Электротехнический факультет
Специальность: Электротехнические системы электропотребления
Введение
Основным элементом шахтных низковольтных (до 1000 В) систем электроснабжения являются трансформаторные подстанции. Основным элементом под-станции являются ее обмотки. Выход из строя обмоток трансформатора происхо-дит при повреждении изоляции проводников катушек (витковые замыкания). В местах с ослабленной изоляцией происходит ее перегрев, что приводит в конеч-ном итоге к пробою изоляции в том случае, если тепловая защита не даст сигнал на отключение подстанции. Следовательно, выход из строя трансформаторной подстанции происходит при совпадении в пространстве и времени двух случайных событий: перегрев изоляции катушек трансформатора и отказ в срабатывании тепловой защиты. Следовательно, надежность обмоток трансформатора зависит от надежности ее тепловой защиты.
Обмотка трансформатора может выходить из строя, находясь в следующих режимах работы: статический, близкий к номинальному (в этом режиме обмотка трансформатора выходит из строя, происходит ее пробой из-за старения изоля-ции); ремонтный, из-за ошибок обслуживающего персонала; динамический, когда происходит недопустимая перегрузка 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: перегрузка трансформатора и отказ в срабатывании тепловой защиты.
Систему «обмотка трансформатора - тепловая защита» рассмотрим как один марковский процесс χ(t) с 4 дискретными состояниями и непрерывным временем. Система в течение времени t может находиться в одном из следующих состояний:
е1(0,0)
- обмотка трансформатора имеет допустимую температуру нагрева; тепловая защита находится в работоспособном состоянии;
е2(1,0) - обмотка трансформатора имеет недопустимую по условиям 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.
Обозначив через Рii(Δt) вероятность того, что система за малый промежуток времени Δt останется в состоянии еi i = 1,4 и через Рij(Δt) - вероятность того, что система за время Δt перейдет из состояния ei
в состояние еj , j = 1,4, j ≠ i.
Эти вероятности переходов определяются следующим образом [14]:
Вероятность нахождения системы «обмотка трансформатора - тепловая защита» в каждом из 4 возможных состояний можно найти из следующей системы уравнений:
В формуле (2.1) величина aij учитывает с точностью до членов второго порядка, что за время Δt не произойдет переход системы из состояния ei в состояние ej, а в формуле (2.2) величина (1 – aii) учитывает с точностью до
членов второго порядка малости, что за время Δt не произойдет переход системы из состояния еi в любое другое состояние, т.е. процесс останется в состоянии еi.
где d1 - средний интервал времени между появлениями перегрузок обмоток трансформатора;
где d1 - средняя длительность существования перегрузок трансформатора;
где d2 - средний интервал времени между отказами тепловой защиты;
где d2 - средняя длительность нахождения тепловой защиты в необнаруженном отказавшем состоянии.
Система линейных дифференциальных уравнений (2.3) решается при начальных условиях Р1(0) = 1, Р2(0) = 0, Р3(0) = 0, Р4(0) = 0.
Применяя к системе уравнений (2.3) прямое преобразование Лапласа [1] и учитывая начальные условия, получим:
Из системы уравнений (2.8) находим P1(s), P2(s), P3(s) и подставляя их в (2.9) находим функцию вероятности безотказной работы обмоток трансформатора в течение времени t:
тогда
Переходим от изображения (2.10) к оригиналу, используя методику [12], получим:
где sk,к = 1,2,3 - корни кубического уравнения
Среднее время до первого пробоя изоляции обмотки трансформатора τ1, и дисперсия D1 находится из выражения [12]:
Используя (2.12), (2.13), (2.14), находим:
Если состояние тепловой защиты контролировать через интервал времени 0 и проверки считать абсолютно надежными, то среднее время нахождения защиты в необнаруженном отказавшем состоянии можно найти из выражения [2]:
В том случае, если d1>d1, d2>d2, Θ2/d2 < 0,1 и выполняется условие:
тогда вероятность безотказной работы обмотки трансформатора в течение времени t можно определить с помощью формулы:
где
В таком случае, время до первого пробоя изоляции обмотки трансформатора τ1, будет обратно пропорционально H:
Из чего следует по формулам (2.20) и (2.21), что
Приведенные выше формулы можно использовать для нахождения среднего времени до первого пробоя изоляции обмотки трансформатора τ1, и дисперсии D1, определения среднего времени нахождения защиты в необнаруженном отказавшем состоянии, а также для нахождения безотказной работы обмотки трансформатора в течение времени t.
