Путевые заметки Случай Седьмой

 
Июль 2010. Случай Седьмой... О несбыточных (трудно выполнимых) пожеланиях. Или как измерить потери холостого хода и короткого замыкания в трансформаторах, находящихся в эксплуатации.

Начиная с 2008 года, начались обращения с вопросом - как измерить потери холостого хода и короткого замыкания в трансформаторах, находящихся в эксплуатации.

При этом измерения потерь холостого хода и короткого замыкания не описаны и их проведение не требуются «Объемами и нормами испытаний электрооборудования».

Естественно возникает вопрос о возможности проведения данного перечня таких измерений в процессе эксплуатации трансформатора, готовности измерителей и наличии необходимого оборудования.

Понимая всю практическую несбыточность выполнения таких измерений, подчеркиваю – именно измерений, писал о тех требованиях, которые эти измерения предъявляют к диагностическим службам, источникам напряжения, измерительным приборам.

Однако моя информация порождала дополнительные обращения по этому поводу.

Недавно этот вопрос был задан в четвертый раз.

Раз так, решил, что надо написать о несбыточном или предложить как выполнить пожелание.

Итак…

Измерения потерь трансформатора (потери холостого хода и короткого замыкания) регламентируются ГОСТ 3484.1-88.

При этом стандартом определяются следующие общие требования:



В этом пункте обращает на себя внимание следующее:
- «…на аттестованных измерительных стендах…»
Где у нас они? У нас не то, что аттестованных, а просто стендов нет.
- «…измерять приборами класса точности не ниже 0,5…»
Амперметры и вольтметры может быть еще найдем, но где взять ваттметр, класса точности 0,5, да еще малокосинусный?
- «…Класс точности измерительных трансформаторов … не ниже 0,2…»
Может и найдем, или купим, но в какие суммы это влетит?

Требования к измерениям потерь короткого замыкания:




Ключевая проблема этого пункта для измерений в эксплуатации – «при помощи трехфазной измерительной схемы» - у нас нет регулируемых трехфазных источников питания, да еще такой мощности, чтобы произвести качественные измерения.



Можно говорить о том, что все трансформаторы напряжением 35 кА и выше имеют в опыте короткого замыкания косинус меньше 0,15, поэтому нам надо не один, а три малокосинусных ваттметра. А у нас и одного нет.



Это по сути требование к мощности испытательной установки.

Требования к измерению потерь холостого хода.



Здесь требования:

- подвести именно номинальное напряжение с малым возможным отклонением;

- обеспечить номинальную частоту;

- обеспечить форму кривой тока;

- для трехфазных трансформаторов напряжения по фазам должны быть симметричным.

Понятно, что обеспечить такие требования в условиях эксплуатации практически невозможно, отсутствуют установки с трехфазным регулируемым напряжением, отсутствуют средства контроля синусоидальности напряжения.

Кроме того, стандарт не дает возможности:

- измерять потери трехфазного трансформатора при однофазном питании;

- приводить (корректировать) потери в зависимости от величины испытательного напряжения.



Здесь к проблеме малокосинусных ваттметров добавляется требование наличия вольтметра средних значений.

Многим хочется, а в некоторых кампаниях в протоколах практикуется приведение потерь, измеренных при малом напряжении, к номинальному напряжению.

Это действие рекомендуется также в большом количестве книг и брошюр по измерениям трансформаторов.

Но, как было указано выше, для трехфазных трансформаторов ГОСТом не предусмотрено измерение от однофазных источников питания. Кроме того, в ГОСТе указано прямо, что к номинальному напряжению потери холостого хода измеренные при малом напряжении не пересчитываются



Таким образом, ясно, что выполнение измерений потерь короткого замыкания и холостого хода в соответствии с требованиями ГОСТа практически невозможно. Попытка оснащения измерителей необходимым оборудованием – исключительно затратна, особенно с учетом того, что это оборудование должно быть мобильным.

Вот и извечный вопрос: - Что же делать?

Прежде всего, необходимо ответить на вопрос - зачем мы хотим сделать подобные измерения, поскольку их выполнение выходит за рамки обычных работ и может быть достаточно затратным.

