаждения трансформаторов на тяговых подстанциях.

А также с помощью разработанной системы управления охлаждением трансформатора будет осуществлен плавный пуск асинхронного двигателя.

Плавный пуск асинхронного двигателя необходим для предупреждения различного вида поломок, например:

а) предотвращение поломки подшипника, так как при отрицательных температурах, масло застывает и при резком запуске двигателя, подшипник ротора может прийти в негодность;

б) быстрого изнашивания передач;

в) соскальзывания ремней со шкивов;

Новизна дипломной работы в том, что разрабатываемая микропроцессорная система охлаждения в процессе своего функционирования использует данные температур внешней среды и обмоток, которая рассчитывается программно.

Введение

раскрывает актуальность, определяет степень научной разработки темы, объект, предмет, цель, задачи и методы исследования, раскрывает теоретическую и практическую значимость.

В первой главе проведен сравнительный анализ существующих способов и систем управления охлаждением трансформатора.

Вторая глава посвящена рассмотрению тепловых процессов, непосредственно связанных с нагревом обмоток трансформатора, описана разработка микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора, создание макетной части дипломного проекта, плавному пуску асинхронного двигателя.

В третьей главе приведен экономический расчет микропроцессорной системы управлением трансформатора и ее экономическое обоснование.

В четвертой главе отражает проблемы безопасности и экологичности проекта.

В заключении подводятся итоги и формируются выводы по рассматриваемой теме.

1. Анализ способов и систем охлаждения силовых трансформаторов

1.1 Общие положения

Для того чтобы понять необходимость и важность охлаждения трансформаторов следует разобраться из чего они состоят, и какие процессы в них протекают во время выполнения их основной функции — передачи электроэнергии.

Силовой трансформатор — стационарный электрический аппарат с двумя или более обмотками, который посредством электромагнитной индукции преобразует (изменяет) величину переменного напряжения до требуемого значения

Основными элементами трансформатора являются магнитопровод (сердечник) и обмотки.

Принцип действия трансформатора заключается в следующем: на первичную обмотку подается напряжение от внешнего источника, ток, протекая по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток в сердечнике, под действием электромагнитной индукции, переменный магнитный поток создает электродвижущую силу (далее по тексту ЭДС) индукции во вторичной обмотке.

При работе трансформатора происходит нагрев обмоток и сердечника из-за энергии потерь в меди и железе соответственно. Потери в сердечнике связаны с перемагничиванием и вихревыми токами. Потери в обмотках возникают при протекании рабочих токов в соответствии с законом Джоуля-Ленца Р=I²R. Нагрев обмоток выше нормативных пределов приводит к ухудшению её изоляционных свойств и в дальнейшем к старению и разрушению изоляции, поэтому трансформаторам необходимо эффективное охлаждение.

1.2 Виды систем охлаждения

По способу охлаждения трансформаторы делятся на следующие группы:

а) с естественным воздушным охлаждением;

б) с форсированным воздушным охлаждением;

в) с естественным масляным охлаждением;

г) с форсированным масляным охлаждением.

Трансформаторы с воздушным охлаждением называются сухими; трансформаторы с масляным охлаждением — масляными.

Все виды охлаждений трансформаторов, используемых в данное время, приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Соответствие условных обозначений видов систем охлаждения, принятых по ГОСТ, СЭВ и МЭК[1]

Рассмотрим систему охлаждения типа Д (принудительная циркуляция воздуха и естественная циркуляция масла) подробнее, оценим её достоинства и разберем недостатки.

Данная система проста и достаточно не дорога в изготовлении. Применяется для трансформаторов мощностью от 16 до 63МВЧА. К недостаткам стоит отнести образование застоев масла и как следствие неравномерное распределение тепла по всему объему масляного бака. Состоит система из масляного бака, заполненного трансформаторным маслом, в котором находится непосредственно сам трансформатор. На баке так же расположены радиаторы-охладители, с закрепленными на них вентиляторами для обдува. Вентиляторы нагнетают воздух с большей скоростью, чем при естественной циркуляции, увеличивая при этом теплоотдачу. По сравнению с системой охлаждения типа М (естественная циркуляция масла и воздуха) теплоотдача при охлаждении типа Д увеличивается в 2,5 раза.

Принцип работы системы охлаждения трансформаторов типа Д представлен на рисунке 1.

Обмотки и сердечник трансформатора при работе нагреваются, отдавая своё тепло маслу. В верхних слоях производится измерение температуры масла с помощью термометра манометрического конденсационного показывающего сигнализирующего ТКП-160Сг-М1. На приборе заданы установки по температуре, при которых происходит включение и отключение двигателей вентиляторов обдува. Включение или отключение происходит в момент, когда сигнализирующая стрелка, показывающая текущую температуру, достигает одной из границ, в этот момент срабатывает микропереключатель, и подает сигнал в шкаф автоматики обдува трансформатора, в котором собрана релейно-контакторная схема управления двигателями обдува.

Рисунок 1 — Принципиальная схема естественного масляного охлаждения трансформатора при принудительной циркуляции воздуха

А — место попадания, циркулирующего, охлаждённого масла в обмотку с бака; В — место выхода, циркулирующего, нагретого масла с обмотки в бак; С — место попадания, циркулирующего, нагретого масла в бак с обмотки; D — место выхода, циркулирующего, охлаждённого масла с бака в обмотку.

