автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему: Разработка и исследование быстродействующего измерителя активного сопротивления токоведущего контура силового электроэнергетического оборудования

Автореферат диссертации по теме "Разработка и исследование быстродействующего измерителя активного сопротивления токоведущего контура силового электроэнергетического оборудования"

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ИЗМЕРИТЕЛЯ АКТИВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОКОВЕДУЩЕГО КОНТУРА СИЛОВОГО ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

05.11.01 - Приборы и методы измерения (по видам измерений: электрические и магнитные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Информационно-измерительной техники.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник, Лупачев Алексей Алексеевич

Официальные доктор технических наук,

оппоненты: Хренников Александр Юрьевич

кандидат технических наук, Исаев Вячеслав Иванович

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики», г. Москва

Защита состоится «31» мая 2011 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.13 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу:

Москва, ул. Красноказарменная, д.14, ауд. 3-505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «29» апреля 2011г.

диссертационного совета Д 212.157.13, кандидат технических наук, доцент C.B. Вишняков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из актуальных проблем при эксплуатации силового электрооборудования является своевременное обнаружение дефектов токоведущего контура. Известно1, что значительная доля (41%) аварий силовых трансформаторов (СТ) при сроках эксплуатации от 10 до 30 лет приходится на следующие виды повреждений: разрушение высоковольтных вводов (22%), повреждение обмоток (16%), повреждения регуляторов под нагрузкой (РПН) (13%). Часть таких повреждений (до 15%) сопровождается взрывами и пожарами, что наносит существенный экономический ущерб.

Дефекты СТ, различные по природе, в большинстве случаев приводят к изменению сопротивления цепи токоведущего контура, в том числе, и к изменению сопротивления цепи постоянному току. Известно, что все перечисленные виды дефектов можно обнаружить одним простым методом -

гт1»апптгл11 литмтлтллгл п/лггплтиптлтттхгт ПЛ0ТЛПШ1Л*П? ТГ> 1/Л1 Л^МПТЛУ ОлТОУТЧЛ-ТЙ

методы уступают в универсальности обнаружения неисправностей.

Активное сопротивление обмотки - есть первый из группы схемных параметров, согласно аналитической теории трансформаторов, интегрально характеризующей электромагнитные и энергетические процессы в трансформаторе и придающей конкретный смысл параметрам уравнений состояния и основу для решения задач анализа. Вся совокупность схемных параметров определяется путём их измерения.

Токоведущий контур, включающий обмотку силового трансформатора или реактора (СТР), характеризуется значительной постоянной времени, существенно снижающей скорость установления в ней рабочего тока с требуемой погрешностью измерения. На современном этапе развития подобных средств измерений (СИ) достигнутая точность измерения активного сопротивления удовлетворяет выдвигаемым требованиям (ГОСТ 3484.1, п.4.1.4: «Сопротивление обмоток постоянному току следует измерять при помощи приборов классов точности не ниже 0,5»). Временные затраты на измерения, с учётом большого числа отведений в РПН, существенно снижают производительность измерения и испытания подобного электроэнергетического оборудования.

Поэтому возникает актуальная задача повышения быстродействия средств измерения активного сопротивления обмоток СТР с сохранением или улучшением точностных показателей СИ.

Для реализации современных методов испытаний используются цифровые измерители сопротивления (ЦИС). В настоящее время рынок предлагает массу ЦИС, порой с идентичными характеристиками. Доступные литературные материалы показывают, что ЦИС относятся к перспективному

1 Ванин Б.В., Львов Ю.Н., Львов М.Ю. и др. О повреждениях силовых трансформаторов напряжением 110 -150 кВ в эксплуатации. // Электрические станции. 2001. № 9. С.53-58.

виду средств измерения. Разработкой конструкций и серийным выпуском ЦИС заняты многие предприятия и фирмы в России и за её пределами (такие фирмы как «ADWEL» (Канада), «С-А Schuetz Messtechnik» (Германия), «Megger» (США), «Sonel» (Польша), «АВИАСТЭК», «ИНФРОХРОМ-99», «СКБ ЭП ИСЭМ» (Россия).

В разработку методов измерения сопротивления внесли большой вклад коллективы, возглавляемые такими известными учёными, как Карандеев К.Б., Шляндин В.М., Волгин Л.И, и другие.

