МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТАЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇКАФЕДРА СИСТЕМ ЕЛЕКТРОСРОЖИВАННЯ ТА КОМП’ЮТЕРНИХТЕХНОЛОГІЙ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІСЕМЕНЮК ВОЛ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ЕЛЕКТРОІНЖЕНЕРІЇ

КАФЕДРА СИСТЕМ ЕЛЕКТРОСРОЖИВАННЯ ТА КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЦІ

СЕМЕНЮК ВОЛОДИМИР БОГДАНОВИЧ

УДК 621.311

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РОБОТИ СИЛОВИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ

ФЕРМЕРСЬКИХ ГОСПОДАРСТВ

141 – «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка»

Автореферат

дипломної роботи на здобуття освітнього ступеня «магістр»

Тернопіль

2018

2

Роботу виконано на кафедрі систем електроспоживання та комп’ютерних технологій в електроенергетиці Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України

Керівник роботи: кандидат технічних наук, доцент кафедри систем електроспоживання та комп’ютерних технологій в електроенергетиці

Оробчук Богдан Ярославович,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Рецензент: кандидат технічних наук, доцент кафедри світлотехніки та електротехніки

Костик Любов Миколаївна,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

Захист відбудеться 23 лютого 2018 р. о 14

годині на засіданні

екзаменаційної комісії № 40 у Тернопільському національному технічному

університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль,

вул. Микулинецька, 46, навчальний корпус № 7, ауд. 310

ЗАГАЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТИ

Актуальність теми. Перед агропромисловим комплексом (АПК) України, з урахуванням його реформування, згідно з Указами Президента і постановами Кабінету Міністрів, поставлено серйозні завдання до переходу на інтенсивні способи отримання сільськогосподарської продукції. Усе це вимагає підвищення рівня електрифікації сільського господарства.

У системі АПК електрифікована велика кількість установок водопостачання і зрошування, агрегатів призначених для сушки і сортування зерна, цехів і підприємств по переробці сільськогосподарської продукції, комплексів для вирощування худоби і птиці. Збільшення парку електроустаткування веде до збільшення споживання електроенергії.

Наприклад, за останні чотири роки в Тернопільському районі річне споживання електричної енергії збільшилося на 18%.

Як відомо, надійність роботи підприємств АПК значною мірою залежить від надійності енергосистеми, яка у свою чергу багато в чому залежить від стабільної і надійної роботи силових трансформаторів, які є сполучною ланкою між електростанцією і споживачами. Раптовий вихід з ладу трансформатора приносить великий збиток, оскільки при цьому збитки пов'язані не лише з необхідністю відновлення трансформатора, але і з перервами в технологічних процесах, небажаними перервами або обмеженнями в режимах роботи енергосистеми в цілому.

Досвід експлуатації силового електроустаткування в агропромисловому комплексі показує значну аварійність силових трансформаторів споживчих підстанцій, яка приносить сільськогосподарському виробництву додаткові збитки із-за зупинки цілого ряду технологічно пов'язаного устаткування, недовипуску продукції, незапланованих ремонтів і із-за додаткових витрат на відновлення системи енергопостачання. Щорічно в системі енергопостачання виходить з ладу 8-10% трансформаторів споживчих підстанцій. За результатами спостережень за експлуатацією силових трансформаторів сільських трансфор- маторних підстанцій виявлено, що ріст інтенсивності відмов трансформаторів напругою 10 кВ спостерігається після 15 років роботи. Головною причиною є погіршення стану ізоляції. При цьому йдеться, передусім, про зношення або старіння виткової ізоляції обмоток, найбільш схильної до температурних, електричних і механічних дій. Залишковий термін служби трансформаторів найчастіше визначається мірою деградації ізоляції, навантаженням і специфіч- ними умовами роботи.

Існуючі форми обслуговування силових трансформаторів в агропромис-

ловому комплексі не забезпечують достатню експлуатаційну надійність, тому

що не передбачають аналіз поточного технічного стану силових

трансформаторів. Тому дослідження, спрямовані на аналіз режимів роботи

силових трансформаторів в умовах АПК, розробку методів функціонального

діагностування, обґрунтування параметрів діагностування і на підставі цього

розробку облаштування функціонального діагностування експлуатаційних

режимів роботи силових трансформаторів, дозволять підвищити їх експлуатаційну надійність.

Мета і завдання дослідження.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є підвищення експлуата- ційної надійності асинхронних електродвигунів із короткозамкнутим ротором шляхом контролю і полегшення їх несиметричних режимів в експлуатаційних умовах сільськогосподарського виробництва.

Для досягнення цієї мети поставлено наступні задачі дослідження:

1. Розробити математичну модель процесу витрати ресурсу ізоляції асин- хронних двигунів із короткозамкнутим ротором при несиметрії напруг сільської мережі і різному ступені завантаження робочих машин.