В точке, А масло, циркулирующее в баке трансформатора, попадает в обмотку, проходя по ней оно нагревается и по закону теплообмена поднимается вверх, достигая при этом точки В. После чего из точки В масло, находящееся в верхних слоях выдавливается в радиаторы маслом из более низких слоев. Масло, продвигаясь от точки В до точки С немного охлаждается, это связано с теплоотдачей кот крышки трансформатора и верхней частью трансформаторного бака. На участке С-D масло интенсивно охлаждается при помощи вентиляторов, расположенных под радиаторами и нагнетающими воздух вертикально вверх. После прохождения данного участка охлажденное масло снова поступает в точку, А и процесс повторяется снова.

1.3 Основные характеристики термометра ТКП-160Сг-М1

Манометрический конденсационный показывающий сигнализирующий термометр ТКП-160Сг-М1 предназначен для измерения теплотехнических параметров и управления внешними электрическими цепями от сигнализирующих устройств приборов.

По устойчивости к климатическим воздействиям изготавливаются в следующих исполнениях:

серия УХЛ относится ко второй категории по ГОСТ 15 150–69 и предназначена для работы при температуре от минус 50 до плюс 50 °C;

серия Т и ТВ, соответственно второй и третьей категории по ГОСТ 15 150–69. Приборы данных серий предназначены для работы при температуре от минус 10 до плюс 55 °C.

Устройство и работа термометра.

Основным узлом манометрического термометра, изображенного на рисунке 2, является термосистема.

Термосистема дистанционного термометра состоит из пружины манометрической 18 с держателем 14, термобаллона 1 и соединительного капилляра 4.

Манометрическая пружина 18 с держателем 14 крепится к плате 8 двумя винтами 20.

Капилляр 4 по всей длине защищен защитной оболочкой 3 выполненной либо из полиэтилена, либо из пружинной оболочки, либо из поливинилхлорида, либо из медных проволок. У мест крепления капилляра 4 с термобаллоном 1 и основанием 31 имеются вторичные оболочки 2, предохраняющие капилляр 4 от излома и пережатия в местах, наиболее подверженных перегибам.

Для точной настройки прибора ось 33 передаточного механизма собрана с поводком 32, в котором при помощи винта 10 перемещается ползун 11, изменяя длину плеча поводка 32 при регулировке термометра.

На оси 33 имеется шлиц, на котором при помощи винта 5 осуществляется сборка опоры 25. Опора 25 имеется два резьбовых отверстия для сборки стрелки 23. Стрелка 23 в месте сборки с опорой выполнена в виде кулачка, рабочий профиль которого приводит в действие рычаги 12, которые в свою очередь производят переброс контактов микропереключателей 17. Кулачок стрелки 23 в месте сборки с опорой 25 имеет два паза для точной настройки показаний стрелки на нижнем пределе измерения с помощью винтов 24.

Микропереключатели 17 и рычаги 12 собраны с кронштейнами 15 винтами 19 и 13. Кронштейны 15 в свою очередь с помощью винтов 16 собраны с указателями 22.

Рисунок 2 — Схема манометрического термометра ТКП-160С-М1

1 — термобаллон; 2 — вторичная оболочка; 3 — защитная оболочка; 4 — соединительный капилляр; 5,6,9,10,16,19,20,24,26,27,38 — винты; 7 — тяга; 8 — плата; 11 — ползун; 12 — рычаг; 13 — накладка; 14 — держатель; 15 — кронштейн; 17 — микропереключатель; 18 — манометрическая пружина;21 — циферблат; 22 — указатель; 23 — стрелка; 25 — опора; 28 — корпус; 29 — стойка; 30 — возвратная пружина; 31 — основание; 32 — поводок; 33 — ось; 34, 35 — втулки; 36 — верхняя плата; 37 — нижняя плата.

Рычаги 12 за счет паза могут перемещаться относительно кронштейнов 15 и кнопки микропереключателей 17, что дает возможность отрегулировать сигнальное устройство с минимальным усилием. Кронштейны 15 вместе с рычагами 12 и микропереключателями 17 за счет паза в указателях 22 могут перемещаться относительно указателей 22 и кулачками стрелки 23, чем достигается тонкая регулировка сигнализирующего механизма термометра.

Подшипниками оси 33 служат втулки 35, развальцованная в верхней плате 36, и втулка 34, запрессованная в нижней плате 37.

Возвратная пружина 30 одним концом закреплена на поводке 32, другим — на стойке 29. Указатели 22 насажены на втулку 35 и вращаются с натягом вокруг оси 33.

Циферблат 21 с помощью винтов 6 крепится к стойке 29, а механизм термометра — к основанию 31 винтами 38.

Принцип действия термометра основан на строгой зависимости давления насыщенных паров заполнителя термосистемы от температуры измеряемой среды. Принципиальная схема манометрического термометра ТКП-160Сг-М1 приведена на рисунке 3.

Измерение температуры контролируемой среды воспринимается заполнителем через термобаллон 1 и преобразуется в изменение давления, которое по капилляру 3 передается в манометрическую пружину 4. Манометрическая пружина 3 под действием давления разворачивается и через тягу 9 и поводок 11 поворачивает ось 10 и сидящую на ней стрелку 5. Задание предела температуры осуществляется двумя указателями 6 с помощью поводков 2.

