Моделирование тепловых процессов силовых трансформаторов с помощью программы «Nag_t»

Page 1
background image

Page 2
background image

90

АНАЛИТИКА

СЕТИ  РОССИИ

90

о

б

о

р

у

д

о

в

а

н

и

е

оборудование

С

иловые

 

трансформаторы

 

являются

 

одним

 

из

 

самых

 

распространённых

 

и

 

ответственных

 

типов

 

электро

-

оборудования

 

электрических

 

сетей

Выход

 

из

 

строя

 

трансформатора

 

приводит

 

к

 

существенным

 

убыткам

связанным

 

как

 

с

 

не

-

обходимостью

 

ремонта

 

повреждённой

 

элек

-

трической

 

машины

 

или

 

приобретением

 

новой

так

 

и

 

с

 

недоотпуском

 

электроэнергии

Работа

 

трансформатора

 

в

 

послеаварийном

 

режиме

 

с

 

нагрузкой

превышающей

 

его

 

номинальную

 

мощность

значительно

 

увеличивает

 

вероят

-

ность

 

его

 

повреждения

 

и

 

полного

 

прекраще

-

ния

 

электроснабжения

 

потребителей

В

 

связи

 

с

 

этим

прогнозирование

 

допустимого

 

времени

 

перегрузки

 

при

 

заданной

 

кратности

 

или

 

опре

-

деление

 

максимально

 

допустимой

 

нагрузки

 

по

 

известной

 

длительности

 

аварийного

 

режима

 

являются

 

весьма

 

важными

 

практическими

 

во

-

просами

.

Задачу

 

расчёта

 

допустимой

 

длительности

 

перегрузки

 

силовых

 

трансформаторов

 

в

 

после

-

аварийных

 

режимах

 

целесообразно

 

решать

 

пу

-

тём

 

максимального

 

использования

 

существую

-

щих

 

систем

 

термоконтроля

 

трансформаторов

 

и

 

уже

 

находящихся

 

в

 

эксплуатации

 

информа

-

ционно

-

управляющих

 

систем

 (SCADA-

систем

). 

С

 

этой

 

целью

 

в

 

ФГБОУ

 

ВО

  «

Вятский

 

государ

-

ственный

 

университет

» 

была

 

разработана

 

специализированная

 

компьютерная

 

програм

-

ма

 «Nag_t» 

для

 

определения

 

длительности

 

и

 

кратности

 

безопасной

 

перегрузки

 

с

 

учётом

 

мак

-

симально

 

возможного

 

количества

 

влияющих

 

факторов

текущей

 

температуры

 

верхних

 

сло

-

ёв

 

масла

графика

 

нагрузки

 

непосредственно

 

перед

 

аварийным

 

режимом

температуры

 

ох

-

лаждающей

 

среды

 

и

 

т

.

д

Для

 

решения

 

данной

 

задачи

 

использовались

 

математические

 

моде

-

ли

 

тепловых

 

процессов

происходящих

 

в

 

транс

-

форматорах

 

с

 

масляной

 

системой

 

охлаждения

изложенные

 

в

 [1].

Алгоритм

 

расчёта

 

допустимых

 

длительности

 

и

 

кратности

 

аварийной

 

перегрузки

 

трансфор

-

матора

 

основан

 

на

 

прогнозе

 

температур

 

мас

-

ла

 

в

 

верхних

 

слоях

 

и

 

наиболее

 

нагретой

 

точке

 

при

 

текущих

 

значениях

 

коэффициента

 

загрузки

 

и

 

температуры

 

окружающей

 

среды

Исходные

 

данные

 

для

 

расчёта

 

поступают

 

как

 

телеметри

-

ческая

 

информация

 

с

 

подстанций

где

 

установ

-

лены

 

контролируемые

 

трансформаторы

На

 

их

 

основе

 

программа

 

моделирует

 

и

 

прогнозирует

 

тепловой

 

режим

 

трансформатора

а

 

также

в

 

случае

 

необходимости

выдаёт

 

предупрежда

-

ющие

 

и

 

рекомендующие

 

сообщения

 

пользо

-

вателю

Программа

 

может

 

одновременно

 

кон

-

тролировать

 

режим

 

работы

 

любого

 

заданного

 

количества

 

трансформаторов

Моделирование

 