Выпускаемые в настоящее время в России и за рубежом ЦИС (такие как «MMR-620», «MMR-630» («Sonel», Польша), «Мико-2.3» («СКБ ЭП ИСЭМ», Россия)) имеют высокие метрологические характеристики, однако их потенциальное быстродействие (десятки и более измерений в секунду) не используется в виду значительной инерционности измерительной цепи. Этот недостаток частично устраняется в ряде приборов, если используется принцип форсирования рабочего тока (такие модели ЦИС как «ИСО-1», «РЕТ-МОМ» и «ПТФ-1»; «МКИ-200» и «МКИ-600» (Россия)). Вопросу повышения быстродействия омметров для диагностики СТР уделяется большое внимание вот уже на протяжении 50 лет. Вопросам коррекции динамических характеристик измерительных цепей и преобразователей посвящены работы Харченко P.P., Грановского A.B., Колосова О.С., Мелентьева B.C. и других учёных.

Решение проблемы повышения быстродействия приборов актуально и для современных, достаточно дорогих приборов, обладающих значительными вычислительными и измерительными мощностями. Использование в практике измерений априорной информации об объекте и обработка отсчётов мгновенных значений переходного процесса в измерительной цепи позволяет существенно сократить временные затраты на преобразование информации и разработать новые алгоритмы измерения параметров обмоток силовых трансформаторов и реакторов без магнитопровода на основе методов динамических измерений и двухканального инвариантного преобразования измерительных сигналов.

Целью работы является повышение быстродействия измерения сопротивления обмоток силовых трансформаторов и реакторов постоянному току и разработка структуры и алгоритма работы быстродействующего цифрового измерительного прибора с улучшенными точностными характеристиками для испытания токоведущего контура СТР.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести критический анализ быстродействия алгоритмов работы и структур современных приборов, способов и средств коррекции динамических характеристик входной измерительной цепи (ИЦ).

2. Исследовать метод динамического измерения (ДИ) сопротивления обмоток СТР, инвариантный к постоянной времени входной ИЦ прибора, который позволяет получить оценку сопротивления обмотки значительно раньше

завершения переходного процесса (ПП) в этой цепи с требуемой погрешностью.

3. Разработать алгоритм и структуру цифрового прибора, основанные на методе ДИ, инвариантного к изменению сопротивления ИЦ прибора с целью повысить точностные характеристики быстродействующего измерителя для испытания токоведущего контура.

Методы исследования. При выполнении работы использовались методы динамических измерений и анализа динамической погрешности, теории линейных цепей и сигналов, теории автоматического управления, а также метод имитационного моделирования.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. На основе единого подхода к оценке эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС произведено сравнение различных алгоритмов.

2. Разработана классификация способов коррекции динамической характеристики измерительной цепи. Классификация позволила найти перспективный для построения ЦИС способ цифрового ДИ, основанный на методе выбранных точек.

3. При помощи имитационного моделирования установлено, что существует область параметров трёхточечного алгоритма ДИ определяющая его работоспособность.

4. Получены аналитические выражения для расчета максимальной погрешностей оценки асимптоты от шума квантования сигнала ПП и параметров алгоритма.

5. Разработаны рекомендации по практической реализации трёхточечного алгоритма ДИ. Разработана двухканальная структура ЦИС и алгоритм её работы, реализующий трёхточечный алгоритм ДИ.

Практическая значимость работы. Основные результаты диссертационного исследования, имеющие практическую значимость, заключаются в следующем:

1. Проведён сравнительный анализ эффективности алгоритмов повышения быстродействия ЦИС, основанных на коррекции динамической характеристики входной ИЦ прибора.

2. Разработана структура и алгоритм работы цифрового измерителя активного сопротивления высокоиндуктивной обмотки, основанная на принципе ДИ постоянной величины путём обработки мгновенных значений ПП во входной ИЦ.

3. Разработаны рекомендации по реализации предложенных структур.

4. Результаты работы используются в учебном процессе (в курсовом и дипломном проектировании) на кафедре «Информационно-измерительной техники» ГОУВПО «МЭИ (ТУ)».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: МНТК «Наука, образование, инновации: приоритетные направления развития», организованной МГТУ им. Н.Баумана,

МЭИ (ТУ), Киргизским гос. тех. ун-т, (г. Бишкек, 2009г.); II Всероссийской НТК «Измерение и испытания в судостроении и смежных отраслях «СУДОМЕТРИКА-2008», организованной Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии, (г. Санкт-Петербург, 2008г.); МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», организованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008, 2009 гг.); МНТК «Информационные средства и технологии», организованными МЭИ (ТУ), (г. Москва, 2008-2010 гг.).