Рисунок 3 — Принципиальная схема термометра

1 — термобаллон; 2 — поводок: 3 — капилляр; 4 — манометрическая пружина; 5 — стрелка; 6 — указатель; 7 — рычаг; 8 — микропереключатель; 9 — тяга; 10 — ось; 11 — поводок.

В момент достижения температуры, заданной указателями 6, рычаг 7 переходит с одной ступени кулачка стрелки 5 на другую; в одном случае под действием пружины рычаг 7 приближается к кнопке микропереключателя 8, в другом отходит от неё. В каждом случае происходит срабатывание микропереключателя 8 — замыкание или размыкание электрической цепи.

В заключении хотелось бы отметить, что система управления, использующая в своем составе ТПК-160, прослужила не один десяток лет и морально устарела. Термометр использует устаревшие принципы релейного управления охлаждением, из-за чего контакты микропереключателя зачастую выходят из строя. Выход из строя контактов реле приводит к их пригаранию (залипаниию), и как следствие к постоянному включению системы охлаждения и соответственно повышению расхода электроэнергии. Отгарания контактов наоборот приведут к перегреву трансформатора, так как охлаждение не будет функционировать, что приводит к уменьшению сроков службы трансформатора. Датчик температуры масла верхних слоев, расположенный на верхней крышке трансформатора, не редко ломают во время осмотра, по причине нерациональной его установки. Все оборудование для управления охлаждением расположено непосредственно на трансформаторе, что неблагоприятно влияет на точность работы этого оборудования, из-за воздействия вибраций и внешних факторов. Основным достоинством ТПК-160 является его дешевизна.

1.4 Система контроля и диагностики трансформаторного оборудования НЕВА-АСКДТ

Система НЕВА-АСКДТ предназначена для контроля и диагностики масляных трансформаторов. Разработана для трансформаторов классов напряжения 10−750 кВ мощностью от 2500 кВЧА до 500 МВЧА. Структурная схема размещения компонентов системы и направлением управляющих сигналов приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Структурная схема комплекса НЕВА-АСКДТ

Использование системы позволяет:

а) достоверно оценить техническое состояние трансформаторного оборудования;

б) снизить финансовые расходы на ремонт трансформатора за счет перехода на обслуживание по фактическому состоянию и отказа от регламентного обслуживания;

в) повысить надежность электроснабжения.

Основные функции:

— контроль температуры верхних и нижних слоев масла трансформатора;

— контроль температуры обмотки трансформатора;

— контроль уровня масла;

— контроль влагои газосодержания масла;

— контроль электрических параметров;

— контроль состояния изоляции маслонаполненных высоковольтных вводов;

— контроль давления масла на вводах трансформатора;

— контроль уровня вибрации трансформатора;

— сигнализация о выходе значений контролируемых параметров за установленные технологические пределы;

— оценка технического состояния трансформатора и его систем по комплексу измеренных параметров;

— автоматическое управление охлаждением трансформатора;

— представление данных в виде мнемосхем, таблиц и графиков на локальном мониторе и автоматизированном рабочем месте (далее по тексту АРМ) дежурного оператора;

— архивирование данных и событий на энергонезависимом носителе;

— передача данных измерений и событий в сеть автоматическая система управления (далее по тексту АСУ) станции по каналам Ethernet 10/100.

Комплекс НЕВА является универсальной системой контроля и диагностики трансформаторного оборудования. Зачастую потребителю не требуется контролировать все параметры работы трансформатора и всех возможностей НЕВА не требуется. К недостаткам стоит отнести то, что для монтажа всех элементов данной системы необходим останов трансформатора и разборка. Так же недостатком системы НЕВА является достаточно высокая цена ввиду большого набора модулей.

1.5 Оптоволоконные системы измерения температуры наиболее нагретых точек обмотки трансформаторов

LumaSMART — оптоволоконная система измерения температуры с люминесцентными датчиками для установки на трансформаторы высокого, сверхвысокого и ультравысокого напряжения, большие силовые трансформаторы и реакторы.

LumaSHIELD — оптоволоконная система измерения температуры с арсенид-галлиевыми датчиками для установки на распределительные трансформаторы и силовые трансформаторы малой мощности.

Оптоволоконные системы позволяют проводить прямые измерения температуры наиболее нагретых точек обмотки трансформаторов в реальном времени. Это позволяет постоянно отслеживать изменения состояния изолирующего материала обмоток и предотвращать аварии, которые возникают в результате медленных процессов разрушения изоляции. Оптоволоконные системы не требуют обслуживания и калибровки в течение всего срока эксплуатации трансформатора. При этом на результаты измерений не оказывают влияние такие неблагоприятные факторы как высокое напряжение или радиочастотное и электромагнитное излучение. Оптоволоконные системы измерения температуры имеют ряд других преимуществ, которые обеспечивают:

а) проведение контроля целостности конструкции трансформаторов и их качества;

б) прямой контроль за состоянием изоляции при динамическом увеличении нагрузки, что позволяет избежать повреждений изоляции, приводящих к снижению срока службы трансформатора;

в) точную установку уровня максимальной температуры во время сборки трансформаторов, который может рассматриваться как критический при последующей эксплуатации трансформаторов;

г) раннее обнаружение неисправностей систем охлаждения, которые не определяются обычными методами;

д) простоту определения необходимости обслуживания трансформаторов в зависимости от его состояния;

е) управление системами охлаждения непосредственно на основании результатов измерения температуры наиболее нагретых точек;

ж) использование интеллектуальных систем нового поколения для управления подстанциями, обеспечивая их данными о критической температуре.