теплового

 

режима

 

осуществляется

 

численно

 

с

 

некоторым

 

шагом

 

по

 

времени

При

 

этом

 

при

-

нимается

что

 

на

 

протяжении

 

каждого

 

шага

 

на

-

грузка

 

трансформатора

 

и

 

температура

 

окружа

-

ющей

 

среды

 

не

 

изменяются

Для

 

обеспечения

 

приемлемой

 

точности

 

моделирования

 

времен

-

ной

 

шаг

 

должен

 

быть

 

много

 

меньше

 

тепловой

 

постоянной

 

времени

 

трансформатора

Для

 

каждого

 

трансформатора

 

обработка

 

телеметрической

 

информации

 

и

 

оценка

 

тепло

-

вого

 

режима

 

осуществляются

 

по

 

следующему

 

алгоритму

.

1. 

Получаются

 

данные

 

о

 

текущей

 

темпера

-

туре

 

воздуха

 

в

 

месте

 

установки

 

рассматрива

-

емого

 

трансформатора

 

θ

а

 

и

 

по

 

величине

 

тока

 

нагрузки

 

I

Т

Рассчитывается

 

коэффициент

 

за

-

грузки

 

трансформатора

 

К

ЗАГР

 =  

I

Т

 / 

I

НОМ

.

Моделирование тепловых 

процессов силовых 

трансформаторов с помощью 

программы «Nag_t»

Алексей БЕССОЛИЦЫН, к.т.н., доцент,

 Александр ГОЛГОВСКИХ, к.т.н., доцент, 

кафедра «Электрические станции», Вятский государственный университет, г. Киров

Игорь КАЙСИН, первый заместитель директора — главный инженер филиала 

«Кировэнерго» ПАО «МРСК Центра и Приволжья»


Page 3
background image

91

 4 (31) 2015

91

2. 

Рассчитываются

 

установившиеся

 

температуры

 

верхних

 

слоёв

 

масла

 

θ

о

 

уст

 

и

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

 

трансформатора

 

θ

уст

 

по

 

методике

изложенной

 

в

 [1], 

при

 

условиях

определённых

 

в

 

предыдущем

 

пункте

3. 

Определяются

 

значения

 

контролируемых

 

тем

-

ператур

 

и

 

θ

о

 tk

 

и

 

θ

h tk

 

по

 

окончании

 

текущего

 

шага

 

вре

-

мени

 

t

θ

K

 = 

θ

H

 + (

θ

y

 - 

θ

H

 ) [1- e

-(

t

/

τ

о

)

] ,

где

 

θ

H

 — 

температура

 

в

 

начале

 

рассматриваемо

-

го

 

интервала

 

времени

;

θ

у

 — 

установившаяся

 

температура

 

при

 

текущей

 

нагрузке

 

K

 

и

 

при

 

текущей

 

температуре

 

окружающей

 

среды

 

θ

a

,

τ

o

 — 

тепловая

 

постоянная

 

времени

 

масла

.

4. 

Выполняется

 

анализ

 

прогнозируемых

 

темпера

-

тур

 

верхних

 

слоев

 

масла

 

и

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

 

по

 

достижению

 

установившегося

 

режима

 (

в

 

случае

если

 

условия

определённые

 

в

 

первом

 

пункте

со

-

хранятся

 

на

 

бесконечно

 

долгое

 

время

и

 

в

 

конце

 

те

-

кущего

 

шага

 

времени

.

4.1. 

Если

 

рассчитанные

 

во

 

втором

 

и

 

третьем

 

пун

-

ктах

 

величины

 

контролируемых

 

температур

 

меньше

 

предельно

 

допустимых

 

значений

то

 

делается

 

вы

-

вод

что

 

текущий

 

тепловой

 

режим

 

может

 

продол

-

жаться

 

неограниченно

 

долго

 

и

 

никаких

 

сообщений

 

пользователю

 

не

 

выдаётся

.

4.2. 

