Електротехнічний факультет
Спеціальність: Електротехнічні системи електроспоживання
Вступ
Основним елементом шахтних низьковольтних (до 1000 В) систем елект-ропостачання є трансформаторні підстанції. Основним елементом підстанції є її обмотки. Вихід з ладу обмоток трансформатора відбувається при ушкодженні ізоляції провідників котушок (виткові замикання). У місцях з ослабленою ізоляцією відбувається її перегрів, що приводить в остаточному підсумку до пробою ізоляції в тому випадку, якщо тепловий захист не дасть сигнал на відключення підстанції. Отже, вихід з ладу трансформаторної підстанції відбувається при збігу в просторі та часі двох випадкових подій: перегрів ізоляції котушок трансформатора й відмова в спрацьовуванні теплового захисту. Отже, надійність обмоток трансформатора залежить від надійності її теплового захисту.
Обмотка трансформатора може виходити з ладу, перебуваючи в насту-пних режимах роботи: статичний, близький до номінального (у цьому режимі обмотка трансформатора виходить із ладу, відбувається її пробій через старіння ізоляції); ремонтний, через помилки обслуговуючого персоналу; динамічний, коли відбувається неприпустиме перевантаження обмоток трансформатора, а тепловий захист перебуває у неробочому стані.
Вихід з ладу обмотки трансформатора в динамічному режимі відбува-ється при збігу у просторі та часі двох випадкових подій: перевантаження трансформатора та відмова у спрацьовуванні теплового захисту.
Систему «обмотка трансформатора - тепловий захист» розглянемо як один марковський процес χ(t) з 4 дискретними станами та безперервним часом. Система протягом часу t може перебувати в одному з наступних станів:
е1(0,0)
- обмотка трансформатора має припустиму температуру нагрівання; тепловий захист перебуває у працездатному стані;
е2(1,0) - обмотка трансформатора має неприпустиму за умовами
експлуатації температуру нагрівання; тепловий захист перебуває в працездатному стані;
е3(0,1) - обмотка трансформатора має припустиму температуру нагрівання; тепловий захист перебуває у неробочому стані;
е4(1,1) - обмотка трансформатора має неприпустиму для роботи температуру нагрівання; тепловий захист перебуває у неробочому стані.
Позначивши через Рii(Δt) імовірність того, що система за малий проміжок часу Δt залишиться в стані еi i = 1,4 і через Рij(Δt) - імовірність того, що система за час Δt перейде зі стану ei
у стан еj , j в состояние = 1,4, j ≠ i.
Ці ймовірності переходів визначаються таким способом [14]:
Імовірність знаходження системи «обмотка трансформатора - тепловий захист» у кожному з 4 можливих станів можна знайти з наступної системи рівнянь:
У формулі (2.1) величина aij ураховує з точністю до членів другого порядку, що за час Δt відбудеться перехід системи зі стану ei у стан ej, а у формулі (2.2) величина (1 – aii) ураховує з точністю до членів другого порядку малості, що за час Δt не відбудеться перехід системи зі стану еi не відбудеться перехід системи зі стану еi.
де d1 - середній інтервал часу між появами перевантажень обмоток трансформатора;
где d1 - середня тривалість існування перевантажень трансформатора;
где d2 - середній інтервал часу між відмовами теплового захисту;
где d2 - середня тривалість знаходження теплового захисту в невиявленому стані, що відмовив.
Система лінійних диференціальних рівнянь (2.3) розв’язується при початкових умовах Р1(0) = 1, Р2(0) = 0, Р3(0) = 0, Р4(0) = 0.