Оптоволоконные системы имеют широкое распространение в современных технических системах, и трансформаторостроение не осталось в стороне. Оптоволоконный способ измерения температуры наиболее нагретых точек трансформатора является самым точным способом получения реальной температуры обмоток трансформатора на данный момент. Но, как и в случае с комплексом НЕВА, для установки оптоволоконной системы в трансформатор необходима его остановка и демонтаж, с целью установки датчиков непосредственно в те точки, в которых необходим контроль температуры, что является существенным недостатком данного способа. Преимуществом перед комплексом НЕВА является простота и относительная дешевизна.

2. Специальная часть

2.1 Тепловые процессы в трансформаторе

В главе рассмотрены тепловые процессы для общего понимания принципов работы трансформатора и вывода формулы для расчета наиболее нагретой точки обмотки трансформатора. Расчеты взяты из источника [2], так как в нем наиболее подробно рассмотрены процессы, касающиеся нагрева и охлаждения трансформатора, результаты которых экспериментально подтверждены.

Процесс нагревания однородного тела с коэффициентом теплоотдачи, не зависящим от температуры.

Под однородным телом с точки зрения нагрева подразумевается тело с бесконечно большой внутренней теплопроводностью, имеющее по всему своему объему одинаковую температуру и удельную теплоемкость.

Рассмотрим однородное тело, имеющее определенную массу, площадь поверхности, удельную теплоемкость и коэффициент теплоотдачи, которое в момент времени t = 0 нагрето выше температуры окружающей среды на. В момент t = 0 количество теплоты аккумулированное в теле, равно

(2.1.1)

где Q₀ — количество теплоты;

m — масса;

с — удельная теплоемкость;

Д?₀ — температура окружающей среды;

Уединенное тело без внутреннего источника тепла передает свою теплоту окружающей среде, и вместе с этим уменьшается его температура. За время количество теплоты уменьшается на

. (2.1.2)

Такое же количество теплоты dQ отдается за время dt окружающей среде

(2.1.3)

где б — коэффициент теплоотдачи;

F — площадь поверхности;

dt — время;

Если уравнения (2.1.2) и (2.1.3) приравнять, то после преобразований получаем следующее дифференциальное уравнение

. (2.1.4)

Введем обозначение

(2.1.4.1)

и назовем тепловой постоянной времени. Интегрируя уравнение (2.1.4), находим

. (2.1.4.2)

В момент имеем. Тогда постоянная интегрирования

. (2.1.4.3)

При подстановке выражения 2.1.4.3 для в уравнение 2.1.4.2 получаем

. (2.1.4.4)

Отсюда следует, что

и .

В результате получаем зависимость превышения температуры тела над температурой окружающей среды от времени для процесса охлаждения

. (2.1.5)

Аналогичным образом можно получить зависимость, описывающую процесс нагревания,

. (2.1.6)

Под Д?₀ здесь подразумевается то конечное превышение температуры, которое для нагревающегося тела достигается в установившемся режиме. Если тело с площадью поверхности F и коэффициентом теплоотдачи б передает потери P при установившемся превышении температуры поверхности, то, так как согласно теплоотдачи

(2.1.7)

тепловая постоянная времени нагрева может быть найдена по формуле

(2.1.8),

полученной из формулы 2.1.4.1.

В практических случаях отводимые потери, превышение температуры поверхности, масса и удельная теплоемкость тела бывают, как правило, известны.

Изменение превышения температуры нагревающегося тела в зависимости от времени происходит по экспоненциальному закону изображенному на рисунке 4.

Рисунок 4 — Экспоненциальная кривая нагрева тела

Из рисунка видно, какие значения температуры достигает обмотка трансформатора за моменты времени ф, 2ф, 3ф, 4ф. За время 4ф температура обмотки попадает в диапазон 90−100% от установившегося значения.

Процесс охлаждения трансформатора рассматривается, как охлаждение системы из трех тел. Этими телами для трансформатора являются обмотка, магнитопровод и масло. Предположим, что коэффициенты теплоотдачи этих тел не зависят от температуры.

Обозначим массу и удельную теплоемкость обмотки через m₁ и c₁ магнитопровода — через T₂ и C₂, масла — через T₃ и C₃.

В момент t=0 превышение средней температуры обмотки над температурой охлаждающей среды равно Д?₁₀, а содержащееся в обмотке количество теплоты равно

. (2.2.1)

Аналогичные обозначения введем для магнитопровода

и, (2.2.2)

и для масла

и. (2.2.3)

В процессе охлаждения обмотка и магнитопровод передают свое тепло маслу, а масло — охлаждающей среде по законам теплообмена. Передача теплоты между обмоткой и магнитопроводом не учитывается, так как расположенные между ними изоляционные цилиндры препятствуют непосредственному теплообмену между ними.

Обозначим площадь поверхности соприкосновения обмотки и масла через F₁. Коэффициент теплоотдачи этой поверхности б₁ примем постоянным, то есть не зависящим от температуры, а следовательно, и от характеристик масла.

