По конструкции трансформатор типа ТSЕ подстанции ТN6 выполнен аналогично трансформатору фирмы Вrush. Это трансформатор сухого типа с естественным воздушным охлаждением. Активная часть трансформатора собрана на магнитопроводе из холоднокатаной текстурованной стали с прямоугольным стыком стержней и ярм прямоугольного сечения.

Обмотки изготавливаются из медного провода прямоугольного сечения с нагревостойкой изоляцией и испытываются напряжением: обмотка ВН – 20 кВ, обмотка НН – 4 кВ.

Активная часть трансформатора размещена в стальном взрывонепроницаемом корпусе и крепится к стенкам корпуса при помощи перемычки. Стенки оболочки гофрированные с охлаждающими ребрами. Крышка размещена вверху корпуса и выполнена выпуклой (полукруглой). Конструктивно корпус трансформатора состоит из трех частей:
а) входного отсека проходных изоляторов со стороны ВН;
б) выходного отсека проходных изоляторов со стороны НН;
в) отсека силового трансформатора.
К отсекам ВН и НН при помощи болтов крепятся распределительные устройства высшего и низшего напряжения (РУВН и РУНН).

Магнитопровод трансформатора КТП типа А-77/D выполнен трехстержневым. Стержни и ярма набраны из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали марки М-2Н внахлест с «косым стыком» между ними. Ярма стянуты ярмовыми балками, на которых закреплены устройства для опорной изоляции обмоток.
Первичные обмотки трансформатора непрерывного типа выполнены из прямоугольного провода с горизонтальными каналами охлаждения, что обеспечивает необходимую температуру обмоток и равномерный потенциал напряжения вдоль поверхности дисков. Обмотки ВН выполнены из медной ленты и имеют форму цилиндра с высотой, равной высоте обмотки. Это обеспечивает конструкции высокую электродинамическую стойкость при КЗ.

Активная часть трансформатора размещается в прямоугольном корпусе с волнистой (гофрированной) боковой поверхностью. Волнистые стенки приварены к фланцам, верхний из которых обеспечивает взрывонепроницаемое соединение с крышкой трансформатора, имеющей куполообразную форму для предотвращения накопления пыли. Корпус по виду и уровню взрывозащиты выполнен в соответствии с требованиями европейских стандартов ЕN 50014 и ЕN 50018.

Силовой трансформатор подстанции ТS 1281 фирмы Becker Имеет магнитопровод из холоднокатаной текстурованной стали марки М-2Н «косым стыком». Листы стали имеют жаростойкое покрытие. Низкие удельные потери в стали и «косой стык» стержней и ярм позволяют увеличить индукцию в стержнях до предельно допустимого значения 1,6...1,7 Тл. Конструктивно магнитопровод выполнен по классической схеме.

Обмотки ВН непрерывной конструкции с дисковыми катушками из прямоугольного провода и двухслойные обмотки НН имеют изоляционные материалы класса нагревостойкости 200. Обращает на себя внимание тщательное изготовление обмоток, пропитка силиконовыми лаками без наплывов и с чистой поверхностью в охлаждающих каналах.

Характерным для трансформаторов является конструкция взрывобезопасного корпуса, обеспечивающая высокоэффективное охлаждение. Корпус по периметру гофрированный с использованием специальных профилей, изготавливаемых по оригинальной технологии. Изнутри волнистая поверхность имеет специальное матовое покрытие черного цвета, что способствует эффективному поглощению тепла, выделяемого активной частью трансформатора.

Трансформаторами фирмы Bartec комплектуются взрывозащищенные КТП типа IТ3SсА. Трансформаторы такого типа поставляются также для КТП, изготавливаемых АО «Карбоавтоматика» и фирмы Martech-Plus (Польша).

Активная часть трансформатора выполнена по классической схеме с магнитопроводом из холоднокатаной текстурованной электротехнической стали и «косым стыком» стержней и ярм.

Обмотки трансформатора цилиндрического типа концентрически расположены на стержнях магнитопровода. Класс нагревостойкости изоляции Н (180 °С).

За основу конструкции корпуса принята идея фирмы «Siemens» 60-70-х гг. прошлого столетия. Путем применения специальной технологии получен корпус круглой формы с полностью гофрированной поверхностью (без сварки), которая имеет высокий коэффициент теплоотдачи. Такие корпуса применялись для трансформаторов мощностью до 400...630 кВА. В отличие от корпусов фирмы «Siemens» корпуса трансформаторов упомянутых фирм выполнены с помощью сварки гофрированных элементов.