Если ответ – выбрать трансформаторы, имеющие высокие потери и требующие замены, то возникает следующие вопросы, а будут ли заменены такие трансформаторы (ведь новые трансформаторы очень дорогие, да и заводы-производители загружены), а где методика оценки экономической целесообразности эксплуатации или замены, а где деньги на новые трансформаторы.

Если ответ – для уточнения учета внутренних затрат на передачу энергии, то тогда какие последствия, что мы будем делать с этими данными. Если это данные для внутреннего пользования – то уж очень дорогие эти прихоти. Если для наружного – то опять же мы можем вернуться к вопросу замены трансформаторов, но уже в форме внешнего требования.

Измерения потерь «интересны с точки зрения оценки функциональности систем трансформатора». Но снова, – где критерии оценки, как оценивать результаты без динамики их изменения, ведь ранее же подобных измерений не проводилось.

Необходимо четко осознавать, что сами по себе измерения не уменьшат внутренние потери. Они только дадут информацию, а уменьшение внутренних потерь потребует существенных материальных затрат.

Возникает вопрос, готовы ли мы нести затраты на уменьшение внутренних потерь в энергосистеме, осознавая, что информация о потерях может быть недостаточно точной?

А если не готовы, то не слишком ли большая цена за информацию?

Но все же, поскольку измерения потерь очень интересная информация о состоянии трансформаторов, то возможно ли получить информацию, более менее точную, о потерях, без значительных затрат?

В поиске ответа на последний вопрос необходимо вспомнить о физике явлений, вызывающих потери в трансформаторе.

Потери короткого замыкания это:

- Потери, возникающие из-за протекания тока (номинального) по сопротивлению обмоток постоянному току.

- Добавочные потери.

Потери, возникающие из-за протекания тока (номинального) по сопротивлению обмоток постоянному току.

Эта часть потерь имеет квадратичную зависимость от величины тока.

Зависимость от температуры – прямо пропорциональная, поскольку сопротивления обмоток постоянному току зависят от температуры прямо пропорционально. Потери растут с ростом температуры. Скорость роста зависит от материала проводников.

Строгость зависимости от температуры может несколько уменьшаться, если учесть в токоведущей цепи обмоток переходные сопротивления контактов переключающих устройств, которые с ростом температуры могут уменьшаться. Однако эта погрешность не превышает величины соотношения переходного сопротивления к сопротивлению обмотки, то есть, как правило, не превышает сотых долей процентов.

Эти потери легко вычислить, зная сопротивления обмоток постоянному току и материал, из которого сделаны обмотки.

При отсутствии дефектов в токоведущей цепи эта часть потерь не изменяется в процессе эксплуатации.

Добавочные потери.

Потери от вихревых токов от потока рассеяния, которые возникают в проводах обмоток, обтекаемых потоком рассеяния, в металлических деталях элементов конструкции, в баке трансформатора. Эти потери возникают только при протекании тока нагрузки, зависят от величины тока квадратично.

Распределение потока рассеяния, а также распределение вихревых потерь, жестко связано с геометрией расположения металлических элементов в трансформаторе.

Таким образом, если отсутствуют смещения металлических элементов трансформатора друг относительно друга, эти потери не изменяются в процессе эксплуатации.

Вторая часть добавочных потерь – это потери в короткозамкнутых контурах, связанных с потоком рассеяния.

Такие контуры могут быть конструктивными (заложенными в конструкции трансформатора) и возникающими в процессе эксплуатации. Первые участвуют в заводских измерениях потерь короткого замыкания. Вторые возникают в результате нарушения конструкционной изоляции.

Возникающие короткозамкнутые контуры, связанные с потоками рассеяния, кроме того, что увеличивают потери, могут изменять конфигурацию потока рассеяния, что вносит дополнительные изменения добавочных потерь.

Третья часть потерь - потери от циркулирующих токов в параллельных проводах обмоток. Возникают из-за несоврешенства транспозиции в обмотке (участвуют в измерениях потерь короткого замыкания на заводе) или в результате дефектов – замыканий параллелей обмоток.

Зависимость добавочных потерь от тока (потока рассеяния) – квадратичная.