Пренебрегая также перепадом температуры по толщине изоляции проводника, т. е. принимаем, что толщина изоляции бесконечно мала. Далее обозначим через F₂ и б₂ площадь теплоотдающей поверхности и коэффициент теплоотдачи магнитопровода, а через F₃ и б₃ — площадь теплоотдающей поверхности и коэффициент теплоотдачи радиаторов со стороны воздуха. Величины б₂ и б₃ принимаются также постоянными, то есть не зависящими от температуры. Перепадами температуры между маслом и стенкой радиаторов, а также по толщине стенки пренебрегаем.

Процесс охлаждения можно проследить на гидравлической аналоговой модели, изображенной на рисунке 5.

Рисунок 5 — Гидравлическая аналоговая модель для процесса охлаждения системы, состоящей из трех тел: F₁, F₂ F₃ — площадь поперечных сечений соединительных патрубков; h₁, h_2, h₃ — высота уровня воды; m₁, m₂ и m₃ — количество воды.

Количество теплоты обмотки, магнитопровода и масла в момент времени t=0 соответствуют количеству воды m₁, m₂ и m₃, превышениям температуры — высоты уровня воды h₁, h₂ и h₃, коэффициентам теплоотдачи — площади поперечных сечений F₁, F₂ и F₃ соединительных патрубков.

В момент отключения трансформатора открываются все три задвижки. В это время уровни воды во всех трех резервуарах начинают снижаться под действием собственного веса, находящейся в них жидкости, но снижение происходит не с одинаковой скоростью, так как между собой отличаются и высоты уровней, и объемы резервуаров, а также сечения патрубков. В тепловых моделях колебательные процессы отсутствуют, в аналоговой гидравлической модели они имеют место. По этой причине гидравлическая модель недостаточно точна, и вместо нее рассмотрим электрическую аналоговую модель, представленную на рисунке 6.

Количествам теплоты, содержащимся в отдельных телах, соответствуют емкости C₁, C₂ и C₃; обратным величинам коэффициентов теплоотдачи, то есть тепловым сопротивлениям, электрические сопротивления R₁, R₂ и R₃.

Рисунок 6 — Электрическая аналоговая модель для процесса охлаждения системы, состоящей из трех тел: C₁, C₂, C₃ — емкость; U₁, U_2, U₃ — потенциалы поддерживаемые источниками ЭДС; R₁, R₂, R₃ — электрическое сопротивление.

Превышениям температуры — потенциалы U₁, U₂ и U₃ поддерживаемые источниками ЭДС. В момент t = 0 отключаются источники постоянной ЭДС от точек 1, 2 и 3. В отключенной схеме конденсаторы C₁, C₂ и C₃ разряжаются через сопротивления.

Исследуем реальный физический процесс, происходящий в трансформаторе рисунок 7 и рисунок 8. В момент времени t после отключения превышения температуры обмотки, магнитопровода и масла над температурой охлаждающей среды составят соответственно Д?_1, Д?₂ и Д?₃. За промежуток времени dt эти превышения температур уменьшаются: для обмотки — на d (Д?₁) для магнитопровода — на d (Д?₂), для масла — на d (Д?₃).

Уменьшение количества теплоты, содержащегося в обмотке, за промежуток времени dt составит

. (2.2.1)

Это уменьшение количества теплоты в обмотке равно количеству теплоты, переданной от обмотки к маслу через поверхность площадью F₁ при коэффициенте теплоотдачи б₁ за тот же промежуток времени dt

. (2.2.2)

Рисунок 7 — Физический смысл обозначений, принятых в системе дифференциальных уравнений процесса охлаждения.

Рисунок 8 — Обозначения, принятые в уравнениях процесса охлаждения системы, состоящей из трех тел

Если уравнения (2.2.1) и (2.2.2) приравнять и провести соответствующие преобразования, то получим дифференциальное уравнение для процесса охлаждения обмотки

(2.2.3)

Аналогичным образом можно записать, что количество теплоты, содержащейся в магнитопроводе, равно количеству теплоты, переданной от магнитопровода к маслу, и тогда после соответствующих преобразований получим дифференциальное уравнение процесса охлаждения магнитопровода

(2.2.4)

За промежуток времени dt количество теплоты, содержащейся в масле, с одной стороны, снижается из-за уменьшения температуры масла на d (Д?₃), а с другой — возрастает за счет количества теплоты, переданной маслу от обмотки и магнитопровода. Тогда для масла можно е записать следующее уравнение

(2.2.5)

которое преобразуется к виду

. (2.2.5.1)

Эта теплота передается воздуху через поверхность площадью F₃ при коэффициенте теплоотдачи б₃ и превышении температуры масла Д?₃. Следовательно,

. (2.2.6)

При рассмотрении тепловой постоянной времени было установлено, что трансформатор охлаждается или нагревается как система из трех тел. Было также отмечено, что экспоненциальный закон изменения температуры при охлаждении или нагревании справедлив только в том случае, если количество теплоты, отводимое в единицу времени, пропорционально превышению температуры.