2. Розробити математичну модель процесу витрати ресурсу ізоляції асинхронних двигунів із короткозамкнутим ротором при полегшенні аварійних режимів.

3. Експериментально дослідити і перевірити математичні моделі витрати ресурсу ізоляції асинхронних двигунів із короткозамкнутим ротором.

Об'єкт дослідження - процес витрати ресурсу ізоляції асинхронних двигунів із короткозамкнутим ротором при несиметрії напруг мережі і різному завантаженні робочих машин.

Предмет дослідження – закономірності теплового зносу ізоляції обмоток асинхронних двигунів із короткозамкнутим ротором приводу робочих машин при несиметрії напруг мережі та при різному їх завантаженні.

Наукова новизна роботи.

Наукова новизна роботи полягає у встановленні зв’язку між швидкістю теплового зношення ізоляції двигуна і коефіцієнтом несиметрії напруги по зворотній послідовності, коефіцієнтом завантаження асинхронного двигуна для робочих машин із різними робочими характеристиками на основі запропоно- ваної математичної моделі.

Практична значущість роботи.

Практичне значення отриманих результатів дозволяє розробити пристрій діагностики режимів роботи групи асинхронних двигунів при несиметрії напруг мережі за рахунок контролю напруги зворотної послідовності і температури обмотки статора кожного асинхронного двигуна. На базі отриманих математичних моделей розроблені комп’ютерні програми розрахунків параметрів пристроїв діагностування та захисту асинхронних двигунів. Використання діагностуючого пристрою дозволить підвищити експлуатаційну надійність електродвигунів потокової технологічної лінії.

Апробація.

Основні положення роботи і її результати доповідалися на VІІ Міжнарод-

ній науково-технічній конференції молодих учених та студентів «Актуальні

задачі сучасних технологій» 16-17 листопада 2017 р. (Тернопіль 2017 р.)

Структура роботи.

Робота складається зі вступу, 8 розділів, висновків, переліку посилань (32 найменування).

Загальний обсяг текстової частини – 97 сторінок, 7 таблиць, 22 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи: стан розробки наукової проблеми й актуальність, мету і завдання роботи, об’єкт та предмет дослідження, описану наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі «Аналітична частина» розглянуто особливості роботи силових трансформаторів в умовах агропромислового го комплексу, виконано аналіз причин пошкодження силових трансформаторів в АПК та аналіз існуючих засобів діагностування силових трансформаторів.

При організації експлуатації силових трансформаторів прагнуть забезпе- чити розрахункову довговічність, захист від аварійних режимів, а також еконо- мічність роботи і максимально можливе використання встановленої потужності трансформаторів відповідно до правил і стандартів. Термін служби трансформатора становить 25 років за умови роботи з номінальною потужністю і гранично допустимими значеннями температур обмотки, магнітопроводу та масла.

В результаті зниження темпів введення в експлуатацію нового електро- обладнання, скорочення обсягів фінансування поточних і капітальних ремонтів відбулося зростання кількості морально і фізично застарілого силового обладнання.

Аналіз пристроїв і технічних засобів функціонального діагностування пока- зав, що теплові моделі, на базі яких спроектовані ці пристрої, не передбачають контроль температури в кожній фазі трансформатора, що знижує ефективність діагностування при експлуатації споживчих трансформаторів в умовах АПК.

Існуючі методи і технічні засоби комплексного діагностування розраховані для застосування в трансформаторах потужністю 200 МВА і вище, тому їх технічна реалізація в силових трансформаторах сільських споживчих підстанцій ускладнена унаслідок значних капітальних вкладень і низької економічної ефективності.

Технічні засоби безпосереднього контролю температури обмоток силових трансформаторів, експлуатованих в сільських споживчих підстанціях, вимага- ють для їх монтажу (установки) виведення трансформатора з роботи, порушення і подальшого відновлення ізоляційної конструкції, що призводить до скорочення її ресурсу і зниження ресурсу трансформатора в цілому.

У другому розділі «Науково-дослідна частина» виконано обґрунтування

параметрів діагностування теплових процесів в силовому трансформаторі,

проведено дослідження теплових процесів при симетричних перевантаженнях силових трансформаторів за температурою масла, а також дослідження додаткового теплового зношення ізоляції при симетричних перевантаженнях силових трансформаторів.

Для дослідження теплових процесів при перевантаженнях силових трансформаторів приймаємо три варіанти їх діагностування:

1) в якості діагностичного параметра теплових процесів приймається температура масла;

2) в якості діагностичного параметра теплових процесів приймається сила струму в фазах силового трансформатора;

3) в якості діагностичних параметрів теплових процесів приймається одночасно температура масла і сила струму в фазах силового трансформатора.

