RO126339B1

RO126339B1 - Dispozitiv pentru măsurarea şi monitorizarea forţei axiale de strângere a înfăşurărilor la transformatoarele de putere în timpul funcţionării acestora

Info

Publication number: RO126339B1
Application number: ROA201000465A
Authority: RO
Inventors: Andrei Marinescu
Original assignee: Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Şi Încercări Pentru Electrotehnică - Icmet Craiova
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2012-06-29
Also published as: RO126339A0

Description

Invenția se referă la un dispozitiv pentru măsurarea și monitorizarea forțelor axiale de strângere a înfășurărilor la transformatoarele de putere în timpul funcționării acestora.

Transformatoarele de putere sunt cele mai complexe și costisitoare componente ale rețelelor de transport și distribuție a energiei electrice.

Ele sunt proiectate să reziste la eforturile electrodinamice generate de curenții de scurtcircuit sau curenții de conectare bruscă printr-un sistem static de strângere axială a înfășurărilor, care trebuie să asigure, pe toată durata de viață a acestora, un anumit nivel de presare, indiferent de numărul și amplitudinea solicitărilor electrodinamice, de variația temperaturii și de starea generală a izolației.

De obicei, scăderea forțelor de strângere axială poate conduce la pierderea stabilității mecanice a înfășurărilor și, în final, la avarierea totală a transformatorului.

Pentru controlul acestor forțe de strângere, sunt cunoscute sisteme de măsurare utilizate în timpul funcționării (on-line) sau cu scoaterea din funcțiune a transformatorului (off-line), respectiv, sisteme de măsurare intrusive (montate în interiorul transformatorului) sau neintrusive, când sunt plasate în afara acestuia.

Metodele neintrusive cunoscute pot fi utilizate on-line, cum ar fi analiza vibro-acustică și determinarea presiunii tranzitorii a uleiului sau off-line, prin analiza caracteristicii de frecvență; ele au dezavantajul că sunt metode de investigație globale, calitative, niciuna nefiind capabilă să asigure în prezent o determinare exactă a stării mecanice a transformatorului.

Metodele intrusive sunt bazate fie pe compensarea variației în timp a forțelor, fie pe măsurarea și/sau controlul direct a forțelor axiale de strângere a fiecărui ansamblu de înfășurări.

Dintre acestea, cea descrisă în brevetul RO 70987 este prima soluție cunoscută, care permite măsurarea directă a forțelor axiale prin introducerea unor senzori de forță sub fiecare sau în fiecare bulon de presare a înfășurărilor și, totodată, face posibilă transmiterea informației referitoare la aceste forțe în afara transformatorului, pentru prelucrare, analiză și decizie.

Această metodă și variantele ei, deși îndeplinesc toate condițiile pentru măsurarea forței statice de presare și stabilirea obiectivă a variației în timp a acesteia și, în funcție de senzorii folosiți, chiar și a forțelor dinamice, este sensibilă la câmpurile electromagnetice intense din interiorul transformatorului și numai prin măsuri speciale de ecranare electromagnetică poate fi folosită pentru măsurători on-line.

în brevetul US 3929010 este prezentată o metodă de compensare hidraulică a modificării în timp a forței de strângere axială, iar în brevetul US 5327113, se utilizează resorturi disc sub fiecare bulon de strângere, resorturi care permit, într-o măsură, compensarea variației în timp a forțelor axiale de-a lungul duratei de viață a transformatorului.

într-un alt brevet, US 6718268 B2, sistemul de măsurare directă este introdus în inelul de presare al înfășurărilor, care conține senzori cu unde acustice de suprafață SAW (Surface Acoustic Sensors). Măsurarea se face în puncte discrete, iar transmiterea semnalelor generate de senzorii SAW, proporționale cu forța măsurată, se face wireless către un receptor aflat în afara cuvei transformatorului. Elementele elastice necesare pentru transmiterea forței de presare către senzori, respectiv, antenele acestora, măresc dimensiunile sistemului, pot fi influențate de câmpul electromagnetic intens din transformator sau pot da naștere la încălziri locale, ceea ce până la urmă afectează structura izolantă a inelului de presare și implicit a transformatorului.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în măsurarea și monitorizarea directă a forței de strângere axială a înfășurărilor la transformatoare de putere, în timpul funcționării acestora.

