Автоматизированный контроль и управление режимами работы трансформаторов тяговых подстанций

Актуальность темы

Увеличение масс грузовых поездов является одним из основных средств повышения пропускной способности железных дорог (ЖД). На некоторых участках ЖД организовано движение поездов весом до 8000 тонн. Продолжается работа по увеличению количества поездов весом более 5900 тонн. Повышение веса поезда положительно сказывается на экономике дороги и ОАО «РЖД» в целом. Однако движение тяжеловесных поездов создает значительные нагрузки на элементы системы тягового электроснабжения (СТЭ), увеличивая износ изоляции тяговых трансформаторов и другого электрооборудования. Кроме того, в отдельные моменты времени, например, при восстановлении графика движения в послеоконный период, имеют место режимы сгущения поездов, которые создают пиковые нагрузки на трансформаторы тяговых подстанций (ТП), значительно превышающие номинальные. Перегрузка трансформатора, допустимая в течение определенного времени, вызывает увеличение скорости старения твердой изоляции. Силовой трансформатор — один из важнейших элементов СТЭ, определяющих надежность электроснабжения. Кроме того, он является одним из наиболее дорогостоящих устройств СТЭ, поэтому своевременное диагностирование трансформатора, способное обеспечить детальную информацию о состоянии объекта, является актуальной задачей.

Величина и гармонический состав токов в обмотках силовых трансформаторов ТП зависит от тяговых токов электровозов. При повышении веса грузовых поездов уровень высших гармоник токов, протекающих по обмоткам тяговых трансформаторов, также увеличивается. В результате дополнительного нагрева, вызываемого гармониками, ускоряется износ оборудования и повышаются потери электроэнергии. Следовательно, учет дополнительного старения изоляции трансформаторов от воздействия высших гармоник также является актуальным.

В период спада размеров движения в 90-е годы были снижены объемы ремонтов устройств электроснабжения. Последнее десятилетие характеризовалось низким уровнем инвестиций в техническое перевооружение тяговых подстанций и электрических сетей. Все это привело к резкому росту изношенного электротехнического оборудования. В настоящее время на сети железных дорог России находятся в эксплуатации около 4500 силовых трансформаторов, в том числе около 2200 трансформаторов 110−220 кВ. Более 50% из них отработали установленный стандартами нормативный ресурс 25 лет. На Красноярской дороге общее количество трансформаторов 110 — 220 кВ составляет 77. Из них 33 трансформатора имеют срок эксплуатации 25 лет и более. Тринадцать трансформаторов отработали более 20 лет. Таким образом, более половины трансформаторов отработали установленный ресурс. Так как трансформаторы являются одним из наиболее дорогостоящих элементов системы электроснабжения, то наряду с плановой заменой устаревшего оборудования встает задача продления срока их эксплуатации. Решить данную задачу возможно методом ретроспективного анализа отработанного ресурса изоляции трансформаторов. При этом стало бы возможным определить остаточный ресурс изоляции каждого трансформатора и на основе методов прогнозирования определить вероятную дату его замены. Существующие методики не учитывают изменения свойств твердой изоляции трансформатора в зависимости от отработанного времени, поэтому разработка методов ретроспективного анализа износа изоляции также является актуальной задачей.

Эксплуатация технических средств железнодорожного транспорта, обеспечивающая безопасность движения поездов и высокую эффективность процесса перевозок, невозможна без объективной информации об их фактическом состоянии. Диагностика состояния электрооборудования СТЭ и контроль параметров его режимов предполагает сбор, передачу и обработку большого объема информации. Поэтому исследования по оптимизации объема выборки информации с соблюдением требований необходимой точности являются также актуальными.

Цель работы заключается в разработке комплекса методов и средств автоматизированной оценки теплового старения твердой витковой изоляции трансформаторов, а также методов ретроспективного анализа ее износа.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Разработка аналитической модели теплового старения изоляции и методов контроля трансформаторов с учетом дополнительного старения от влияния высших гармоник.

2. Оптимизация периода дискретизации процессов изменения параметров, характеризующих режим работы трансформатора, для формирования системы автоматизированного контроля теплового старения изоляции.

3. Разработка модели ретроспективного анализа теплового старения витко-вой изоляции тяговых трансформаторов с учетом внутрисуточного изменения нагрузки.

4. Разработка методов оценки теплового старения витковой изоляции трансформаторов на основании данных автоматизированной системы контроля и управления электропотреблением (АСКУЭ).

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории автоматического управления, имитационное моделирование, математическая статистика и спектральный анализ.

Достоверность результатов полученных в диссертационной работе, подтверждена экспериментальной проверкой основных положений, а также их сопоставления с результатами исследований других авторов.