В практических расчетах в целях ускорения и упрощения работы трансформатор рассматривается как система из двух тел, охлаждающихся или нагревающихся по экспоненциальному закону. Вводятся только две тепловые постоянные времени: для кривой изменения превышения температуры обмотки над температурой масла и для кривой изменения превышения температуры масла над температурой воздуха. Для краткости первую постоянную будем называть постоянной времени обмотки, вторую — постоянной времени трансформатора. Постоянная времени обмотки колеблется в пределах от 3 до 15 мин, а постоянная времени трансформатора — в пределах от 4 до 8 ч при естественной циркуляции масла и от 1 до 3 ч при принудительной циркуляции масла. Если нам известны установившиеся значения превышений температуры частей трансформатора для какого-либо момента времени, то при переходе в момент t=0 на какую-либо другую нагрузку превышение температуры в течение времени переходного процесса определяется как сумма превышения температуры в момент t=0 и разности установившихся превышений температуры при искомой нагрузке и нагрузке в момент t= 0 умноженной на. Данное замечание учтено в формуле (2.1.6).

Формула расчета температуры наиболее нагретой точки обмоток трансформатора по ГОСТ 14 209–97 имеет следующий вид

(2.2.7)

где _bi — начальное превышение температуры масла в нижней части;

_bu — установившееся превышение температуры масла в нижней части при нагрузке, прикладываемой в течение этого интервала времени;

₀ — постоянная времени масла.

Формула (2.2.7) с небольшими изменениями будет использоваться в программе для расчета наиболее нагретой точки обмоток трансформатора. Какие именно будут приняты изменения, описано в следующей, главе в разделе программной части.

2.2 Разработка микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора

Причиной разработки микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора послужил ряд следующих причин:

а) существующая система охлаждения при своём функционировании ведет контроль только 1 параметра — температуры верхних слоёв масла трансформатора;

б) в существующей системе не ведется контроль нагрузки трансформатора;

в) не учитывается так же и температура внешней среды, которая ведет непосредственное влияние на температуру, как масла, так и трансформатора в целом;

г) отсутствие возможности контролировать нагрузку трансформатора;

д) нерациональная работа двигателей вентиляторов системы охлаждения и как следствие повышенное энергопотребление;

е) система управления охлаждение расположена непосредственно на трансформаторе, при работе которого происходят вибрации, отрицательно сказывающиеся на её работу, а так же в системе не предусмотрен подогрев, что приводит к образованию конденсата;

ж) недостатки ТКП-161, описанные в первой главе.

Предлагаемая микропроцессорная система управления охлаждением трансформатора включает в себя следующие компоненты:

а) датчик температуры верхних слоев масла трансформатора;

б) датчик температуры внешней среды;

в) датчики тока фаз трансформатора А, В, С;

г) устройство плавного пуска;

д) датчик тока цепи двигателей обдува;

е) программируемый логический контроллер (далее по тексту ПЛК);

ж) блок индикации.

Принципиальная схема предлагаемой микропроцессорной системы охлаждения, изображенная на рисунке 9.

Датчик температуры верхних слоев масла 2 закреплен на верхней крышке трансформатора и погружен в трансформаторное масло, сигнал от датчика поступает на аналоговый вход ПЛК 1. Датчик температуры 3 установлен в той же среде, где размещен трансформатор и измеряет температуру этой среды, сигнал, которого аналогично поступает на аналоговый вход ПЛК. Датчики тока фаз А, В и С соответственно 4, 5 и 6 подключены к трансформаторам тока первичной обмотки и производят измерения значений токов с последующей передачей их на аналоговые входы ПЛК. Микропроцессорная система управления находится в помещении щитовой здания подстанции, что позволит избежать воздействия на него негативных факторов окружающей среды: влажность, вибрация, температурные воздействия, помехи, запыленность и так далее.

После сбора данных микропроцессор производит расчет температуры обмоток трансформатора по заранее заложенному алгоритму. Полученное значение сравнивается с температурой масла, измеренной датчиком, так происходит проверка на наличие сбоев при расчете или возникновении неполадок в системе. При превышении температуры обмоток заданных пределов программа подает сигнал включения системы охлаждения на устройство плавного пуска 7, которое производит плавный запуск двигателей приводов вентиляторов 10. В это время датчик тока цепи двигателей обдува 8 измеряет ток в цепи двигателей и подает в микропроцессор. После поступления сигнала с датчика 8, микропроцессор рассчитывает количество работающих двигателей, и контролирует работу охлаждения в целом. Если вдруг произошел сбой в работе охлаждения, система выдает сигнал на блок индикации 11 (предлагаемый вид блока индикации приведен на рисунке 10), на который так же выводятся показания токов фаз, температуры масла и внешней среды, количество работающих двигателей, информация о сбоях и неполадках системы. После того как значение температуры вернется в заданные пределы микропроцессор подает сигнал выключения системы охлаждения и УПП производит плавный останов двигателей системы охлаждения.

Рисунок 9 — Микропроцессорная система охлаждения трансформатора:

1 — промышленный логический контроллер; 2,3 — датчик температуры масла верхних слоев трансформатора и окружающей среды соответственно; 4,5,6 — датчики тока фаз А, В, С соответственно; 7- устройство плавного пуска; 8 — датчик тока в цепи двигателей; 9 — блок индикации и настройки; 10 — двигатели приводов вентиляторов.

Хотелось бы подробнее остановиться о возможности подключения к микропроцессору промышленной панели оператора. Данные панели бывают как черно-белые (монохромные) так и многоцветные (65 тыс. цветов). С помощью данной панели можно полностью визуализировать весь процесс работы системы охлаждения и расширить функциональность, как системы охлаждения, так и работы всех процессов подстанции в целом. Например, при подключении дополнительных датчиков появляется возможность управлять отдельно каждым двигателем, контролировать количество оборотов или вообще отключать его из системы на время ремонта или диагностики неисправностей, не останавливая при этом остальные двигатели.

