9. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ТРАНСФОРМАТОРА БЕЗ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В некоторых случаях в условиях испытательных станции при нагреве мощных трансформаторов методом КЗ бывает необходимо знать температуру обмотки в любой момент времени, а следовательно, иметь возможность снять кривые нагрева и охлаждения этих обмоток. Кроме того, при испытаниях на нагрев трансформаторов большой мощности (которые проводят главным образом методом КЗ) определение температуры обмотки измерением ее электрического сопротивления после отключения нагрузки дает неточные результаты. Объясняется это тем, что соблюдение правил техники безопасности, особенно в условиях эксплуатации, требует значительного времени на отключение всех обмоток испытываемого трансформатора и подключение измерительного устройства. Поэтому измерение сопротивления обмоток под нагрузкой, т. е. без отключения трансформатора, является более точным и удобным, чем измерение с отключением.
Испытания на нагрев трансформаторов на подстанциях могут проводиться в период монтажа, пусконаладочных работ, при ревизиях трансформаторов, после ремонта или осмотра, а также в свободное от эксплуатации времени. Целью подобного рода испытаний может явиться выяснение следующих вопросов: I) определение превышения температуры масла в верхних слоях над температурой охлаждающей среды; 2) определение превышения температуры обмоток над температурой масла и охлаждающей среды; 3) определение эффективности охлаждающих устройств трансформатора, как-то: радиаторов, вентиляторов, охладительных колонок, работы насосов, электродвигателей и пр.; 4) определение допустимых режимов длительной работы трансформаторов в условиях эксплуатации при нарушении циркуляции воды или масла; 5) определение перегрузочной способности трансформаторов; 6) определение эффективности охлаждения трансформаторов в зависимости от ряда показателей, в частности зависимость охлаждения трансформатора от вязкости трансформаторного масла, которая сильно уменьшается при повышении температуры; 7) проверка и уточнение в некоторых случаях методики испытаний на нагрев трансформаторов, применяемой на испытательных станциях заводов-изготовителей.
Измерение температур в различных точках трансформатора в процессе нагрева, определение фактического расхода воды, количества охлаждающего воздуха, мощности, потребляемой электродвигателями, и пр. осуществляют методами, описанными выше. Определение средней температуры обмоток производят под нагрузкой трансформатора без отключения переменного тока при его испытании на нагрев методом КЗ. Впервые подобные схемы измерения были предложены И. А. Сыромятниковым [Л. 12-4]. После этого Всесоюзным научно-исследовательским институтом электроэнергетики (ВНИИЭ) была разработана аппаратура для измерения, которая нашла применение не только в условиях эксплуатации, но также и на испытательных станциях трансформаторных заводов.
Предположим, что трехфазный трансформатор при нагреве соединен по схеме на рис. 12-6, причем замкнута накоротко обмотка ВН, соединенная в звезду. Вследствие несимметрии напряжений отдельных фаз и наличия высших гармонических между точками О и О' будет некоторое напряжение переменного тока.
В трансформаторах, соединенных по схеме Ун/Д или У/Д, напряжение между точками О и О' невелико. Например, по тем же данным трехфазная группа однофазных трансформаторов 3x30 ΜΒ·Α, 165/13,2 кВ, 315/3940 А имеет напряжение между нулевыми точками (небаланс напряжения) на обмотке ВН (165 кВ) при нагреве номинальным током по методу КЗ 22.5 В (0,0137%). Значительно большее напряжение получается, если все обмотки (две или три) трансформатора соединены в звезду (например, У/Ун). Это бывает обусловлено составляющей третьей гармонической, имеющейся в магнитном потоке. В мощных трансформаторах одна из обмоток, как правило, соединена в треугольник, что исключает появление третьей гармонической, а следовательно, небаланс напряжения в этом случае весьма небольшой (сотые и тысячные доли процента).
Рис. 12-6. Нагрев трехфазного трансформатора со схемой соединения обмоток Ун/Д-11 методом КЗ.
Между нулевыми точками звезды 0 и 0 имеется напряжение переменного тока.
Рис. 12-8. Схема измерения электрического сопротивления обмотки методом вольтметра и амперметра с компенсирующими трансформаторами.
а — включен один компенсирующий трансформатор (КТ) с коэффициентом трансформации, равным единице; б — включены два ТН (Тр1 и Тр2).