 

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ. Посвящен разработке математической модели надежности обмотки трансформаторной подстанции.

Обмотка трансформатора может выходить из строя, находясь в следующих режимах работы: статический, близкий, близкий к нормальному (в этом режиме обмотка трансформатора выходит из строя, происходит её пробой из-за старения изоляции); ремонтный, из-за ошибок обслуживающего персонала; динамический, когда происходит недопустимый перегруз обмоток трансформатора, а тепловая защита находится в отказавшем состоянии.

Выход из строя обмотки трансформатора в динамическом режиме происходит при совпадении в пространстве и времени двух случайных событий: перегруз трансформатора и отказ в срабатывании тепловой защиты. Система «обмотка трансформатора – тепловая защита» в течение времени может находится в одном из следующих состояний: е1(0,0) – обмотка трансформатора имеет недопустимую температуру нагрева; тепловая защита находится в работоспособном состоянии; е2(1,0) – обмотка трансформатора имеет недопустимую по условия эксплуатации температуру нагрева; тепловая защита находится в работоспособном состоянии; е3(0,1) – обмотка трансформатора имеет допустимую температуру нагрева; тепловая защита находится в отказавшем состоянии; е4(1,1) – обмотка трансформатора имеет недопустимую для работы температуру нагрева; тепловая защита находится в отказавшем состоянии.
Вероятность нахождения системы «обмотка трансформатора – тепловая защита» в каждом из 4 возможных состояний можно найти из следующей системы уравнений.

                                                            (1)

где  – средняя длительность между появлениями перегрузок обмоток трансформатора;
– средняя длительность существования перегрузок трансформатора;
– средний интервал времени между отказами тепловой защиты;
– средняя длительность нахождения тепловой защиты в необнаруженном отказавшем состоянии.

Система линейных дифференциальных уравнений (1) решается при начальных условиях P1(0)=1, P2(0)=0, P3(0)=0, P4(0)=0.

Применяя к системе уравнений (1) прямое преобразование Лапласа [7] и учитывая начальные условия, получим:

                                                         (2)

Из системы уравнений (2) находим P1(s), P2(s), P3(s) и подставляя их в (3) находим функцию вероятности безотказной работы обмоток трансформатора в течение времени t.

                                                               (3)
 

Тогда
 

                                                       (4)
 

Переходим от изображения (4) к оригиналу, используя методику [8], получим:
 

,                                                  (5)
 

Где
 

sk, k=1,2,3 – корни кубического уравнения
 

                                                                                      (6)

,

,

.

Среднее время до первого пробоя изоляции обмотки трансформатора τ1 и дисперсия D1 находится из выражения [2]

;                                      (7)

,                 (8)

где .            (9)

Используя (7), (8), (9), находим

,                                (10)

.                    (11)

Если состояние тепловой защиты контролировать через интервал времени Θ и проверки считать абсолютно надежными, то среднее время нахождения защиты в необнаруженном отказавшем состоянии можно найти из выражения (9).

В том случае, если , , <0.1 и выполняется условие

,                                       (12)

Тогда вероятность безотказной работы обмотки трансформатора в течение времени t можно определить с помощью формулы

.                                  (13)

Пример. Определить R(t) – вероятность безотказной работы обмотки трансформатора в течение времени t=8760 ч, среднее время до пробоя изоляции τ1 и дисперсию D1, если известно, что час; d1= 0.25 час; час; Θ=2100 час.

Используя формулы (10), (11), находим, τ1 = 1629 ч, D1=2654*100000.

Ввиду того, что соблюдается условие (12), вероятность безотказной работы обмотки за t=8760 ч найдем, пользуясь формулой (13), тогда R(8760)=0,99069.

 

ТРЕТИЙ РАЗДЕЛ. Посвящен обоснованию разработанного технического решения по повышению надежности тепловой защиты

В подстанциях ТСВП-Х/6 при увеличении температуры обмотки недопустимого по условиям его эксплуатации значения сигнал от дифференциального датчика температуры (ДТР-1)-7 (рис 1б) поступает на расцепитель минимального напряжения автоматического выключателя (АВ) – 10, который воздействует на его устройство отключения. Нормально замкнутые контакты ДТР,1 заведены в цепь соленоида отключения АВ. При срабатывании ДТР сигнал поступает на катушку расцепителя максимального напряжения АВ, что приводит к его отключению с помощью расцепителя минимального напряжения 4.