RO 126339 Β1

Dispozitivul pentru măsurarea și monitorizarea forței axiale de strângere a înfășu- 1 rărilor la transformatoarele de putere, conform invenției, înlătură dezavantajele prezentate prin faptul că, pentru detectarea forței de strângere, este alcătuit dintr-o fibră optică activă, 3 sensibilă la deformări transversale, conectată la o fibră optică pasivă printr-un conector optic, și care fibră optică pasivă este conectată la celălalt capăt, printr-un conector optic de trecere 5 prin peretele cuvei transformatorului, la intrarea unui echipament de achiziție și prelucrare a semnalului optic, în sine cunoscut. 7

Avantajele prezentei invenții sunt următoarele:

- folosește ca senzor fibră optică, un dielectric ideal, cu rigiditate dielectrică 9 superioară mediului izolant pe care îl parcurge;

- este ușor de montat în piese din material izolant sau compozit, fără a influența 11 stabilitatea mecanică și izolația principală proiectată a transformatorului, nici prin instalare în inelul de presare, nici prin transmisia optică bilaterală a semnalului purtător de informație 13 în afara cuvei transformatorului;

- are siguranță intrinsecă la interferența electromagnetică, la variații de temperatură 15 și la mediul electroizolant utilizat în transformator;

- se poate aplica la orice sistem de strângere axială cunoscut;17

- permite măsurarea simultană a forțelor statice de presare și a forțelor variabile în timp, care apar în diferite regimuri de funcționare a transformatoarelor;19

- permite integrarea în sistemele existente de monitorizare a transformatoarelor dintr-o stație de transformare;21

- permite corectarea rezultatelor măsurătorilor efectuate printr-un software de aplicație, care ține seama de starea izolației în momentul măsurării (îmbătrânire, umiditate, 23 temperatură etc.), pentru a putea fi comparate cu forțele de presare inițiale, practicate de firma constructoare. 25

Se dă, în cele ce urmează, un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...4, care reprezintă:27

- fig. 1, vedere în perspectivă a părții active a unui transformator de putere trifazat, în mod obișnuit amplasat în ulei, într-o cuvă metalică, nefigurată pe desen;29

- fig. 2a, vedere în perspectivă a inelului de presare care integrează dispozitivul de măsurare, conform invenției, alcătuit din două inele de presare suprapuse;31

- fig. 2b, vedere de sus a inelului de presare inferior, cu canalul în care se amplasează fibra optică conform invenției;33

- fig. 2c, vedere de sus a inelului de presare inferior, cu senzorul din fibră optică, conform invenției, montat în canalul reprezentat în fig. 2a și 2b;35

- fig. 3a, secțiune a canalului în care se montează fibra optică cu sensibilitate transversală, conform invenției, în stare nesolicitată;37

- fig. 3b, secțiune a canalului în care se montează fibra optică, conform invenției, în stare solicitată;39

- fig. 4, schema de procesare a semnalului optic, care poate fi utilizată de dispozitivul pentru măsurarea și monitorizarea forței axiale la transformatoare, conform invenției.41

Dispozitivul conform invenției folosește ca element sensibil un senzor optic intrinsec de deformație, care constă dintr-o fibră optică activă, cu sensibilitate transversală la 43 deformație, înglobată în inelul de presare al înfășurărilor de pe fiecare coloană a transformatorului, fibră optică pe care este înscrisă o succesiune de rețele Bragg (FBG - 45

Fiber Bragg Grating), distribuite pe lungimea activă a fibrei, structură care permite, printr-un sistem de interogare, să se determine profilul de variație a efortului de compresiune pe 47 circumferința inelului de presare, indiferent de sistemul de presare utilizat în construcția transformatorului. 49

RO 126339 Β1

Inelul de presare, astfel realizat, devine un senzor de forță de compresiune, care poate fi etalonat și caracterizat separat, pentru forțe concentrate sau repartizate (uniform sau neuniform) și, care, după montarea pe transformator, dă posibilitatea detectării obiective a forțelor de strângere.