Рис. 12-7. Принципиальная схема измерения электрического сопротивления обмотки методом вольтметра и амперметра при наличии в цепи напряжения переменного тока.
Наличие напряжения переменного тока на измеряемом сопротивлении исключает возможность применения обычных схем для измерения электрического сопротивления обмотки. Следует иметь такие схемы, в которых действие переменного тока было бы нейтрализовано. Для этой цели применяют мостовые схемы, а также метод вольтметра-амперметра.
Схема измерения электрического сопротивления обмотки постоянному току методом вольтметра и амперметра. Из рис. 12-7 следует, что постоянный ток от аккумуляторной батареи подают на обмотку трансформатора (R1, X1, Z1); при этом измеряют падение напряжения на обмотке и ток. Для ограничения переменного тока в цепь вольтметра (милливольтметра) включают реактивное и активное сопротивление х и г. Переменный ток в общей цепи постоянного тока ограничивается реактивным сопротивлением X. Значения реактивных сопротивлений х и X подбираются так, чтобы не было заметного дрожания стрелок магнитоэлектрических приборов (вольтметра и амперметра) вследствие прохождения через них переменного тока. Кроме того, эти токи (постоянный и переменный) не должны вызывать повышения температуры рамки и сопротивления приборов сверх допустимых.
Уменьшение переменного напряжения в цепи постоянного тока может быть получено включением в схему компенсирующего трансформатора с коэффициентом трансформации, равным единице (k=1). Трансформатор включается со сдвигом фаз на 180° к напряжению переменного тока, наводимому в цепи постоянного тока. Вместо одного компенсирующего трансформатора с k=1 могут быть использованы два одинаковых ТН. На рис. 12-8 даны схемы такого включения. Трансформатор включен таким образом, чтобы напряжение его обмотки было сдвинуто на 180° по отношению к напряжению на измеряемой обмотке. В этом случае напряжение в цепи вольтметра (милливольтметра) будет весьма мало. Иногда для ограничения переменного тока в цепи милливольтметра включают реактивное сопротивление х.
Схемы измерения сопротивления обмоток под нагрузкой методом моста. На рис. 12-9 дамы две схемы с разным включением компенсирующего трансформатора.
Для уменьшения ошибки в измерении активное сопротивление трансформатора Тр1 должно быть значительно больше измеряемого сопротивления R1. Гальванометр подключают к точкам ab или а'b' в зависимости от соотношения между сопротивлениями.
Из схемы на рис. 12-9,а следует, что активное сопротивление компенсирующего трансформатора Тр2 соединено последовательно с сопротивлением моста R3. Во избежание погрешности сопротивление R3 должно быть значительно больше сопротивления трансформатора Тр2 или оно должно суммироваться с сопротивлением R3. Когда R4<R3 можно пользоваться схемой на рис. 12-9,б, где компенсирующий трансформатор Тр2 включен последовательно с гальванометром Г.
Рис. 12-9. Схема измерения электрического сопротивления обмоток трансформатора под нагрузкой методом моста.
а — схема первая; б — схема вторая; компенсирующий трансформатор включен последовательно с гальванометром; R1 — измеряемое сопротивление; R2— сопротивления плеч моста; Тр1 и Тр2 — компенсирующие TН того же класса напряжения, что и проверяемая обмотка (можно иметь одни компенсирующий трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1); X — компенсирующее сопротивление, ограничивающее переменный ток в цепи аккумуляторной батареи; Г — гальванометр; Z — фильтр; х — реактивное сопротивление. ограничивающее переменный ток, вызванный нескомпенсированным напряжением трансформаторов Тр1 и Тр2.
В этой схеме г, х и фильтр Z предусмотрены для более точной компенсации переменного тока в цепи гальванометра. Из рис. 12-9,б следует, что получить полную компенсацию в схеме моста нельзя, так как схема несимметрична. Переменный ток I2, проходящий через гальванометр, может быть приближенно выражен формулой:
(12-11)
где U — напряжение переменного тока на измеряемой обмотке трансформатора; х — реактивное сопротивление в цепи гальванометра; и R3 — сопротивления плеч моста.