В существующих подстанциях в тепловой защите задействован только расцепитель минимального напряжения. При его неисправности (неправильная регулировка, обрыв цепи и т.д.) и случайном перегрузе трансформатора (температура обмотки увеличилась до температуры срабатывания тепловой защиты) возможно появление в обмотках трансформатора витковых дуговых замыканий. При дуговых витковых замыканиях в обмотках трансформатора максимальная токовая защита в фидерных КРУ-6 кВ, питающих подстанцию, не отключает такое повреждение, так как она не обладает необходимой для этого случая чувствительностью.

Для повышения надежности и безопасности трансформаторных подстанций УкрНИИВЭ совместно с ДонНТУ разработали техническое решение [2] (рис. 1).

В предложенной схеме КТП [2,3] для предотвращения выхода из строя изоляции трансформатора принята следующая система построения тепловой защити: при появлении перегрузки 8 трансформатора 9 (рис. 1) сигналы от дискретных датчиков 2 и 3 поступают на блок тепловой защиты 6 от которого сигнал на отключение подается на расцепитель минимального напряжения 4 АВ10 и на катушку отключения его независимого расцепителя 5. Кроме этого сигнал на отключение подается на расцепитель минимального напряжения 1 высоковольтного выключателя 11.

Рис.1 Структурная схема тепловой защиты трансформаторной подстанции и предложенная и предлагаемая в магистерской работе (рисунок анимированный, 57,2 КБ, 3 кадра, 20 циклов).

Обозначим через , , следующие события:
– отказала в срабатывании система отключения высоковольтного выключателя (расцепитель минимального напряжения);
– отказал основной дискретный датчик температуры;
– отказал резервный дискретный датчик температуры;
– отказал в срабатывании расцепите ль минимального напряжения автоматического выключателя 10;
– отказал в срабатывании независимый расцепитель автоматического выключателя 10;
– отказало в передачи сигнала на отключение устройство тепловой защиты (учитывается и блок питания);
– отказало в передачи сигнала термосопротивление;
– случайное увеличение нагрузки на трансформатор (температура обмоток увеличилась до температуры срабатывания тепловой защиты).

Используя события , , рис.1, строим дерево отказов и схему минимальных сечений для предлагаемого случая в).

Рисунок 2
а) дерево, объясняющее выход из строя обмотки трансформатора в предлагаемой схеме тепловой защиты;
б) схема минимальных сечений.

Обозначим через , , интервалы времени между проверками соответствующих устройств.
– интервал времени между проверками системы отключения выключателя 11;
– интервал времени между проверками работоспособности дискретного
датчика температуры (основного) 2;
– интервал времени между проверками работоспособности дискретного
датчика температуры (резервного) 3;
– интервал времени между проверками расцепителя 4 минимального
напряжения автоматического выключателя 10;
– интервал времени между проверками независимого расцепителя 5 автомат и чешского выключателя 10;
– интервал времени между проверками устройства тепловой защиты 6 вместе с блоком его питания;
– интервал времени между проверками работоспособности термосопротивления 7.
Обозначим через параметр потока отказов в срабатывании устройства:
– параметр потока отказов в срабатывании системы отключения выключателя 11;
– параметр потока отказов в срабатывании дискретного (основного) датчика температуры 2;
– параметр потока отказов в срабатывании дискретного (резервного) датчика температуры 3;
– параметр потока отказов в срабатывании расцепителя 4 минимального напряжения автоматического выключателя 10;
– параметр потока отказов в срабатывании независимого расцепителя 5
автоматического выключателя 10;
– параметр потока отказов в срабатывании устройства тепловой защиты 6.
– параметр потока отказов в срабатывании термосопротивления 7;
– параметр потока появления перегрузок трансформатора, при которых
действие тепловой защиты обязательно.
H - параметр потока повреждения изоляции обмоток трансформатора с использованием предлагаемого варианта выполнения тепловой защиты можно определить, пользуясь схемами минимальных сечений и формулой для оценки живучести узла нагрузки:

где n - число опасных факторов, действующих на обмотку трансформатора (перегруз, короткие замыкания, замыкания на заземляющий контур);
m - число элементов, участвующих в отключении коммутационных аппаратов.
 

Выводы по работе:

1. Разработана математическая модель надежности трансформаторной подстанции, отличающаяся от известных тем, что в предлагаемой математической модели учитывается влияние интервалов времени между диагностиками средств тепловой защиты на надежность трансформатора.

2. Разработано техническое решение по изменению структурной схемы тепловой защиты (упрощение) без уменьшения ее надежности.