Если

 

величина

 

хотя

 

бы

 

одной

 

ограничиваю

-

щей

 

температуры

 

θ

о

 tk

 

или

 

θ

h tk

рассчитанная

 

в

 

тре

-

тьем

 

пункте

превышает

 

предельно

 

допустимое

 

значение

то

 

делается

 

вывод

что

 

трансформатор

 

близок

 

к

 

перегреву

и

 

необходимо

 

немедленно

 

сни

-

жать

 

нагрузку

Определяется

 

предельно

 

допусти

-

мый

 

коэффициент

 

нагрузки

 

при

 

текущих

 

условиях

 

охлаждения

и

 

выдаётся

 

сообщение

 

пользователю

 

о

 

том

до

 

какой

 

величины

 

нагрузки

 

трансформатор

 

должен

 

быть

 

немедленно

 

разгружен

 

во

 

избежание

 

перегрева

.

4.3. 

Если

 

величины

 

обоих

 

ограничивающих

 

тем

-

ператур

 

θ

о

 tk

 

или

 

θ

h tk

рассчитанных

 

в

 

третьем

 

пун

-

кте

не

 

превышают

 

предельно

 

допустимых

 

значений

но

 

установившееся

 

значение

 

хотя

 

бы

 

одной

 

из

 

этих

 

температур

рассчитанное

 

во

 

втором

 

пункте

больше

 

максимально

 

допустимого

то

 

делается

 

вывод

что

 

при

 

сохранении

 

текущего

 

режима

 

работы

 

и

 

условий

 

охлаждения

 

трансформатор

 

рано

 

или

 

поздно

 

пере

-

греется

Но

 

до

 

этого

 

момента

 

существует

 

некоторый

 

запас

 

времени

Рассчитывается

 

время

 

до

 

перехода

 

трансформатора

 

в

 

зону

 

опасного

 

перегрева

 

и

 

выда

-

ётся

 

предупреждающее

 

сообщение

 

пользователю

 

с

 

указанием

 

допустимой

 

длительности

 

сохранения

 

те

-

кущего

 

режима

 

работы

.

5. 

Производится

 

переход

 

к

 

расчёту

 

изменения

 

температур

 

трансформатора

 

на

 

следующем

 

шаге

 

времени

При

 

этом

 

алгоритм

 

повторяется

 

с

 

перво

-

го

 

пункта

Текущие

 

величины

 

температуры

 

масла

 

в

 

верхних

 

слоях

 

и

 

температуры

 

наиболее

 

нагретой

 

точки

 

принимаются

 

равными

 

величинам

рассчитан

-

ным

 

в

 

третьем

 

пункте

 

настоящего

 

алгоритма

.

Представленный

 

алгоритм

 

на

 

каждом

 

шаге

 

вре

-

мени

 

последовательно

 

применяется

 

к

 

расчёту

 

из

-

менения

 

теплового

 

режима

 

всех

 

рассматриваемых

 

силовых

 

трансформаторов

.

Математическая

 

модель

 

изменения

 

температур

 

элементов

 

силовых

 

трансформаторов

 

с

 

масляным

 

охлаждением

изложенная

 

в

 [1], 

и

 

описанный

 

алго

-

ритм

 

анализа

 

теплового

 

режима

 

были

 

реализованы

 

в

 

компьютерной

 

программе

 «Nag_t». 

Оказалось

что

 

основной

 

трудностью

 

в

 

использовании

 

автоматизи

-

рованных

 

средств

 

прогнозирования

 

температуры

 

трансформатора

 

является

 

отсутствие

 

информа

-

ции

 

о

 

тепловых

 

параметрах

 

реально

 

используемых

 

трансформаторов

Перечень

 

необходимых

 

для

 

рас

-

чёта

 

величин

 

представлен

 

в

 

таблице

В

 

паспортах

 

на

 

трансформаторы

 

числовые

 

значения

 

данных

 

па

-

раметров

 

отсутствуют

а

 

в

 

ГОСТ

 [1] 

приведены

 

лишь

 

рекомендуемые

 

значения

 

для

 

масляных

 

трансфор

-

маторов

 

с

 

различными

 

видами

 

охлаждения

 (

показа

-

ны

 

в

 

третьем

 

столбце

 

таблицы

). 