Из (12-11) следует, что чем больше отношение R4/R3, тем меньше ток I2, проходящий через гальванометр. Реактивное сопротивление х в цепи гальванометра должно иметь такое значение, чтобы переменный ток при этом не был больше номинального тока гальванометра.
Активное сопротивление, включенное в цепь гальванометра, должно быть небольшим. Гальванометр следует выбирать с малым внутренним сопротивлением; такой прибор менее чувствителен к переменному току. Перед измерениями, когда схема моста полностью собрана, следует проверить правильность включения компенсирующего трансформатора (с k=1 или двух одинаковых компенсирующих трансформаторов, например, двух ТН). Компенсирующий трансформатор (КТ) включают со сдвигом напряжения к измеряемой обмотке на 180°. При неправильном включении КТ на гальванометре может быть двойное напряжение переменного тока. Для проверки правильности включения компенсирующего трансформатора в схемах на рис. 12-9 вместо гальванометра включают вольтметр, а сопротивление Z1 имитируется переменным напряжением соответствующего значения. При правильном соединении вольтметр не дает показаний. После такой проверки можно вольтметр заменить гальванометром и приступить к измерениям сопротивления обмотки трансформатора при его нагрузке переменным током. Точность измерения сопротивления методом моста может быть обеспечена в пределах 0,2—0,4%, а при полной компенсации и отсутствии напряжения переменного тока — еще выше.
Для измерения сопротивления обмоток при испытании трансформаторов на нагрев методом КЗ без отключения переменного тока Η. П. Фуфуриным был разработан мост МЦН-1. Мост позволяет производить измерение электрического сопротивления обмоток во время нагрева трансформатора методом КЗ, когда на замкнутой накоротко обмотке трехфазного трансформатора, соединенного в звезду, остается напряжение небаланса порядка нескольких десятков вольт, которое при измерении мостом МПН-1 компенсируется. Небаланс напряжения на обмотке ВН (154 кВ) трехфазной группы однофазных трансформаторов 3X30 МВ-А при нагреве номинальным током методом КЗ составляет всего 22,5 В, т. е. 0,0137%. Можно полагать, что для мощных трансформаторов с напряжением обмотки ВН 220, 330 и 500 кВ напряжение небаланса может быть порядка 70—100 В. Поэтому первый вариант измерительного моста МПН-1 был разработан с учетом того, что на измеряемой обмотке переменное напряжение может доходить до 200 В. Мост допускает измерение сопротивления обмоток от 0,1 до 10 Ом, это позволяет измерять обмотки ВН мощных и высоковольтных трансформаторов всех типов. Погрешность моста составляет порядка 0,2%. В настоящее время предел измерения сопротивлений мостом МПН-1 расширен до 0,02—10 Ом и имеется вариант исполнения для измерения сопротивлений от 0,001 Ом. Согласно рекомендациям [Л. 12-2] постоянный ток в измеряемой обмотке регулируют подбором напряжения источника и сопротивления моста в пределах 0,2—2 А в зависимости от протекающего в обмотке переменного тока и ее сопротивления. Для этой цели используют также реостат с надежным подвижным контактом без искрения. При малом значении измеряемого сопротивления (около 0,01 Ом) постоянный ток увеличивают до 1,5—2 А для получения необходимой чувствительности от гальванометра. Рекомендуется применять для измерения гальванометр с чувствительностью (2—5) 10-8 А на 1 деление. При более высокой или низкой чувствительности точность измерений будет снижаться в первом случае из-за сильного колебания стрелки гальванометра при изменении нагрузки, а во втором — из-за недостаточной чувствительности. Для уменьшения колебания стрелки можно увеличить постоянную времени гальванометра и его фильтра подсоединением больших емкостей (около 1000 мкФ) параллельно зажимам гальванометра и больших индуктивностей (более 10—20 Г) последовательно с ним.
Во время испытаний не рекомендуется отключать постоянный ток и регулировать его значение, особенно при измерении сопротивления обмоток напряжением 220 кВ и выше, имеющих большую индуктивность.
Схема моста дана на рис. 12-10. Испытываемая обмотка на схеме обозначена Rx; L. Имеющееся на ней напряжение переменного тока компенсируется обратным напряжением компенсирующего трансформатора КТ, а потому не оказывает влияния на результаты измерения. Трансформатор КТ имеет коэффициент трансформации, равный единице; своей первичной обмоткой он подключен к испытываемой обмотке трансформатора, а вторичной, со сдвигом на 180° к этому напряжению, включается согласно схеме на рис. 12-10 в цепь гальванометра Г.