Внедрение результатов работы. Работа выполнялась в рамках госбюджетной фундаментальной НИР № 1026091 «Разработка теоретических вопросов создания аппаратно-программного обеспечения информационно-измерительных систем (ИИС) в электроэнергетике (ЭЭ)» и хоздоговорной НИР № 2204080 от 02.06.2008 г. «Разработка автоматизированной многоканальной измерительной системы для измерения временных характеристик резистивных регуляторов под нагрузкой (РПН), активного сопротивления обмоток силовых высоковольтных РПН-трансформаторов и снятия вольтамперных характеристик трансформаторов тока силовых высоковольтных трансформаторов» с НП «ИНВЭЛ». Теоретические и практические результаты диссертации используются в учебном процессе на кафедре информационно-измерительной техники Московского энергетического института (ТУ) при подготовке специалистов по направлению «Информатика и вычислительная техника» (230100).

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением в контрольных точках результатов аналитического и имитационного моделирования.

Положения, выносимые на защиту

1. Классификация и сравнительный анализ алгоритмов коррекции динамической характеристики входной измерительной цепи ЦИС.

2. Результаты исследования влияния параметров алгоритма выбранных точек, реализующего метод ДИ, на методическую погрешность оценки результата измерения. В качестве независимых параметров алгоритма выбраны следующие: разрядность цифрового эквивалента мгновенных значений ПП в ИЦ; относительная длительность интервала обработки сигнала; относительный момент начала интервала обработки по отношению к началу ПП. Рекомендации по практической реализации трёхточечного алгоритма ДИ.

3. Структура ЦИС, реализующая алгоритм выбранных точек метода ДИ, отличающаяся наличием двух каналов преобразования мгновенных значений тока и напряжения ИЦ, позволяющая уменьшить влияние возмущающих факторов в ИЦ.

4. Результаты исследования способа форсирования тока в измерительной цепи показали, что время действия этого режима целесообразно определять по текущей погрешности установления тока в измерительной цепи. Это обеспечивает максимальную эффективность этого способа коррекции динамической характеристики ИЦ.

Соответствие паспорту специальности. Цель и объект исследования диссертационной работы состоит в существенном совершенствовании известных методов и средств измерений, обусловленных требованиями развития науки и техники.

Значение решённых в диссертационной работе задач, относящихся к данной специальности, состоит в совершенствовании измерителя активного сопротивления, что соответствует п.5 области исследования паспорта специальности о совершенствовании существующих методов и способов обеспечения единства измерений в области измерений электрических величин.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна работа депонирована в ВИНИТИ РАН РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложений, библиографического списка, включающего 97 источников. Основная часть работа изложена на 158 страницах, содержит 45 рисунков и 31 таблицу.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость результатов работы, кратко изложено содержание диссертационной работы, приведены данные о структуре и объеме работы.

В первой главе проведен анализ метрологических характеристик современных ЦИС, методов и средств измерения активного сопротивления и требований к ним, а также современных тенденций построения диагностических средств, алгоритмов измерения, реализуемых в ЦИС.

Анализ литературы показал, что активное сопротивление обмоток силовых трансформаторов и реакторов является важным диагностическим признаком, несущим информацию о состоянии этих электроэнергетических объектов. Показано, что точностные характеристики ЦИС в полной мере удовлетворяют потребностям современной диагностики. Однако время измерения ЦИС существенно увеличено наличием переходного процесса в ИЦ и при этом не используется в полной мере быстродействие каналов преобразования.

На основе анализа литературы сделан вывод, что классический алгоритм измерения, основанный на принципе ожидания окончания переходного процесса во входной измерительной цепи ЦИС, реализуется в настоящее время в большинстве моделей ЦИС. Однако, данный принцип приводит к значительным временным затратам на получение результата измерения активного сопротивления обмотки йоб, которые наряду со снижением эксплуатационных показателей автономных приборов, приводят к потере точности из-за нагрева обмотки, а так же к низкой производительности диагностики СТР.

Для оценки различных алгоритмов установления рабочего тока в измерительной цепи ЦИС сформулирован критерий эффективности повышения быстродействия:

где - время, необходимое для реализации 1.-го алгоритма при

динамической погрешности измерения £дин;

Тк(е) — время, требуемое на измерение при классическом алгоритме (1=7) при той же погрешности гдии .

Увеличение отношения (1) без изменения длительности цикла аналого-цифрового преобразования представляет актуальную задачу.

Во второй главе рассмотрена предложенная автором классификация способов коррекции динамической характеристики (КДХ) измерительной цепи ЦИС. На основе этой классификации, показанной на рисунке 1, с единых позиций рассмотрены следующие алгоритмы:

• введения добавочного сопротивления ДД0Б в ИЦ (£ = 2);

• форсирования рабочего тока 10 в ИЦ (£ = 5);

• экстраполяции к постоянному значению измеряемой величины (Ь = 4)\

• динамического измерения по методу выбранных точек