С применением данной панели становится возможным контролировать нагрузку трансформатора за час, день, неделю, месяц, строить графики для большей наглядности, выводить затраты электроэнергии за определенный промежуток времени и так далее.

После того как все датчики находятся на своих местах согласно описанию можно производить настройку программы для работы.

Запуск микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора необходимо произвести при полностью охлажденном трансформаторе.

Особое внимание хотелось бы выделить формулам расчета температуры обмотки и количества работающих двигателей. Температура обмотки T_обм,, вычисляется по формуле (2.2.2.1)

(2.2.2.1)

где T_возд — температура окружающего воздуха, ;

к₁ — коэффициент без обдува, 0,78;

к₂ — коэффициент с обдувом, 0,25;

Р_хх — потери холостого хода, 40 кВт;

Р_кз — потери короткого замыкания, 240 кВт;

I_A — ток фазы А, измеряется датчиком, А;

I_В — ток фазы В, измеряется датчиком, А;

I_С — ток фазы С, измеряется датчиком, А;

I_A — номинальный ток трансформатора, 200 А.

Количество работающих двигателей N_{RAB_DV}, шт, вычисляется по формуле (2.2.2.2)

(2.2.2.2)

где N_DV — количество двигателей, 16 шт;

I_DV — ток двигателей, измеряется датчиком, А;

I_{DV_NOM} — ток двигателей номинальный, 1 А.

На первом этапе производится ввод параметров трансформатора, температурных значений и других значений. К ним относятся: потери холостого хода, потери короткого замыкания, номинальный ток трансформатора, номинальная мощность трансформатора, количество двигателей системы охлаждения, номинальный ток одного двигателя, пределы температуры масла и окружающей среды. На втором этапе происходит получение информации с датчиков. После чего полученные данные сравниваются со значениями, введенными на первом этапе. Результатом сравнения может быть два пути: первый — система работает правильно, все данные полученные с датчиков и преобразователей лежат в указанных на первом этапе пределах, и программа рассчитывает температуру обмоток; второй — в системе произошел сбой, обрыв или неисправность датчиков, на блоке индикации, представленном на рисунке 10, загорится индикатор сбоя, и на дисплее появится сообщение об ошибке начальных данных и будет предложен вариант включения системы охлаждения по температуре масла, либо ручной режим. Если же система работает правильно и все параметры в норме система каждую секунду снимает показания с датчиков и циклически вычисляет температуру обмоток, сравнивая её с пределами, введенными на первом этапе. Когда вычисляемая температура достигнет значения, при котором должна включиться система охлаждения, программа сравнит температуры масла и температуру, вычисленную аналитически они не должны отличаться более чем на 15 градусов. Если это условие выполняется, то программа посылается сигнал на устройство плавного пуска на запуск двигателей системы охлаждения. Если же условие не выполняется, то система выдаст сообщение о сбое и перейдет на программу охлаждения по температуре масла. При переходе на охлаждение по температуре масла, так же производится контроль значений температуры со значениями, введенными на первом этапе. Если температура находится в указанных пределах, то происходит сравнение с температурой, при которой необходимо включить охлаждение, и если она достигнута, то программа посылает сигнал устройству плавного пуска на включение системы охлаждения.

Если же температура масла вышла за указанные пределы, то программы выдаст сообщение о сбое и подаст сигнал на устройство плавного пуска о постоянной работе системы охлаждения до тех пор, пока программу не перезапустят либо не отключат автоматический режим. Перезапуск системы осуществляется путем отключения питания ПЛК. Повторный ввод параметров трансформатора при этом не требуется, так как они автоматически сохраняются в памяти ПЛК и могут быть изменены только во время первоначальной настройки исполняющей программы.

Рисунок 10 — Блок индикации и настройки

На экране блока индикации и настройки отображаются следующие параметры: текущая температура масла; аналитически рассчитанная температура обмоток; токи всех трёх фаз; количество работающих двигателей системы охлаждения. С помощью кнопок «Назад», «Вперед» и «Выбор» осуществляется ввод параметров трансформатора и коэффициенты для расчета температуры обмоток. Слева от экрана на блоке индикации и настройки сигнализируется текущее состояние системы охлаждения.

Для того что бы правильно составить программу для микропроцессора необходимо знать круг задач, которые она будет выполнять. В программе должно быть реализовано:

— ввод начальных условий;

— сравнение информации от датчиков с начальными условиями, и в случае ошибки выдача сообщение;

— расчет температуры обмоток;

— разделение режимов работы системы охлаждения на: ручной режим, автоматический режим (принудительный запуск или по алгоритму программы);

— контроль работы программы по температуре обмоток;

— контроль работы двигателей системы охлаждения и расчет их количества;

— выдача сигналов на устройство плавного пуска для управления двигателями системы охлаждения;

— вывод на экран основных параметров системы и сообщений об ошибках.

После того как задачи определены можно приступить к созданию алгоритма будущей программы.