На рис.1 представлені криві нагрівання масла ( ^τ

^{= f (t )} ), обмотки

(τ₁=f^'(t ))

і швидкості теплового зносу ізоляції обмотки ( ε=f

( t ) ).

Заштрихована площа на графіку під кривою ε=f

( t ) являє собою

в певному масштабі додаткове теплове

зношення ізоляції за час дії переван- таження (t

).

Складаємо алгоритм дослідження додаткового теплового зношення ізоляції за період роботи трансфор- матора з перевантаженням протягом часу t

.

Додаткове теплове зношення ізоляції при перевантаженні рівне:

E

= ∫

0 t_п

ε⋅dt−ε

¿ t

. (1) Швидкість теплового зношення ізоляції в процесі перевантаження:

1 1

1 1

н

B н

e

 

 

  

 

(2) Абсолютна поточна температура ізоляції протягом дії перевантаження дорівнює:

  

 

 273

(3)

Поточне значення перевищення температури обмотки над температурою

навколишнього середовища протягом дії перевантаження знаходимо, записавши

його з гарячого стану:

τ

=τ

+(τ

−τ

)⋅ е

t T^'

(4) Проведені дослідження показали, що при діагностуванні теплових процесів в силовому трансформаторі при перевантаженнях, починаючи з нагрітого стану, по перевищенню температури масла над температурою навколишнього середовища додаткове теплове зношення ізоляції перевищує значення, отримані при розрахунку за рекомендаціями. Для трансформатора ТМ-160/10, при кратності перевантаження в 20% додаткове зношення ізоляції вище допустимих значень в 3,7 рази, при перевантаженні 75% - 1,45 раз при будь-яких значеннях температури навколишнього середовища.

У третьому розділі «Технологічна частина» виконано дослідження теплових процесів при симетричних перевантаженнях силових трансформаторів за кратністю сили струму, а також додаткового теплового зношення ізоляції при симетричних перевантаженнях силових трансформаторів за кратністю сили струму.

Приймаємо, що до перевантаження кратність сили струму була меншою номінальної, силовий трансформатор був нагрітий до певного значення переви- щення температури обмотки. Потім відбулося збільшення навантаження.

На рис. 2 представлені залежності Е

=f(k) при різних значеннях темпера- тури навколишнього середовища для систематичних перевантажень, на рис. 3 -залежності Е

=f(k) при різних значеннях температури навколишнього сере- довища для аварійних перевантажень.

Аналізуючи отримані дані, можна зробити висновок про те, що при діагнос- туванні теплових процесів в силовому трансформаторі при перевантаженнях, по- чинаючи з нагрітого стану, по кратності сили струму значення додаткового теплового зношення ізоляції значно відрізняються від значень, отриманих за рекомендаціями.

У четвертому розділі «Проектно-конструкторська частина» виконано

обґрунтування моделі функціонального діагностування силового

трансформатора за температурою масла і силою струмів у фазах, представлено

структурну схему діагностування силового трансформатора. Структурна схема моделі функціонального діагностування силового трансформатора представлена на рис. 4.

Для перевірки адекватності моделі функціонального діагностування прово- димо експериментальні дослідження, програма яких включає в себе наступні положення:

1. Вимірювання опору обмоток силового трансформатора в холодному стані (при температурі охолоджуючого середовища).

2. Вимірювання температури масла трансформатора в холодному стані.

3. Вимірювання температури навколишнього середовища.

4. Вимірювання фазних струмів силового трансформатора.

5. Вимірювання опору обмоток силового трансформатора в гарячому стані при різних значеннях кратності сил струму в фазах.

6. Вимірювання температури верхніх шарів масла трансформатора в гарячому стані при різних значеннях кратності сил струму в його фазах.

7. Визначення температури трансформатора за результатами вимірів.

8. Порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних залежностей.

Результати вимірювань наведені в таблиці 1.

У п’ятому розділі «Спеціальна частина» виконано розробку структурної схеми пристрою діагностування силового трансформатора на базі мікроконтро- лера, розроблено принципову схему пристрою діагностування, приведено блок- схему алгоритму функціонування пристрою діагностування та дано оцінку на- дійності пристрою діагностування.

На основі методу діагностування та враховуючи вимоги до пристрою,

розроблена структурна схема пристрою діагностування експлуатаційних режи-

мів роботи силового трансформатора (рис. 6). Для реалізації запропонованого

методу діагностування

використано однокриста-

льний мікроконтролер

(МК), який виконує

наступні функції:

1) розрахунок поточної температури обмоток його фаз і сумарні витрати ресурсу ізоляції на базі математичної моделі функціонального діагностування;

2) формування вихідних сигналів, а також збереження постійних базових параметрів математичної моделі;

3) обслуговування периферійних пристроїв, які підключені до контролера.