В диссертации впервые получены и составляют предмет научной новизны следующие результаты:

1. Разработана модель старения витковой изоляции с учетом дополнительного нагрева от высших гармонических составляющих.

2. Определен оптимальный интервал дискретизации для автоматизированного контроля витковой изоляции трансформатора с соблюдением требований необходимой точности.

3. Разработана методика ретроспективного анализа износа изоляции трансформаторов.

4. Предложен метод определения эффективных нагрузок на основании данных АСКУЭ для оценки износа изоляции.

Практическая значимость.

Учет дополнительного старения от влияния высших гармоник позволяет уточнить износ изоляции трансформатора, особенно в период максимальных нагрузок.

Оптимизация периода дискретизации процессов изменения тяговой нагрузки и температуры масла трансформатора существенно сокращает объем выборки при соблюдении требований необходимой точности.

Метод ретроспективного анализа износа изоляции трансформаторов позволяет определить отработанный ресурс изоляции трансформаторов, длительно находящихся в эксплуатации, и определить вероятную дату их замены.

Алгоритм определения эффективных нагрузок на основании данных АСКУЭ позволяет производить непрерывный контроль отработанного ресурса изоляции трансформатора и формировать воздействия для управления режимами его работы.

Положения, выносимые на защиту:

• модель износа изоляции обмоток трансформатора с учетом значимых факторов;

• метод оценки старения витковой изоляции, вызванного нагрузочными токами и токами короткого замыкания;

• методика учета влияния высших гармоник на тепловое старение изоляции;

• уточненная методика определения температуры наиболее нагретой точки (ННТ) обмотки на основе данных о температуре верхних слоев масла;

• методика оптимизации объема выборки при аппаратном контроле изоляции трансформатора с соблюдением требований необходимой точности;

• алгоритм и программа ретроспективного анализа износа изоляции трансформатора;

• метод определения эффективных нагрузок на основании данных АСКУЭ для оценки износа изоляции.

• система контроля витковой изоляции тяговых трансформаторов на основе микроконтроллера.

Реализация результатов работы.

Программный продукт для ретроспективной оценки износа изоляции внедрен на Абаканской дистанции электроснабжения Красноярской железной дороги. Там же внедрена система контроля витковой изоляции тяговых трансформаторов на основе микроконтроллера.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2006, 2007; Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транссибирской магистрали в XXI веке», Чита, 2006; международном симпозиуме «Элтранс-2007», Санкт-Петербург, 2007.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано восемь статей. Одна из них опубликована в издании, рекомендованном ВАК для опубликования научных положений диссертационных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа представлена на 151 странице, включает 29 рисунков, 12 таблиц, библиографию из 123 наименований и 6 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель работы, научная новизна и практическая ценность диссертации.

В первой главе на основе проведенного анализа показана необходимость мониторинга трансформаторов. Выполнено сравнение диагностических возможностей комплексного обследования и использования стационарной системы мониторинга. Показано, какие системы обладают наибольшей эффективностью в предупреждении аварий трансформаторов. Описаны методы оценки технического состояния трансформаторов.

Вторая глава посвящена разработке аналитической модели старения изоляции и методов теплового контроля трансформаторов. Дана методика расчета износа изоляции в режиме короткого замыкания (КЗ). Сформирована модель учета дополнительного старения изоляции трансформатора от влияния высших гармоник. Показана необходимость непосредственного измерения температуры, верхних слоев масла трансформатора. Проведен анализ спектра гармоник для каждой фазы тяговых подстанций Абаканской дистанции. Проведены исследования скорости изменения температуры масла трансформатора и его нагрузки.

В третьей главе формируется ретроспективная модель старения витковой изоляции тяговых трансформаторов. Проведено обоснование закона распределения токов тяговых подстанций. Предложена методика учета внутри-суточной неравномерности тяговой нагрузки для оценки износа изоляции. Разработан алгоритм определения эффективных нагрузок на основании данных АСКУЭ для оценки износа изоляции. Предложен алгоритм восстановления графика суточного изменения тока. Разработана программа ретроспективной оценки теплового износа твердой витковой изоляции тяговых трансформаторов.

Четвертая глава посвящена аппаратной реализации теплового контроля трансформаторов в непрерывном технологическом процессе. Разработана система контроля старения витковой изоляции трансформаторов в непрерывном технологическом процессе с применением микропроцессоров. Произведено описание системы, принцип ее работы.

1. МОНИТОРИНГ РЕЖИМОВ РАБОТЫ И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ТРАНСФОРМАТОРОВ

Выводы:

1. Разработана система контроля теплового старения витковой изоляции трансформаторов тяговых подстанций с применением микропроцессора.