Алгоритм:

1 — ввод начальных условий;

2 — выбор режима работы «Автоматический» или «Ручной»;

3 — если «Ручной», то охлаждение включается или отключается оператором соответствующими кнопками на блоке управления;

4 — если «Автоматический», то после получения информации с датчиков, идет проверка с начальными условиями;

5 — если данные не верны, то переход на шаг 11;

6 — если данные верны, то производится расчет температуры обмоток;

7 — контроль работы по температуре масла;

8 — если ошибка в расчете, то переход на шаг 11;

9 — если ошибки нет, то температура обмоток сравнивается с начальными условиями;

10 — если температура больше заданной границы, происходит включение системы охлаждения, если меньше отключение и возврат на шаг 2;

11 — охлаждение по температуре масла, если температура масла выше заданного предела происходит включение системы охлаждения, если меньше, то отключение и возврат на шаг 2;

12 — результаты выполнения программы выводятся на экран.

Блок — схема алгоритма программы для управления системой охлаждения трансформатора представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 — Блок — схема алгоритма для управления системой охлаждения трансформатора

После того так алгоритм действий составлен можно приступить к непосредственному написанию программы на любом из промышленных языков программирования контроллеров. Приступим к написанию программы на промышленном языке ST в среде Codesys V2.3. Листинг программы приведен в Приложение А.

2.3 Макетная часть

Разработанная система полностью готова к внедрению на реальные объекты (силовые трансформаторы тяговых подстанции), но из-за материальных сложностей продемонстрировать работу микропроцессорной системы охлаждения не получается, был разработан макет, демонстрирующий основные функции разработанной системы.

Для реализации макетной части потребовалось:

1) ПЛК фирмы овен серии 150−220 А-М для управления вентиляторами и расчета температуры резистора;

2) блок питания 12 В, 8,3 А постоянного тока для питания вентиляторов и резистора, имитирующий нагрев обмоток;

3) имитатор нагрева обмоток — керамический резистор сопротивлением 11 Ом;

4) температурный датчик LM335, для измерения температуры окружающего воздуха;

5) температурный датчик LM335, который будет измерять температуру резистора, для сравнения правильности работы рассчитываемой температуры;

6) 4 вентилятора размером 60×15 по 12 вольт и 0.08 ампер каждый;

7) резистор 1 Ом 5 Вт и резистор 0.01 Ом 25 Вт для понижения физических величин с целью подачи на входы ПЛК;

8) 3 метра соединительного многожильного провода сечением 0.75 мм²;

9) 2 кнопки, для выбора режима работы (автоматический или ручной) и для запуска системы расчета температуры;

10) тумблер включения нагрева резистора;

Целью создания макета послужила необходимость проверки формулы для расчета температуры обмоток.

На первом этапе прикрепляем все составные части макета к фанере или к древесно-стружечной плите (ДСП).

На втором этапе необходимо подключить все составные части по схеме приведенной на рисунке 12.

Рисунок 12 — Схема подключения макетной части: 1 — датчик температуры воздуха; 2 — ПЛК фирмы овен серии 150; 3 — релейный выход ПЛК; 4 — тумблер включения нагрева резистора, имитирующий нагрев обмоток трансформатора; 5 — резистор, понижающий ток до требуемого значения; 6 — резистор, понижающий ток до требуемого значения; 7 — резистор, имитирующий нагрев обмоток трансформатора; 8 — датчик температуры резистора; 9 — блок питания 12 В постоянного тока; 10 — вентиляторы охлаждения; 11 — кнопка выбора режима работы (ручной, автоматический); 12 — кнопка запуска системы расчета температуры После того как макет собран можно приступить к написанию программы для макетной установки. В макетной установке был использован ПЛК фирмы овен серии 150−220 А-М. Программное обеспечение, используемое для программирования данного вида ПЛК — Codesys V2.3. Выбранный язык программирования, ST. Листинг программы приведен в Приложении Б.

В макетной части реализованы не все возможности от полной программы микропроцессорной системы управления охлаждением трансформатора, так как макетная часть разработана с целью проверки правильности предлагаемой методики оценки температуры обмоток трансформатора и правильности расчетной формулы. Также в связи с этим формула для расчета несколько изменится. Температура расчета резистора T_расч,, вычисляется по формуле (2.3.1.1)

(2.3.1.1)

где Т₁ и Т₂ — постоянные времени, изменяются в зависимости от режима работы: Т₁=5,3 Т₂=1 для нагрева без системы охлаждения (СО); Т₁=8,6025 Т₂=0,6975 для охлаждения без СО; Т₁=2,9 Т₂=0 для нагрева с СО; Т₁=1 Т₂=0,5 для охлаждения с СО;

t — время, сек;

Т_уст — температура уставки,, вычисляется по формуле (2.3.1.2);

Т_нач — температура начальная,, на первом этапе программы присваивается температуре воздуха, на следующих этапах присваивается предыдущему значению температуры расчетной.

(2.3.1.2)

где T_возд — температура окружающего воздуха, ;

к₁ — коэффициент без обдува, 75,3796;

к₂ — коэффициент с обдувом, 25,3463;

I_дв — ток двигателя, 0,44 А;

I_двн — ток двигателя номинальный, 0,11 А;

I_рез — ток резистора А.

Количество работающих двигателей N_{RAB_DV}, шт, вычисляется по формуле (2.3.1.2)

(2.3.1.2)

где I_DV — ток двигателей, 0,44 А;

I_{DV_NOM} — ток двигателей номинальный, 0,11 А.