RU2794204C1 - Method for detecting interturn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers - Google Patents

Method for detecting interturn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers Download PDF

Info

Publication number
RU2794204C1
RU2794204C1 RU2022117572A RU2022117572A RU2794204C1 RU 2794204 C1 RU2794204 C1 RU 2794204C1 RU 2022117572 A RU2022117572 A RU 2022117572A RU 2022117572 A RU2022117572 A RU 2022117572A RU 2794204 C1 RU2794204 C1 RU 2794204C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
phase
transformer
transformers
short circuits
measurement
Prior art date
Application number
RU2022117572A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Белов
Ольга Рафхатовна Шаймухаметова
Юрий Петрович Ильин
Наталья Викторовна Скородумова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2794204C1 publication Critical patent/RU2794204C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: invention can be used to detect interturn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers during operation. The method for detecting turn-to-turn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers consists in measuring the phase currents of the transformer in idle mode using measuring current transformers. The first measurement is made before starting operation on a known-good transformer. The signals coming to the measuring current transformers from the measuring current transformers are processed, and the result is stored. During the operation of a three-phase transformer, during a scheduled inspection, measurements of the phase currents of the transformer are repeated with the load disconnected and the signals are re-processed. The processing of signals coming from measuring current transformers consists in the fact that after removing the signals from the ammeters during the first measurement, the direction of the current vector of one of the phases is selected, the angles between the vectors of the phase currents are determined, and the value of the negative sequence current vector for the selected phase is calculated. The result obtained is compared with the result of the first measurement, and the presence of interturn short circuits is judged by the absolute value of the vector difference between the calculated negative sequence current vectors, which, in the presence of an interturn short circuit, will be greater than zero.
EFFECT: increasing the sensitivity to the presence of short circuits in the windings of a three-phase power transformer by taking into account negative sequence currents.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для выявления витковых замыканий в обмотках трехфазных потребительских трансформаторов в ходе эксплуатации.The invention relates to the electric power industry and can be used to detect coil faults in the windings of three-phase consumer transformers during operation.

Известен способ выявления межвитковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов (RU 2645811 дата опубликования 28.02.2018; МПК G01R 31/06), измерения проводят при отсутствии соединений между обмотками трехфазного трансформатора, кроме общей точки в схеме «звезда», измерения выполняют поочередно путем подачи оперативного напряжения промышленной частоты от регулируемого источника питания только на одну первичную или вторичную обмотку в начале первой фазы трансформатора, например фазы А, при этом измеряют величину активной мощности, одновременно измеряют и регистрируют значения напряжений на обеих обмотках первой фазы на холостом ходу, затем подают оперативное напряжение прежней величины на первичную или вторичную обмотку второй фазы трансформатора, измеряют и регистрируют величину активной мощности для второй фазы и значения напряжений на обмотках второй фазы, аналогично измеряют и регистрируют активную мощность и напряжения для третьей фазы, после выявления поврежденной фазы по зарегистрированным величинам напряжений обмоток вычисляют значения фактического коэффициента трансформации между обмотками этой фазы для двух вероятных случаев виткового замыкания в первичной или во вторичной обмотки, затем вычисленные значения этого фактического коэффициента сопоставляют с паспортным коэффициентом трансформации для данного трансформатора, и если фактический коэффициент меньше паспортного, то делают заключение о факте виткового замыкания в первичной обмотке, если фактический коэффициент больше паспортного, то делают заключение о наличие виткового замыкания во вторичной обмотке.A known method for detecting turn-to-turn short circuits in the windings of three-phase transformers (RU 2645811 publication date 28.02.2018; IPC G01R 31/06), measurements are carried out in the absence of connections between the windings of a three-phase transformer, except for a common point in the "star" circuit, measurements are performed alternately by applying an operational power frequency voltage from an adjustable power source to only one primary or secondary winding at the beginning of the first phase of the transformer, for example, phase A, while measuring the amount of active power, simultaneously measuring and recording the voltage values on both windings of the first phase at idle, then the operating voltage is applied of the previous value on the primary or secondary winding of the second phase of the transformer, measure and record the value of the active power for the second phase and the voltage values on the windings of the second phase, similarly measure and record the active power and voltages for the third phase, after identifying the damaged phase, the recorded values of the winding voltages are calculated the values of the actual transformation ratio between the windings of this phase for two probable cases of a turn circuit in the primary or secondary winding, then the calculated values of this actual ratio are compared with the passport transformation ratio for this transformer, and if the actual ratio is less than the passport one, then a conclusion is made about the fact of a turn circuit in the primary winding, if the actual coefficient is greater than the passport one, then a conclusion is made about the presence of a turn short circuit in the secondary winding.