Рис. 12-10. Принципиальная схема двойного моста МПН-1 для измерения электрического сопротивления обмоток, обтекаемых переменным током.
Оставшееся нескомпенсированное напряжение небаланса в цепи гальванометра отфильтровывается Т-образным фильтром Ф на 50 Гц и реостатно-емкостной
нагрузкой в цепи компенсирующего трансформатора. Его первичная обмотка выбрана из расчета измерения мостом на переменном напряжении до 200 В. Активное сопротивление этой обмотки составляет около 150 Ом. Сопротивление вторичной обмотки КТ выполняют малым, чтобы не загрублять гальванометр.
Переменный ток в цепи аккумуляторной батареи Б ограничивают последовательно включенным реактором Д, рассчитываемым так, чтобы переменный ток в цепи батареи был меньше постоянного тока. Реактор изготовляется с применением электротехнической стали, имеет реактивное сопротивление около 200 Ом, активное — около 5 Ом, ток подмагничивания 1 А.
В целях ограничения переменного тока в плечах моста до допустимых пределов сопротивление. принимают большим (10 кОм). Для ограничения постоянной времени измерительной цепи сопротивление R2 моста выполняют до 20 Ом с отпайками. В мосте МГТН-1 применен гальванометр типа ГМП с перемотанной рамкой. Сопротивление рамки принято 2000 Ом. Чувствительность гальванометра 3,7 дел/мκΑ. Реакторы фильтра диагонали индикатора имеют высокую добротность для ограничения остаточного переменного напряжения на гальванометре. В качестве сопротивлений R3 и R'3 взяты наборы резисторов КМС-6.
Проверки моста МПН-1 на эталонных сопротивлениях 0,1; 1,0 и 10 Ом показали, что его погрешность не больше 0,2% при измерении с R2, равным 5 и 20 Ом. При проверке влияния переменного напряжения было установлено, что при напряжении до 100 В стрелка гальванометра не отходит от своего нулевого положения и вибрация стрелки почти отсутствует. Длительное включение моста (до 4 ч) не приводит к изменению показаний прибора.
Рассмотрим схемы измерения электрического сопротивления обмоток, находящихся под нагрузкой и под напряжением переменного тока, при помощи наложения постоянного тока по методу вольтметра-амперметра.
На рис. 12-11 дана схема измерительного устройства, разработанная Η. П. Фурфуриным (ВНИИЭ) для испытания трехфазных трансформаторов с заземленной нейтралью с напряжением 6—10 кВ под нагрузкой. Устройство состоит из двух контуров: первого — для измерения постоянного тока, протекающего по обмотке трансформатора, и второго — для измерения падения напряжения на этой обмотке. Измерение постоянного тока производят при помощи специального шунта, который рассчитан на длительное протекание рабочего тока трансформатора.
Контур для измерения падения напряжения состоит из высокоомного реактора, фильтра и микроамперметра. В качестве высоковольтного реактора ВН может быть использована первичная обмотка ТН того же класса напряжения, что и испытываемый трансформатор.
Рис. 12-11. Схема измерительного устройства УПН-За для измерения электрического сопротивления обмотки трансформатора под нагрузкой.
1—обмотки ВН испытываемого трансформатора; 2 — аккумуляторная батарея; 3 — шунт; 4 — фильтр милливольтметра; 5 — милливольтметр; 6 —ТН; 7—фильтр микроамперметра, 8 — микроамперметр; 9 — обмотки ВН силового трансформатора.
Обмотка НН трансформатора напряжения должна быть разомкнута и может быть заземлена. Так как активное сопротивление первичной обмотки ТН велико (иногда несколько тысяч ом) и соизмеримо с внутренним сопротивлением измерительного прибора, включенного в ту же цепь, возникает необходимость компенсации температурных изменений сопротивления обмотки ТН. Для уменьшения погрешности измерения до 0,5% в цепь включают добавочное стабилизированное сопротивление, в 10 раз большее активного сопротивления обмотки ТН.