Застосовуючи до системи рівнянь (2.3) пряме перетворення Лапласа [1] і ураховуючи початкові умови, одержимо:
Із системи рівнянь (2.8) знаходимо P1(s), P2(s), P3(s) і підставляючи їх в (2.9) знаходимо функцію ймовірності безвідмовної роботи обмоток трансформатора протягом часу t:
тоді
Переходимо від зображення (2.10) до оригіналу, використовуючи методику [12], одержимо:
де sk,к = 1,2,3 - корни кубического уравнения
Середній час до першого пробою ізоляції обмотки трансформатора τ1, и дисперсія D1 перебуває з вираження [12]:
Використовуючи (2.12), (2.13), (2.14), знаходимо:
Якщо стан теплового захисту контролювати через інтервал часу 0 і перевірки вважати абсолютно надійними, то середній час знаходження захисту в невиявленому стані, що відмовив, можна знайти з виразу [2]:
У тому випадку, якщо d1>d1, d2>d2, Θ2/d2 < 0,1 і виконується умова:
тоді імовірність безвідмовної роботи обмотки трансформатора протягом часу t можна визначити за допомогою формули:
де
У такому випадку, час до першого пробою ізоляції обмотки трансформатора τ1, буде зворотно пропорційно H:
Із чого треба по формулах (2.20) і (2.21), що
Наведені вище формули можна використовувати для знаходження середнього часу до першого пробою ізоляції обмотки трансформатора τ1, і дисперсії D1, визначення середнього часу знаходження захисту в невиявленому стані, що відмовив, а також для знаходження безвідмовної роботи обмотки трансформатора протягом часу t.
Актуальність теми: рішення завдань пов'язаних з прогнозуванням надійності обмоток трансформатора та запобігання таких подій як спалахування її ізоляції, дозволить продовжити термін служби вітчизняних підстанцій, які експлуатуються на ділянках вугільних шахт.
Наукове значення роботи: підвищити надійність вибухозахищенних трансформаторних підстанцій. У результаті даної роботи отримана нова залежність імовірності виходу з ладу обмоток трансформатора протягом року від частоти та тривалості його перевантажень, надійності теплового захисту та строку її діагностики.
Практичне значення роботи: полягає в розробці методики розрахунку, що дозволяє оцінити надійність роботи теплового захисту підстанції. Запропоновано методику оцінки надійності обмоток трансформатора, що дозволяє прогнозувати вихід з ладу трансформаторної підстанції, запропоноване та обґрунтоване технічне рішення по збільшенню її надійності.
Огляд досліджень по темі: по темі опубліковані статті: «Оцінка надійності обмотки трансформатора в динамічному режимі» у Наукових працях ДонНТУ - Електротехніка i енергетика (2008 рік, №8), і «Обґрунтування рекомендацій з підвищення надійності теплового захисту вибухобезпечних шахтних трансформаторних підстанцій» у Наукових працях ДонНТУ - Електротехніка i енергетика (2007 рік, №7).
Питання підвищення надійності вибухобезпечних шахтних трансформаторних підстанцій більше 1000 кВа більше ніде не розглядалось.
Основні результати виконаної роботи:
1. Надано огляд і аналіз викоренень трансформаторних підстанцій, застосованих на шахтах України.
2. Побудовано математичну модель, що дозволяє визначити надійність обмотки трансформатора в динамічному режимі.
3. Дано кількісну оцінку надійності обмотки трансформатора в динамічному режимі.
4. Розроблено та кількісно оцінене технічне рішення по підвищенню надійності теплового захисту трансформаторної підстанції ТСВП-Х/6.
5. Запропонована принципово нова схема теплового захисту трансформаторної підстанції ТСВП-Х/6.
6. Установлено, що вихід з ладу обмотки трансформатора вибухозахищеної трансформаторної підстанції ТСВП-Х/6 відбувається при сполученні в просторі та часі не менш трьох випадкових подій, що мають різну частоту появи та тривалість існування.
7. Запропоновано математичну модель, що дозволяє пояснити процес виходу з ладу обмотки трансформатора викоренення трансформаторної підстанції ТСВП-Х/6 при її експлуатації. Отримано залежності імовірності виходу з ладу обмоток трансформатора від частоти та тривалості знаходження засобів захисту в невиявленому стані, що відмовив.
8. Дано кількісну оцінку надійності обмотки трансформаторної підстанції, знайдений час до першого виходу з ладу обмотки, імовірність безвідмовної роботи трансформаторної підстанції та імовірність виходу її з ладу за період часу t = 8760 годин (1 рік).
Висновок
У роботі дано рішення актуального для машинобудівної промисловості України наукового завдання, що складаєтья в розробці технічного рішення по підвищенню надійності теплового захисту вибухобезпечної трансформаторної підстанції. Для прийнятого технічного рішення розроблена математична модель, що пояснює процес виходу з ладу обмотки трансформатора при експлуатації трансформаторної підстанції.
На момент написання статті робота ще не закінчена. Остаточний варіант роботи можна отримати у мене, або мого керівника після грудня 2010 року.
Література
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.