Основным недостатком этого способа является то, что он не может быть применен в условиях эксплуатации потребительских трансформаторов, поскольку для диагностики требуется отключение трансформатора от сети, а это связано со значительными трудностями, поскольку в рабочем режиме силовой трансформатор всегда соединен с высоковольтной линией электропередачи (6-10 кВ).The main disadvantage of this method is that it cannot be applied in the operating conditions of consumer transformers, since the diagnosis requires disconnecting the transformer from the network, and this is associated with significant difficulties, since in the operating mode the power transformer is always connected to a high-voltage power line (6- 10 kV).

Известен способ выявления межвитковых замыканий в обмотках трехфазных трансформаторов по токовому принципу (Петров Г.Н. Электрические машины. В 3-х частях. Ч. 1. Трансформаторы. - М. Энергия, 1974. - 240 с; Вольдек А. Электрические машины. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с). Способ основан на том, что при коротком замыкании некоторого числа витков обмотки ток в этой обмотке при неизменном напряжении увеличивается. На этом основании, если трехфазный трансформатор представляет собой симметричную систему в виде группы однофазных трансформаторов, то в режиме холостого хода путем измерения тока в трех фазах, а затем путем сравнения результатов измерений между собой по наибольшей величине тока можно выявить фазу трансформатора с витковым замыканием.A known method for detecting turn-to-turn short circuits in the windings of three-phase transformers according to the current principle (Petrov G.N. Electrical machines. In 3 parts. Part 1. Transformers. - M. Energy, 1974. - 240 s; Woldek A. Electrical machines. - L .: Energy, 1974. - 840 s). The method is based on the fact that with a short circuit of a certain number of turns of the winding, the current in this winding increases at a constant voltage. On this basis, if a three-phase transformer is a symmetrical system in the form of a group of single-phase transformers, then in the idle mode, by measuring the current in three phases, and then by comparing the measurement results with each other by the highest current value, it is possible to identify the phase of the transformer with a turn circuit.

Недостатком аналога является недостоверность результатов в виду того, что у трансформаторов с трехстержневым магнитопроводом из-за несимметрии магнитной системы величина токов холостого хода по фазам неодинакова даже при отсутствии витковых замыканий. Возникновение виткового замыкания в обмотке любой из трех фаз изменит степень несимметрии токов холостого хода трансформатора.The disadvantage of the analogue is the unreliability of the results due to the fact that for transformers with a three-rod magnetic circuit, due to the asymmetry of the magnetic system, the value of the no-load currents in phases is not the same even in the absence of turn short circuits. The occurrence of a turn short circuit in the winding of any of the three phases will change the degree of asymmetry of the no-load currents of the transformer.

Было также отмечено, что токи обратной последовательности изменяют фазу при наступлении межвиткового замыкания (Иванченко Д.И., Шонин О.Б.. Идентификация межвитковых замыканий силового трансформатора на основе анализа амплитудно-фазовых соотношений токов обратной последовательности. - Журнал Записки Горного института. Т. 196. С-Пб. 2012, с. 240-243). Этот способ предлагается применить в дифференциальной защите трансформаторов, которая согласно ПУЭ используется на трансформаторах мощностью 6,3 МВА и выше, и не применяется в потребительских трансформаторах. При этом сравниваются фазы токов обратной последовательности на входе в трансформатор и на выходе из него. Исследования дифференциальной релейной защиты в данной статье проводились с использованием среды SimPowerSystemsSimulinkMatlab. Использовался трансформатор напряжением 35/6 кВ, мощностью 5,6 МВА, сравнение сигналов осуществлялось с помощью датчиков тока установленных на входе и выходе трансформатора. Для выявления признаков межвитковых замыканий производился анализ симметричных составляющих дифференциального тока и токов первичной и вторичной обмоток трансформатора, амплитудный критерий обнаружения межвитковых замыканий основан на расчете дифференциальных токов прямой и обратной последовательности, который показал, что в случае внутреннего короткого замыкания в трансформаторе этот критерий принимает значения близкие к нулю. Однако в данной статье предполагается использовать критерий, который использован в устройстве защиты от однофазных замыканий на землю. Дифференциальная защита работает тогда, когда трансформатор находится под нагрузкой, но ток межвиткового замыкания составляет обычно весьма малую часть от тока нагрузки трансформатора и выявление его с большой чувствительностью при таком способе невозможно, защита срабатывает лишь при значительном повреждении обмоток. Между тем, важно выявить витковые замыкания на ранней стадии повреждения, а если они будут выявлены тогда, когда повреждения затронут значительную часть обмотки, стоимость ремонта такого трансформатора будет соизмерима со стоимостью нового трансформатора. В связи с этим недостатком способа является то, что выявить межвитковое замыкание с большей чувствительностью невозможно.It was also noted that negative sequence currents change phase when an interturn fault occurs (Ivanchenko D.I., Shonin O.B.. Identification of interturn short circuits of a power transformer based on the analysis of the amplitude-phase relationships of reverse sequence currents. - Journal of the Notes of the Mining Institute. T 196. St. Petersburg 2012, pp. 240-243). This method is proposed to be used in the differential protection of transformers, which, according to the PUE, is used on transformers with a capacity of 6.3 MVA and above, and is not used in consumer transformers. In this case, the phases of the negative sequence currents at the input to the transformer and at the output from it are compared. The studies of differential relay protection in this article were carried out using the SimPowerSystemsSimulinkMatlab environment. A transformer with a voltage of 35/6 kV, a power of 5.6 MVA was used, the comparison of the signals was carried out using current sensors installed at the input and output of the transformer. To identify signs of interturn short circuits, an analysis was made of the symmetrical components of the differential current and currents of the primary and secondary windings of the transformer, the amplitude criterion for detecting interturn faults is based on the calculation of differential currents of the positive and negative sequence, which showed that in the case of an internal short circuit in the transformer, this criterion takes values close to to zero. However, this article is intended to use the criterion used in the single-phase earth fault protection device. Differential protection works when the transformer is under load, but the interturn fault current is usually a very small part of the transformer load current and it is impossible to detect it with great sensitivity with this method, the protection only works if the windings are significantly damaged. Meanwhile, it is important to detect turn faults at an early stage of damage, and if they are detected when the damage affects a significant part of the winding, the cost of repairing such a transformer will be commensurate with the cost of a new transformer. In connection with this, the disadvantage of the method is that it is impossible to detect an interturn short circuit with greater sensitivity.

