счетчик ресурса трансформатора при несимметричной нагрузке фаз

Формула изобретения

Счетчик ресурса трансформатора при несимметричной нагрузке фаз, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй и третий датчики тока, датчик температуры окружающей среды, второй приемопередатчик, регистр, микроконтроллер, первый-третий разряды порта А которого подключены соответственно к выходам первого-третьего датчиков тока, а вход порта В - к выходу датчика температуры окружающей среды, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно С - через регистр с входом цифрового индикатора, D - через второй приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, Е - с входом первого приемопередатчика.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники, предназначено для вычисления и индикации относительной интенсивности V износа изоляции обмоток трансформатора, а также может найти применение в качестве счетчика-регистратора использованного ресурса срока службы Т_ир изоляции обмоток трансформатора за каждый час, сутки, месяц.

Известен счетчик износа изоляции [1], содержащий блок питания, счетчик электрической энергии, усилитель тока, датчики температуры электрической изоляции.

Недостатками аналога являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности.

Известно устройство для определения начальных моментов любого порядка [2], содержащее входной зажим, функциональный преобразователь, интегратор, источник опорного напряжения, компаратор, одновибратор, первый и второй счетчики, генератор прямоугольных импульсов, блок деления, индикатор.

Недостатками этого аналога являются невысокая точность, обусловленная наличием в схеме устройства аналогового интегратора, выполненного на операционном усилителе и конденсаторе, а также узкие функциональные возможности.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является счетчик ресурса силового трансформатора [3], содержащий датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, квадратор, экспоненциальный преобразователь, функциональный преобразователь, накапливающий сумматор, блок деления, индикатор, перепрограммируемое запоминающее устройство, приемопередатчик, компьютер, генератор прямоугольных импульсов, таймер, таймер-часы, первый и второй счетчики, первый и второй одновибраторы.

Недостатками прототипа являются невысокая точность, обусловленная неучетом зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева (погрешность определения температуры обмоток трансформатора по этой причине может достигать 40% [4]) и неучетом влияния изменений температуры окружающей среды, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Техническая задача, решаемая изобретением, - повышение точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Указанная техническая задача решается благодаря тому, что в счетчик ресурса силового трансформатора, содержащий компьютер, цифровой индикатор, первый датчик тока, постоянное запоминающее устройство, генератор прямоугольных импульсов, первый приемопередатчик, выход которого соединен с входом компьютера, дополнительно введены второй и третий датчики тока, датчик температуры окружающей среды, второй приемопередатчик, регистр, микроконтроллер, первый - третий разряды порта А которого подключены соответственно к выходам первого - третьего датчиков тока, а вход порта В - к выходу датчика температуры окружающей среды, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с тактовым входом микроконтроллера, выходы портов которого соединены соответственно С - через регистр с входом цифрового индикатора, D - через второй приемопередатчик с входом постоянного запоминающего устройства, Е - с входом первого приемопередатчика.

Существенными отличиями предлагаемого счетчика являются введение дополнительных элементов (второго и третьего датчиков тока, датчика температуры окружающей среды, второго приемопередатчика, регистра, микроконтроллера), а также организация его новой структуры и введение новых связей между элементами. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности за счет учета зависимости активного сопротивления обмоток трансформатора от температуры нагрева и учета влияния изменений температуры окружающей среды, а также расширения функциональных возможностей устройства за счет возможности точного определения износа изоляции обмоток при несимметричной нагрузке фаз.

Схема счетчика приведена на фиг.1.