От действия напряжения переменного тока измерительная схема отстраивается при помощи фильтров. Для защиты схемы от появления на ней высокого напряжения при обрыве провода, идущего от фильтра к нейтрали испытываемого трансформатора, при испытании непосредственно после реактора ВН(ТН) включают разрядники НН параллельно входу фильтра. В трехфазных трансформаторах без заземленной нейтрали (т. е. когда соединение обмоток ВН в звезду выполнено внутри бака) для измерения сопротивления обмотки под нагрузкой при нагреве методом КЗ возникает необходимость установки шунта и схемы для измерения постоянного тока на стороне ВН. В таких случаях отсчеты по прибору производят дистанционно при помощи зеркал и оптической увеличительной системы.
Измерительное устройство УПН-3а применяют и для измерения сопротивления обмотки однофазных трансформаторов под нагрузкой при нагреве их методом КЗ (рис. 12-12). В этом случае для защиты источника постоянного тока (аккумуляторной батареи) от переменного напряжения применяют реактор ВН с небольшим активным сопротивлением. В качестве реактора можно использовать силовой трансформатор небольшой мощности. Метод вольтметра-амперметра применим для измерения под нагрузкой сопротивления обмоток ВН трансформаторов классов 110—220 кВ и выше при их нагреве методом КЗ.
Сравнительное измерение сопротивления обмотки ВН трансформатора типа ОДГ-10000/ 150, выполненного на МЭЗ. Нагрев однофазного трансформатора производили методом КЗ. Замыкали накоротко обмотку НН. Питание производилось от генератора 7500 кВ-А через промежуточный трансформатор ТМ-7500/35. Электрическое сопротивление обмотки ВН измеряли дважды: 1) методом вольтметра-амперметра при наложении постоянного тока на переменный без отключения нагрузки; 2) обычным методом вольтметра-амперметра на постоянном токе после отключения нагрузки.
Схема измерения сопротивления обмотки ВН дана на рис. 12-13. Включение аккумуляторной батареи выполнено через одну фазу обмотки ВН вспомогательного трансформатора ТМ-1000/35. Напряжение аккумуляторной батареи 24 В выбрано с учетом сопротивления всей системы, а емкость батареи — с учетом длительной работы и тока XX вспомогательного трансформатора ТМ-1000/35.
Постоянный ток измеряли с помощью специального шунта защитного фильтра и милливольтметра постоянного тока (1 мВ, 1 МОм). Шунт рассчитан на ток 250— 300 А и имеет сопротивление 0,002018 Ом. Защитный фильтр предназначен для защиты милливольтметра от тепловой перегрузки переменным током. Фильтр состоит из ТН мощностью 30 Β·Α (с /г=1), индуктивности и емкостей.
Контур измерения постоянного тока (шунт, фильтр и милливольтметр) градуируют целиком, иначе необходима поправка на показания милливольтметра из-за наличия фильтра. Поправки обычно находят опытным путем.
Рис. 12-12. Схема измерительного устройства для испытания однофазного трансформатора при его нагреве методом КЗ.
1 — промежуточный трансформатор; 2 — испытываемый трансформатор; 3 — ТН; 4 — шунт; 5 — фильтр милливольтметра; 6 — милливольтметр; 7 — фильтр микроамперметра; 8 — микроамперметр; 9 — аккумуляторная батарея; 10 вспомогательный трансформатор (реактор).
Рис. 12-13. Принципиальная схема измерения сопротивления обмотки ВН трансформатора типа ОДГ-10000/150 под нагрузкой при нагреве трансформатора методом КЗ.
Измерение постоянного напряжения производят непосредственно на вводах трансформатора через защитный фильтр. Фильтр состоит из четырех ТН типа НОСК-6, обмотки ВН которых соединены последовательно, а обмотки НН разомкнуты, а также включенных резисторов и конденсаторов. В качестве вольтметра применен прибор на 5 В, 10 МОм.
Если при измерении постоянного тока контур тока дважды заземлен и находится под нулевым потенциалом, то при измерении напряжения контур напряжения находится под потенциалом около 20 кВ. Поэтому контур напряжения тщательно изолируют от заземленных частей оборудования и помещают за металлическое ограждение, а отсчеты по вольтметру снимают дистанционно. Постоянный ток включают только в момент измерения.