2. Для защиты микроконтроллера и компьютера от воздействия высоковольтных помех на входе схемы каждой фазы выполнена двухступенчатая защита в цепях тока и цепях напряжения.

3. Организовано непосредственное измерение температуры масла при помощи датчика устанавливаемого на трансформаторе. Второй датчик, производит измерения температуры окружающей среды. Эту температуру, можно использовать для организации работы подогревов оборудования подстанции и, кроме того, можно оценить погрешность, получаемую при определении температуры масла аналитическими методами.

4. Связь системы контроля с компьютером из-за дальности расположения последнего осуществляется по стандарту RS-485. В качестве линии связи используется экранированная витая пара с волновым сопротивлением —120 Ом. Имеется гальваническая развязка с портом компьютера.

5. Программа для управления системой контроля написана на языке СИ, отлажена в программе CodeVision AVR.

6. Система контроля позволяет оценивать отработанный ресурс изоляции трансформатора в непрерывном технологическом процессе, прогнозировать остаточный срок службы трансформатора. Оценка отработанного ресурса производится с учетом влияния высших гармоник. Все данные сохраняются в архиве и могут быть доступны для пользователя за все время работы системы.

7. В системе организовано управление режимами работы трансформатора, что позволяет значительно продлить срок его службы.

8. Разработанная система получилась очень дешевой, затраты на материалы и изготовление схем составляют примерно 10 000 рублей. Устройство компактно и пригодно для использования на силовых трансформаторах тяговых подстанций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана модель старения витковой изоляции с учетом фактора дополнительного нагрева от влияния высших гармонических составляющих. Учет дополнительного старения производится при помощи k-фактора. Анализ показал, что в границах электрических железных дорог имеются регионы, с различными значениями k-фактора.

2. Показано, что старение изоляции за период короткого замыкания и охлаждения от максимальной температуры, достигнутой в конце процесса КЗ, для тяговых трансформаторов не значительно в связи с непродолжительностью действия КЗ и его можно не учитывать.

3. Показано, что при организации теплового контроля трансформатора непосредственное измерение температуры масла повышает точность определения температуры ННТ, так как исключаются погрешности, возникающие при определении температуры масла аналитическими методами. Кроме того, точность повысится и потому, что при непосредственном измерении температуры масла автоматически учитывается фактор включения обдува трансформатора.

4. Анализ результатов исследования спектра гармоник для каждой фазы тяговых подстанций показал, что тепловой контроль необходимо производить для всех фаз трансформатора, так как нельзя однозначно указать фазу с наибольшим влиянием гармоник на старение изоляции.

5. В результате проведенных исследований скорости изменения температуры масла трансформатора и его нагрузки определен оптимальный интервал дискретизации, при котором сокращается объем выборки информации необходимой для передачи по каналам связи при неизменной точности определения математического ожидания. Показано, что неучет влияния корреляционной зависимости между соседними элементами случайной последовательности при определении интервала дискретизации и объема выборки, приводит к существенной погрешности оценок числовых характеристик в решаемой задачи

6. Сформирована ретроспективная модель отработанного ресурса твердой изоляции с учетом тенденций изменения нагрузки.

7. Разработан метод «разыгрывания» случайной нагрузки тяговой подстанции с учетом ее суточной неравномерности.

8. Доказана целесообразность привлечения нормального закона распределения нагрузки тяговой подстанции для реализации математической модели ретроспективного и перспективного анализа отработанного ресурса витковой изоляции трансформаторов. Показано, что в этом случае обеспечивается адекватность модели.

9. Сформирован алгоритм определение эффективных нагрузок по получасовым значениям расхода электроэнергии на основании данных АСКУЭ, для оценки износа изоляции и формирования воздействий для управления режимами работы, основываясь на интенсивности старения изоляции в отдельные моменты времени.

10.Сформирован алгоритм восстановления графика изменения тока и расчета отработанного ресурса тяговых трансформаторов.

11 .Разработана система контроля старения витковой изоляции трансформаторов тяговых подстанций с применением микропроцессора. Система позволяет оценивать отработанный ресурс изоляции трансформатора, прогнозировать остаточный срок службы трансформатора. Оценка отработанного ресурса производится с учетом влияния высших гармоник. Все данные сохраняются в архиве и могут быть доступны для пользователя за все время работы системы. В системе организовано непосредственное измерение температуры масла при помощи датчика, устанавливаемого на трансформаторе. Второй датчик производит измерения температуры окружающей среды. Эту температуру, можно использовать для организации работы подогревов оборудования подстанции и, кроме того, можно оценить погрешность, получаемую при определении температуры масла аналитическими методами. В системе организовано управление режимами работы трансформатора, что позволяет значительно продлить срок службы последнего.