Мікроконтролер є основою мікроконтролерного блоку (МБ) і містить інтегрований годинник реального часу, що використову- ється для фіксування параметрів експлуатаційних режимів роботи силового трансформатора та ава- рійних ситуацій в часі.

Принцип дії пристрою діа- гностування визначається біль- шою мірою не схемним рішен- ням, а програмним керуванням мікроконтролера, так як він є основним елементом даного пристрою. Блок-схема алгоритму функціонування

мікроконтролера представлена

на рис. 7.

У шостому розділі

«Обґрунтування економічної ефективності» проведено визначення економічного ефекту

від впровадження пристрою

діагностування, а також розроблено шляхи зниження сумарних річних витрат.

У сьомому розділі «Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуа- ціях» розглянуто організаційні заходи з електробезпеки в електроустановках, проведено розрахунок занулення експериментальної ділянки та здійснено теоретичну організацію цивільного захисту на досліджуваному об’єкті.

У восьмому розділі «Екологія» розглянуто основні поняття екологічного моніторингу та запропоновані заходи практичного застосування моніторингу навколишнього середовища.

ВИСНОВКИ

На підставі виконаних досліджень в дипломній роботі зроблено наступні

висновки :

Аналіз пристроїв і технічних засобів функціонального діагностування показав, що теплові моделі, на базі яких спроектовані ці пристрої, не передбачають контролю температури в кожній фазі трансформатора, що знижує ефективність діагностування при експлуатації споживчих трансформаторів в умовах АПК.

2. Показано, що, якщо в якості параметра діагностування експлуатаційних режимів роботи силового трансформатора прийняти температуру масла, то додаткове теплове зношення ізоляції на одне перевантаження неприпустимо перевищує значення, рекомендовані Правилами експлуатації силових транс- форматорів. Для досліджуваного трансформатора при кратності перевантажен- ня на 20% додатковий знос ізоляції вище за допустимі значення в 3,7 рази, при перевантаженні на 75 % - в 1,45 рази.

3. Показано, що, якщо в якості параметра діагностування експлуатаційних режимів роботи силового трансформатора прийняти сили струмів по фазах, то при допустимих і аварійних перевантаженнях додатковий тепловий знос ізоляції на одне перевантаження в 4-5 разів відрізняється при різних температурах довкілля.

4. Запропонована методика функціонального діагностування експлуата- ційних режимів роботи силових трансформаторів сільських споживчих підстан- цій за температурою масла і кратностях сил струмів у фазах. Експериментальна перевірка показала, що запропонована модель функціонального діагностування з достатньою мірою точності описує фактичні процеси нагріву обмоток сило- вого трансформатора. Для досліджуваного трансформатора значення темпе- ратури найбільш нагрітої точки обмотки, отримане експериментально, від- різняється від значення температури отриманого з моделі не більше ніж на 5 %.

5. Спроектовано пристрій функціонального діагностування експлуатацій- них режимів роботи силового трансформатора. Вірогідність безвідмовної роботи пристрою складає 0,986; середній час безвідмовної роботи 80450,5 годин.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Семенюк В. Б. Дослідження перехідних процесів при замиканнях на землю. Актуальні задачі сучасних технологій: зб. тез доповідей міжнар. наук.- техн. конф. молодих учених та студентів, (Тернопіль, 16–17 листоп. 2016.) // М- во освіти і науки України, Терн. націон. техн. ун-т ім. І. Пулюя [та ін]. – Тернопіль: ТНТУ, 2017. – С. 116-117.

АНОТАЦІЯ

Семенюк В. Б. Дослідження режимів роботи силових трансформаторів

фермерських господарств, 141 – Електроенергетика, електротехніка та

електромеханіка; Тернопільський національний технічний університет імені

Івана Пулюя, Тернопіль, 2018.

У дипломній роботі приведено результати теоретичних досліджень для вирішення науково-технічного завдання, яке полягає в обгрунтуванні методу та розробці технічного засобу функціонального діагностування експлуатаційних режимів роботи силових трансформаторів сільських електричних підстанцій споживачів з метою підвищення їх експлуатаційних показників

Ключові слова: силовий трансформатор, теплове зношення ізоляції, функціональна діагностика, перевантаження.

ANNOTATION

Semenyuk Volodymyr. Research of power transformers operating modes of the agricultural farming, 141 – Electrical Power Engineering, Electrical Engineering and Electromechanics; Ternopil Ivan Puluj National Technical University; Ternopil, 2018.

In the diploma paper the results of theoretical researches for solving the scientific and technical task, which consists in substantiation of the method and development of a technical means of functional diagnostics of operating modes of power transformers of rural electric substations of consumers, is presented in order to increase their operational parameters.

Key words: power transformer, thermal wear insulation, functional diagnostics,

overload.