Зависимость от температуры обратно пропорциональная. С ростом температуры потери уменьшаются (увеличивается сопротивление материалов, которые пересекает магнитный поток, а соответственно уменьшается величина вихревого тока, это при постоянной величине потока-тока-напряжения).

Добавочные потери легко вычислить, вычтя из потерь короткого замыкания потери на сопротивлении обмоток постоянному току.

В то же время, невозможно расчленить потери от вихревых токов в обмотках в элементах конструкции, в короткозамкнутых контурах и из-за циркулирующих токов, а значит, затруднительно выявить место возникновения дефектов, которые привели к увеличению добавочных потерь.

Таким образом, поскольку зависимости потерь короткого замыкания от напряжения (тока) математически и физически строгие, это дает возможность контролировать потери короткого замыкания, измерив их при малом напряжении, и достаточно корректно приводить их к номинальному напряжению и необходимой температуре.

Выполнить измерения при малом напряжения в условиях энергосистем можно с помощью устройства Вектор 2.0, который, являясь векторметром, может заменить малокосинусный ваттметр.

Измерения должны быть произведены по одной из эквивалентных схем однофазного питания трансформатора при помощи четырех проводной схемы измерений с регистрацией напряжения, тока и потерь, а также – частоты.

Если отсутствует необходимость приведения потерь к определенной температуре, полученный результат измерений приводят к номинальному напряжению, используя квадратичную зависимость.

Для приведения и по напряжению, и по температуре необходимо разделить измеренные потери на потери на сопротивлении обмоток постоянному току и добавочные потери. Обе части потерь по напряжению приводятся одинаково, а вот по температуре - по различному, одни потери с увеличением температуры растут, другие – падают.

Для определения потерь на сопротивлении обмоток постоянному току необходимо измерить сопротивления обмоток постоянному току. По результатам этих измерений вычислить потери на этих сопротивлениях.

Вычтя из измеренных потерь потери на сопротивлениях обмоток можно получить величину добавочных потерь.

Обе части потерь привести по напряжению и по температуре.

Таким образом, потери короткого замыкания наших трансформаторов мы можем достаточно точно определить (оценить) в условиях эксплуатации.

Потери холостого хода это:

- Потери на вихревые токи из-за протекания основного магнитного потока по пластинам магнитопровода.

- Потери на гистерезис

- Потери в стыках магнитопровода.

- Потери в обмотках от тока намагничивания.

Потери на вихревые токи из-за протекания основного магнитного потока по пластинам магнитопровода.

Потери зависят от величины индукции магнитного потока, толщины листов стали, состояния межлистовой изоляции.

Зависимость от величины магнитного потока – квадратичная.

Зависимость от толщины листов – близкая к линейной.

Зависимость от состояния межлистовой изоляции математически точно определить невозможно, как невозможно определить местоположение и количество точек, в которых повреждена межлистовая изоляция. Можно говорить об удвоении, утроении, учетверении и т.д. потерь на маленьких участках магнитопровода

Потери на гистерезис

Это потери внутри электротехнической стали, которые связывают с изменением границ и направлений намагничивания участков кристаллической структуры – доменов.

Зависимость величины потерь от индукции магнитного потока (напряжения) нелинейная и сложная, различная на разных участках кривой намагничивания.

Потери в стыках магнитопровода.

Возникают из-за того, что электротехническая сталь в местах стыков перенасыщается (при номинальном напряжении).

Зависимость этой части потерь от напряжения (индукции магнитного потока) сложная, поскольку часть потока проходит по стали и индукция потока выше, чем в другой части магнитопровода, а часть потока по воздуху. Это соотношение будет все время меняться от величины напряжения обмоток. Если говорить об индукциях и напряжениях, близких к номинальным, зависимость потерь в стыках будет приближаться к линейной.

Потери в обмотках от тока намагничивания

Минимальны при отсутствии перевозбуждения, поскольку выделяются на сои противлении только одной обмотки постоянному току при токе, который не превышают единиц или долей процентов от номинального тока.

В режимах перевозбуждений токи могут превышать номинальные, в момент включения даже в несколько раз, но выделяются кратковременно.