Табл

Тепловые

 

характеристики

используемые

 

при

 

моделировании

 

тепловых

 

процессов

 

в

 

силовых

 

трансформаторах

 

по

 [1] (

на

 

примере

 

Т

-1 

и

 

Т

-2 

ПС

 «

Октябрьская

»)

Параметр

Обо

-

значе

-

ние

По

 

ГОСТ

По

 

ана

-

лизу

 

из

-

мерений

Показатель

 

степени

 

масла

х

0,9

0,33

Отношение

 

потерь

 

КЗ

/

ХХ

d

5,0

8,0

Тепловая

 

постоянная

 

времени

 

масла

τ

o

ч

3,0

8,2

Превышение

 

темпера

-

туры

 

масла

 

в

 

верхних

 

слоях

 

над

 

температурой

 

воздуха

θ

о

.

ном

о

С

 60

46,5

Компьютерная

 

программа

 «Nag_t» 

была

 

переда

-

на

 

для

 

опытной

 

эксплуатации

 

в

 

производственное

 

отделение

  «

Северные

 

электрические

 

сети

» 

фили

-

ала

  «

Кировэнерго

» 

ПАО

  «

МРСК

 

Центра

 

и

 

Привол

-

жья

». 

Для

 

первого

 

шага

 

апробации

 

были

 

выбраны

 

два

 

трансформатора

 

подстанции

  «

Октябрьская

». 

В

 

течение

 

нескольких

 

суток

 

рассчитывалась

 

темпе

-

ратура

 

масла

 

в

 

верхних

 

слоях

по

 

данным

 

о

 

токо

-

вой

 

нагрузке

 

трансформаторов

 

и

 

температуре

 

окру

-

жающей

 

среды

полученных

 

от

  «

ОИК

 

Диспетчер

». 

Сравнение

 

результатов

 

расчётов

 

с

 

результатами

 

измерений

полученных

 

от

 

термодатчиков

уста

-

новленных

 

на

 

трансформаторах

представлено

 

на

 

рисунке

.

Анализ

 

результатов

 

измерений

 

и

 

расчётов

 

по

-

зволяет

 

сделать

 

вывод

что

 

использованные

 

в

 

ма

-

тематической

 

модели

 

числовые

 

значения

 

тепловых

 

параметров

рекомендованные

 

ГОСТ

 [1], 

плохо

 

от

-

ражают

 

действительность

Это

 

наиболее

 

заметно

 

в

 

режиме

 

резкого

 

увеличения

 

нагрузки

 

трансфор

-

матора

когда

 

отличаются

 

не

 

только

 

величины

 

рас

-

считанной

 

и

 

измеренной

 

температуры

 

масла

но

 

и

 

наблюдается

 

разная

 

скорость

 

изменения

 

данных

 

показателей

После

 

накопления

 

статистики

 

измерений

 

темпе

-

ратуры

 

масла

 

в

 

течение

 

двух

 

месяцев

 

был

 

выполнен

 


Page 4
background image

92

СЕТИ РОССИИ

математический

 

анализ

 

опытных

 

данных

Данные

 

по

 

токовой

 

нагрузке

 

трансформаторов

 

и

 

результатов

 

измерений

 

температур

 

выгружались

 

из

  «

ОИК

 

Дис

-

петчер

» 

с

 

шагом

 

в

 

один

 

час

Обработка

 

данных

 

за

-

ключалась

 

в

 

поиске

 

методом

 

наименьших

 

квадратов

 

параметров

 

математической

 

модели

 

тепловых

 

про

-

цессов

 

трансформатора

которые

 

позволяют

 

наибо

-

лее

 

точно

 

аппроксимировать

 

результаты

 

измерений

 

температуры

 

масла

 

на

 

реальном

 

трансформаторе

Результаты

 

поиска

 

оптимальных

 

параметров

 

ма

-

тематической

 

модели

 

для

 

трансформатора

 

Т

ПС

 

«

Октябрьская

» 

приведены

 

в

 

чётвертом

 

столбце

 

таблицы

На

 

втором

 

этапе

 

апробации

 

программы

 «Nag_t» 

аналогичным

 

образом

 

обрабатывалась

 

статистика

 

измерений

 

температуры

 

масла

 

на

 

других

 

трансфор

-

маторах

  «

Кировэнерго

» 

для

 

поиска

 

оптимальных

 

параметров

 

их

 

тепловых

 

моделей

После

 

чего

 

вы

-

полнялись

 

измерения

 

и

 

сопоставительные

 

расчё

-

ты

 

по

 

математической

 

модели

 

тепловых

 

процессов

 

трансформатора

описанной

 

в

 

ГОСТ

 [1], 

но

 