în fig. 1 se prezintă vederea în perspectivă a părții active 1 a unui transformator de putere trifazat, în mod obișnuit plasată în ulei, într-o cuvă metalică, alcătuită din circuitul magnetic 2, ansamblul de înfășurări 3, de pe fiecare coloană a circuitului magnetic 2, inelele de presare superior 4 și inferior 5 al fiecărei faze, sistemul de strângere axială al fiecărei înfășurări 3, alcătuit, în acest caz, din patru dispozitive mecanice, două vizibile 6 și 6' și două vizibile parțial pe figură 6 și 6', simetrice față de circuitul magnetic 2.

Detaliul A prezintă la altă scară unul dintre aceste dispozitive mecanice 6, care, prin intermediul unor buloane reglabile 7, 7', al unor piese intermediare 8, 8' și al inelelor de presare superioare 4, asigură forța statică de presare axială a înfășurărilor 3, forță a cărei monitorizare în timp este scopul fundamental al invenției.

Fig. 2a arată un exemplu de realizare a invenției, în care inelul de presare 4 din fig. 1 devine traductorul de forță 9, prin divizarea sa în două inele suprapuse 10,11, cu grosime totală identică cu cea a inelului de presare original 4, din care provine, inelul inferior 11 fiind prevăzut cu un canal 12, ca în fig. 2b, în care se plasează, ca în fig. 2c, fibra optică activă 13, care este elementul sensibil al traductorului de forță 9.

Fig.3a arată la o scară mai mare secțiunea A-A (vezi fig. 2c) prin inelul de presare 11, canalul 12 de secțiune dreptunghiulară practicat în acest inel 11, fibra optică activă 13 și inelul superior 10, în stare nesolicitată, iar în fig. 3b, aceeași structură, în stare solicitată.

Conform invenției, fibra optică activă 13 are înscrisă pe lungimea sa activă un număr de rețele Bragg echidistante 14, în funcție de numărul de zone în care se dorește să se măsoare repartiția forței de compresiune exercitată asupra inelului de presare - traductor de forță 9.

Conform invenției, măsurarea forței de compresiune se face printr-o fibră optică activă 13, sensibilă la deformare transversală, conectată la fibra optică pasivă 15, printr-un conector optic 16. Pentru a corela proprietățile mecanice ale fibrei optice active 13, cu proprietățile mecanice ale materialului inelelor de presare 10 și 11, fibra optică 13 este realizată din material polimeric. Fibra optică 15 servește atât pentru transmiterea luminii pentru interogarea rețelelor Bragg 14, cât și pentru recepția informației despre starea fibrei active 13, prin conectorul optic 17, care este montat pe peretele cuvei metalice a transformatorului.

Sistemul de achiziție și prelucrare a semnalului care provine de la dispozitivul de măsurare, conform invenției, este cunoscut în stadiul actual al tehnicii.

în fig. 4 se prezintă schema bloc simplificată a unui astfel de sistem, unde 13 este fibra optică activă, conform invenției, care are înscrise un număr de rețele Bragg 14, conectorul optic 16, care cuplează fibra optică activă 13 cu fibra optică pasivă 15, la rândul ei terminată printr-un conector optic de trecere 17, montat pe peretele cuvei 18 a transformatorului și echipamentul de achiziție și prelucrare a semnalului optic 19.

Echipamentul 19 conține o sursă de lumină de bandă largă 20, un cuplor optic 21, care permite separarea luminii incidente 22, transmisă senzorului optic 13, de lumina reflectată 23 de rețelele Bragg 14, în funcție de deformația la care sunt supuse, și un procesor de semnal optic 24, care utilizează una din metodele cunoscute de demultiplexare a semnalului optic reflectat, în vederea determinării deformației transversale, din fiecare zonă a senzorului optic 13, unde este înscrisă o rețea Bragg.