Поскольку, потери холостого хода имеют много составляющих, которые по разному изменяются от напряжения и в результате старения, это не позволяет с достаточной точностью предсказать потери холостого хода при номинальном напряжении по результатам измерений потерь холостого хода при малом напряжении.

Используемые в литературе и ряде нормативных документов формулы на самом деле не работают и зачастую, при значительном увеличении потерь, измеряемых при малом напряжении, реальные потери холостого хода увеличиваются незначительно.

Таким образом, мы не можем, измерив потери холостого хода при малом напряжении говорить о потерях холостого хода при номинальном напряжении.

И снова извечное что делать?

В условиях подстанций мы в качестве источника напряжения имеем трехфазную систему 0,4 кВ. Это номинальное напряжение обмоток НН достаточно большого числа распределительных трансформаторов.

Для выполнения трехфазных измерений мы имеем измерительные комплекты К-50, К-505, К-540.

Такой комплект позволяет выполнение трехфазных измерений потерь холостого хода трансформатора со схемой соединения обмоток НН звезда с нулем и соответствующей сети питания 0,4 кВ с нулевым (заземляющим) проводом.

Комплекты, имея встроенные трансформаторы тока, позволяют оценить потери ХХ для трансформатора мощностью до 16000кВА (если трансформаторы тока рассчитаны на 600А) или до 1600 кВА (если трансформаторы тока рассчитаны на 50А), при токе холостого хода до 2% и при наличии источника питания необходимой мощности.

Ключевое слово здесь «оценить», поскольку в комплектах не установлены малокосинусные ваттметры, мы не можем производить одновременно измерения в трех фазах, невозможно обеспечить симметрию трехфазной системы, не определяется синусоидальность подаваемого напряжения. То есть – мы не можем строго выполнить условия ГОСТа.

Для обмоток НН, соединенных в треугольник измерения от сети 0,4 кВ должны производиться по однофазным схемам питания с использованием выкорачивания одной из фаз трансформатора (как в измерениях при малом напряжении).

При этом максимальные мощности трансформаторов, на которых можно оценить потери холостого хода составят - до 10000 кВА (при встроенных трансформаторах тока комплекта на 600 А) и до 1000 кВА (при встроенных трансформаторах тока на 50 А), при токе холостого хода до 2% и при достаточной мощности источника питания.

Здесь возникает дополнительная причина применения слова «оценить» - измерения выполняются не в трехфазном режиме.

При соединении обмоток 0,4 кВ в звезду без нуля, измерения для оценки при однофазном питании двух обмоток от источника с напряжением, равным двум фазным напряжениям – около 460 В

А что делать, с остальными классами напряжения - источников нет, трансформаторов тока нет, приборов нет? Что выхода нет?

Да, выполнить даже оценочные измерения потерь холостого хода мы не можем.

И опять – что же делать?

Размышляя над этой проблемой, вдруг подумалось - если мы не можем измерить потери, то может быть можем измерить что-то другое, что не потребует существенных затрат и позволит оценить потери холостого хода.

Что мы измеряем в наших сетях?

Ток – не подходит, напряжение – тоже, энергию… Энергию – киловатт-часы?.. Конечно энергию!

У нас везде установлены счетчики, если не установлены, то мы можем их установить или даже установить временно.

Отсюда и решение – включаем трансформатор на холостой ход на фиксированное время и фиксируем показания счетчика до и после эксперимента.

Разница показаний, деленная на время эксперимента – даст оценочную мощность потерь холостого хода.

Уфф…

Таким образом, в настоящее время, при имеющихся у нас измерительных ресурсах мы можем:

1. Достаточно точно вычислить потери короткого замыкания.

2. Оценить величину потерь холостого хода.

Вот написал и думаю, с одной стороны теперь можно будет просто отослать всех, кто будет обращаться с этим вопросом на сайт, – смотри «Путевые заметки. Случай седьмой», в телефонном разговоре даже эти несколько страниц не прочитаешь, а с другой стороны, учитывая все перечисленные проблемы не оставляет вопрос:

А нужны ли все эти потуги по измерениям, вычислениям, оценке, если это не станет причиной замены трансформаторного парка???