при

 

па

-

раметрах

 

этой

 

модели

определённых

 

из

 

опытных

 

данных

За

 

период

 01.05.15 — 13.07.15 

расчёт

 

тем

-

пературы

 

верхних

 

слоёв

 

масла

 

относительно

 

изме

-

ренной

 

по

 

силовому

 

трансформатору

 

отличается

:

• 

Т

-1 

ПС

 110 

кВ

 «

Восточная

» — 

в

 

среднем

 

разница

 

между

 

измеренным

 

и

 

фактическим

 

значениями

 

не

 

более

 4 

градусов

Расчёт

 

достоверный

;

• 

Т

-1 

ПС

 35 

кВ

  «

Гнусино

» — 

в

 

среднем

 

разница

 

между

 

измеренным

 

и

 

фактическим

 

значениями

 

не

 

более

 1 

градуса

Расчёт

 

достоверный

;

• 

Т

-1 

ПС

 110 

кВ

 «

Заречная

» — 

в

 

среднем

 

разница

 

между

 

измеренным

 

и

 

фактическим

 

значениями

 

не

 

более

 2 

градусов

Расчёт

 

достоверный

;

• 

Т

-1 

ПС

 110 

кВ

 «

Октябрьская

» — 

в

 

среднем

 

разни

-

ца

 

между

 

измеренным

 

и

 

фактическим

 

значением

 

не

 

более

 2 

градусов

Расчёт

 

достоверный

.

Таким

 

образом

по

 

результатам

 

разработки

 

и

 

апробации

 

программы

 «Nag_t» 

для

 

прогнозирования

 

теплового

 

режима

 

силовых

 

масляных

 

трансформа

-

торов

 

можно

 

сделать

 

следующие

 

выводы

.

1.  

Математическая

 

модель

 

тепловых

 

процессов

 

в

 

силовом

 

масляном

 

трансформаторе

описанная

 

в

 

ГОСТ

 [1], 

может

 

быть

 

использована

 

при

 

про

-

гнозировании

 

температуры

 

элементов

 

реальных

 

силовых

 

трансформаторов

2.  

Условием

 

успешного

 

применения

 

указанной

 

ма

-

тематической

 

модели

 

является

 

определение

 

её

 

параметров

исходя

 

из

 

результатов

 

измерения

 

температуры

 

каждого

 

конкретного

 

трансформа

-

тора

.

3.  

Для

 

корректного

 

определения

 

величин

 

коэф

-

фициентов

 

в

 

математической

 

модели

 

тепловых

 

процессов

 

трансформатора

 

достаточно

 

исполь

-

зования

 

статистики

 

за

 

два

 

месяца

 

измерений

 

температур

 

с

 

шагом

 

в

 

один

 

час

.

Л

ИТЕРАТУРА

1.  

ГОСТ

 14209—85 (

СТ

 

СЭВ

 3916—82) 

Трансфор

-

маторы

 

силовые

 

масляные

 

общего

 

назначения

Допустимые

 

нагрузки

.

Рис

Результаты

 

измерений

 

и

 

расчётов

 

температуры

 

масла

 

трансформатора

 

Т

-1 

ПС

 «

Октябрьская

» 

за

 

период

 01.11.2013 — 06.11.2013

60

50

40

30

20

10

0

%

100

80

60

40

20

0

0.00 

12.00 

0.00 

12.00 

0.00 

12.00 

0.00 

12.00         0.00 

12.00 

0.00 

12.00 

Время

,

 

ч

Температура

о

С

Температура

 

окружающей

 

среды

Измерение

Расчёт

К

загр

К

загр


Читать онлайн

Силовые трансформаторы являются одним из самых распространённых и ответственных типов электрооборудования электрических сетей. Выход из строя трансформатора приводит к существенным убыткам, связанным как с необходимостью ремонта повреждённой электрической машины или приобретением новой, так и с недоотпуском электроэнергии. Работа трансформатора в послеаварийном режиме с нагрузкой, превышающей его номинальную мощность, значительно увеличивает вероятность его повреждения и полного прекращения электроснабжения потребителей. В связи с этим, прогнозирование допустимого времени перегрузки при заданной кратности или определение максимально допустимой нагрузки по известной длительности аварийного режима являются весьма важными практическими вопросами.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»