Схема счетчика содержит первый - третий датчики тока (ДТ) 1-3 фаз сети "А", "В", "С", микроконтроллер (МК) 4, датчик температуры окружающей среды (ДТОС) 5, генератор 6 прямоугольных импульсов (ГПИ), регистр 7, цифровой индикатор (ЦИ) 8, второй 9 и первый 10 приемопередатчики, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 11, компьютер 12. Выходы датчиков 1-3 тока соединены соответственно с первым - третьим разрядами порта А микроконтроллера 4, входы порта В которого подключены к выходу датчика температуры окружающей среды 5, а тактовый вход подключен к выходу генератора 6 прямоугольных импульсов, выходы портов микроконтроллера 4 соединены соответственно С - через регистр 7 с входом цифрового индикатора 8, D - через второй приемопередатчик 9 с входом постоянного запоминающего устройства 11, Е - через первый приемопередатчик 10 с входом компьютера 12.

Счетчик работает следующим образом.

Выходное напряжение ДТ 1-3, пропорциональное токам нагрузки I(f) фаз сети "А", "В", "С", поступает на вход порта А МК 4, разряды которого соединены с входом встроенного в МК 4 АЦП через аналоговый коммутатор. Датчики тока 1-3 могут быть выполнены на измерительных шунтах, включенных в цепь вторичной обмотки трансформаторов тока. Разряды порта А МК 4 с достаточно высокой скоростью поочередно подключаются к входу АЦП таким образом, чтобы получать цифровые коды токов фаз 50-100 раз за период. Эти коды возводятся в квадрат, а суммы квадратов накапливаются в трех ячейках в течение 1 мин.

Датчиком 5 один раз в минуту измеряется температура окружающей среды _окр, а температура обмотки трансформатора определяется из дифференциального уравнения нагрева по следующей формуле

где - коэффициент изменения сопротивления обмоток трансформатора в функции от температуры;

- температурный коэффициент сопротивления обмоток; имеет значение для меди _м=0,0041°С^-1, алюминия _а=0,0044°С^-1;

_ном^- номинальная длительно допустимая температура наиболее нагретой точки обмотки трансформатора; для большинства трансформаторов _ном=98°С; для трансформаторов с термически высококачественной изоляцией _ном=110°С;

₀=20°С - температура окружающей среды, принимаемая при определении номинальных параметров трансформатора по [5];

I_ном - номинальный ток трансформатора;

I_A,B,C - среднеквадратическое значение тока в фазах "А", "В", "С".

Разрешим уравнение (1) относительно производной температуры , а также сделаем замену

Для решения уравнения (2) перед началом измерений в памяти в МК 4 размещаются константы, значения которых приведены в таблице.

Константы
Номера ячеек	1	1	3	4	5
Значения кодов	1		0=20°

Относительная скорость износа изоляции V определяется в функции температуры обмотки трансформатора по формуле [5, 6]

где µ=0,116 - коэффициент, характеризующий интенсивность старения изоляции.

Износ (использованный ресурс срока службы) Т_ир изоляции за интервал времени Т=1 час, в соответствии с рекомендациями ГОСТ 14209-97 [5], определяется по формуле

Управление работой счетчика осуществляется следующим образом. Через одинаковые интервалы времени T=1 мин импульсом с выхода порта С в регистр 7 записывается значение относительной скорости износа изоляции V, которое в дальнейшем отображается на цифровом индикаторе 8, непрерывно обновляясь каждую минуту.

Первый приемопередатчик 10 один раз в час размещает в очередных ячейках ПЗУ 11: дату; час; значение износа Т_ир изоляции за этот час и т.д.

Преимуществами предлагаемого изобретения по сравнению с известными аналогами является его более высокая точность. Схема счетчика ориентирована на применение современной микроэлектронной основы - микроконтроллеров.

Источники информации

1. Авторское свидетельство 655976 СССР, МПК G01R 11/32, 1974.

2. Авторское свидетельство 2041496 СССР, МПК G06F 17/18, 1991.

3. Патент 2380715 РФ, МПК G01R 19/02, G01R 11/00, 2008 (прототип).

4. Осипов Д.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Омск, 2005.

5. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91. LOADING GUIDE FOR OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. - Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.

6. Никитин Ю.М., Тер-Оганов Э.В. Определение вероятностных характеристик случайного процесса относительного износа изоляции трансформаторов.//Электричество. - 1973. - № 9. - С.62-67.