Актуальность темы: решение задач связанных с прогнозированием надежности обмоток трансформатора и предотвращения таких событий как воспламенение ее изоляции позволит продлить срок службы отечественных подстанций, которые эксплуатируются на участках угольных шахт.
Научное значение работы: повысить надежность взрывозащищенных трансформаторных подстанций. В результате данной работы получена новая зависимость вероятности выхода из строя обмоток трансформатора в течение года от частоты и длительности его перегрузок, надежности тепловой защиты и срока ее диагностики.
Практическое значение работы: заключается в разработке методики расчета, позволяющей оценить надежность работы тепловой защиты подстанции. предложена методика оценки надежности обмоток трансформатора, которая позволяет прогнозировать выход из строя трансформаторной подстанции, предложено и обосновано техническое решение по увеличению ее надежности.
Обзор исследований по теме: по теме опубликованы статьи: «Оценка надежности обмотки трансформатора в динамическом режиме» в Наукових працях ДонНТУ - Електротехніка i енергетика (2008 рік, №8), и «Обоснование рекомендаций по повышению надежности тепловой защиты взрывобезопасных трансформаторных подстанций» в Наукових працях ДонНТУ - Електротехніка i енергетика (2007 рік, №7).
Вопрос повышения надежности взрывобезопасных шахтных трансформаторных подстанций больше 1000 кВА больше нигде не рассматривался.
Основные результаты выполненной работы:
1. Предоставлен обзор и анализ взрывозащищенных трансформаторных подстанций, применяемых на шахтах Украины.
2. Построена математическая модель, позволяющая определить надежность обмотки трансформатора в динамическом режиме.
3. Дана количественная оценка надежности обмотки трансформатора в динамическом режиме.
4. Разработано и количественно оценено техническое решение по повышению надежности тепловой защиты трансформаторной подстанции ТСВП-Х/6.
5. Предложена принципиально новая схема тепловой защиты трансформаторной подстанции ТСВП-Х/6.
6. Установлено, что выход из строя обмотки трансформатора взрывозащищенной трансформаторной подстанции ТСВП-Х/6 происходит при совмещении в пространстве и времени не менее трех случайных событий, имеющих различную частоту появления и длительность существования.
7. Предложена математическая модель, которая позволяет объяснить процесс выхода из строя обмотки трансформатора взрывозащищенной трансформаторной подстанции ТСВП-Х/6 при ее эксплуатации. Получены зависимости вероятности выхода из строя обмоток трансформатора от частоты и длительности нахождения средств защиты в необнаруженном отказавшем состоянии.
8. Дана количественная оценка надежности обмотки трансформаторной подстанции, найдено время до первого выхода из строя обмотки, вероятность безотказной работы трансформаторной подстанции и вероятность выхода ее из строя за период времени t = 8760 часов (1 год)
Заключение
В работе дано решение актуальной для машиностроительной промышленности Украины научной задачи, состоящей в разработке технического решения по повышению надежности тепловой защиты взрывозащищенной трансформаторной подстанции. Для принятого технического решения разработана математическая модель, объясняющая процесс выхода из строя обмотки трансформатора при эксплуатации трансформаторной подстанции.
На момент написания статьи работа еще не закончена. Окончательный вариант работы можно получить у меня,либо моего руководителя после декабря 2010 года.
Литература
1. Гук Ю.Б. Анализ надежности электроэнергетических установок. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 244 с.
2. Ковалев А.П., Шевченко А.В., Белоусенко И.В. Оценка пожарной безопасности передвижных трансформаторных подстанций 110/35/6 кВ. // Промышленная энергетика. - 1991, №6 - С.28-31.
3. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования. - М.: Издательство стандартов. - 1976. - 6с.
4. Чернов И.Я., Шилов В.В. и др. Анализ технико-эксплуатационных показателей современных зарубежных взрывозащищенных трансформаторных подстанций. // Взрывозащищенное электрооборудование, 2006. - С.74-89.
5. Информационный листок фирмы Bartec. Выставка Уголь/Майнинг, 2004. - 12 с.
6. Техническое описание подстанции TS1281, фирма Becker, 2005. - 12 с.
7. Каталог фирмы Allenwest Wallacetown, 2003. - 4 с.
8. Информационный листок фирмы Brush. Выставка Уголь/Майнинг, Новокузнецк, 2004. - 2 с.
9. Инструкция по обслуживанию подстанции TN6/1250, фирма Ostroj- Elgor+Reinders, 2005. - 50 с.
10. Руководство по эксплуатации на вакуумные выключатели серии BB/TEL, Таврида Электрик, 2002. - 28 с.