RO 126339 Β1

La ieșirea 25 a procesorului 24, se obțin semnale electrice proporționale cu repartiția 1 forței de compresiune pe circumferința inelului de presare, care sunt memorate și afișate într-un mod cunoscut. 3

Conform invenției, echipamentul de procesare a semnalului optic poate fi amplasat în imediata vecinătate a transformatorului monitorizat sau la distanță, în camera de comandă 5 a stației de transformare, caz în care poate procesa semnale optice care provin de la unul sau mai multe transformatoare din stația de transformare. 7

Conform invenției, informația despre variația în timp a forțelor axiale se poate înregistra, fie on-line pe toată durata de funcționare a transformatorului, fie off-line la inter- 9 vale mai lungi sau mai scurte, conectând echipamentul 19 numai atunci când este stabilit prin tehnologia de monitorizare. în acest ultim caz, echipamentul 19 poate fi folosit la alte 11 transformatoare din stația respectivă sau din alte stații de transformare printr-o setare corespunzătoare. 13

Conform invenției, valorile forței/forțelor axiale măsurate pe fiecare fază la un moment dat, în timpul duratei de viață a transformatorului, în anumite condiții de temperatură a 15 înfășurărilor sau uleiului, de umiditate și de îmbătrânire a izolației hârtie-ulei, sunt corelate cu valoarea/valorile inițiale utilizate de firma constructoare, pe baza unui software de 17 aplicație. Software-ul produce pe bază de experiență și modele fizice, coeficienți de ponderare în funcție de temperatură (K_T), umiditatea din izolația hârtie-ulei (K_h), îmbătrânirea 19 izolației (K_a), construcția specifică a transformatorului (K_m) etc., care dau posibilitatea corectării forței măsurate F_s, astfel încât forța de strângere (corectată) este: 21 (^Fs)cor = ^kcor ^Fs * (^Fs)in unde (F_s)_in este forța statică de strângere, inițial utilizată, iar coeficientul de corecție 25 global este:

k_cor = f(K_T, K_h, K,, K_m)27 în funcție de starea transformatorului, în momentul măsurării, coeficientul de corecție29 global k_cor poate avea valori sub/supraunitare cuprinse între 0.6 și 1.2.

Claims

1. Dispozitiv pentru măsurarea și monitorizarea forței axiale de strângere a înfășurărilor la transformatoarele de putere ce conțin partea activă (1) plasată într-o cuvă cu ulei și alcătuită din circuitul magnetic (2), ansamblul de înfășurări (3), inelele de presare superioare (4) și inferioare (5), pentru fiecare fază, în timpul funcționării acestora, caracterizat prin aceea că, pentru detectarea forței de strângere, este alcătuit dintr-o fibră optică activă (13), sensibilă la deformări transversale, conectată la o fibră optică pasivă (15) printrun conector optic (16) și care fibră optică pasivă (15) este conectată la celălalt capăt, printrun conector optic de trecere (17) prin peretele cuvei transformatorului (18), la intrarea unui echipament de achiziție și prelucrare a semnalului optic (19).

2. Dispozitiv conform revendicării 1, în care inelul de presare superior (4) al transformatorului este divizat în două inele suprapuse (10, 11) cu grosime identică cu a inelului de presare (4) din care provine, inelul inferior (11) fiind prevăzut cu canalul (12) de secțiune dreptunghiulară, caracterizat prin aceea că fibra optică activă (13) este plasată în canalul (12) inelului inferior de presare (11), fibră optică (13) pe care este înscrisă o succesiune de rețele Bragg echidistante (14), în funcție de numărul de zone în care se dorește să se măsoare repartiția forței de compresiune.

3. Dispozitiv conform revendicării 2, caracterizat prin aceea că echipamentul de achiziție și prelucrare a semnalului optic (19) conține o sursă de lumină de bandă largă (20), un cuplor optic (21), care permite separarea luminii incidente (22), transmisă senzorului optic (13) de lumina reflectată (23) de către rețelele Bragg (14), în funcție de deformația la care sunt supuse, și un procesor de semnal optic (24), care utilizează una dintre metodele cunoscute de demultiplexare a semnalului optic reflectat, în vederea determinării deformației transversale din fiecare zonă a senzorului optic (13) unde este înscrisă o rețea Bragg (14).

4. Dispozitiv conform revendicării 3, caracterizat prin aceea că, pentru a corela proprietățile mecanice ale fibrei optice active (13) cu proprietățile mecanice ale inelelor de presare (10, 11), fibra optică activă (13) este realizată dintr-un material polimeric.