Значительно большей чувствительности можно достичь, если определять межвитковые замыкания в режиме холостого хода трансформатора. В этом случае ток в фазах, вызванный межвитковым замыканием, будет составлять значительную долю тока холостого хода трансформатора, что существенно облегчает задачу выявления межвиткового замыкания.Significantly greater sensitivity can be achieved if inter-turn short circuits are determined in the idle mode of the transformer. In this case, the current in the phases caused by the interturn short circuit will be a significant proportion of the no-load current of the transformer, which greatly simplifies the task of detecting the interturn short circuit.

Прототипом заявляемого изобретения является способ выявления межвитковых замыканий, описанный в патенте на полезную модель «Устройство для диагностики межвитковых замыканий в обмотках трехфазного трансформатора» (RU 205505, дата опубликования 19.07.2021; МПК G01R 31/62) и подробно описанный в (Белов А.В., Ильин Ю.П., Скородумова Н.В. Устройство для диагностики межвитковых замыканий в обмотках трехфазного трансформатора. - Журнал Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, №1, 2022, с. 18-21). Способ основан на измерении фазных токов трансформатора на холостом ходу. Первое измерение производят до начала эксплуатации на заведомо исправном трансформаторе. Измерение производят с помощью измерительных трансформаторов тока. Сигналы, полученные с измерительных трансформаторов тока, обрабатывают. Обработка заключается в том, что сигналы переменного тока выпрямляют с помощью двухполупериодного трехфазного выпрямителя и полученные сигналы постоянного тока суммируют, получая сигнал, пропорциональный сумме абсолютных значений фазных токов трансформатора в режиме холостого хода. Полученное значение запоминают. Предполагается, что эта сумма фазных токов, измеренных в режиме холостого хода, в исправном трансформаторе является практически постоянной величиной. Затем, в ходе эксплуатации трансформатора, периодически повторяют измерение. Если в какой-то момент в обмотках трансформатора произойдет межвитковое замыкание, то сумма абсолютных значений фазных токов увеличится. Сумму абсолютных значений фазных токов сравнивают с ранее полученной при первом измерении. О наличии межвитковых замыканий в обмотках трансформатора можно судить по величине превышения суммы абсолютных значений фазных токов, измеренных в процессе эксплуатации, по сравнению со значением, полученным при первом измерении.The prototype of the claimed invention is a method for detecting interturn short circuits, described in the utility model patent "Device for diagnosing interturn short circuits in the windings of a three-phase transformer" (RU 205505, publication date 07/19/2021; IPC G01R 31/62) and described in detail in (Belov A. V., Ilyin Yu.P., Skorodumova N.V. A device for diagnosing interturn short circuits in the windings of a three-phase transformer. - Journal of Electrical equipment: operation and repair, No. 1, 2022, pp. 18-21). The method is based on measuring the phase currents of the transformer at no load. The first measurement is made before the start of operation on a known-good transformer. The measurement is made using measuring current transformers. The signals received from measuring current transformers are processed. The processing consists in the fact that the AC signals are rectified using a full-wave three-phase rectifier and the received DC signals are summed, obtaining a signal proportional to the sum of the absolute values of the phase currents of the transformer in idle mode. The resulting value is stored. It is assumed that this sum of phase currents, measured in the idle mode, in a serviceable transformer is practically a constant value. Then, during the operation of the transformer, the measurement is periodically repeated. If at some point an interturn short circuit occurs in the transformer windings, then the sum of the absolute values of the phase currents will increase. The sum of the absolute values of the phase currents is compared with that previously obtained during the first measurement. The presence of interturn short circuits in the transformer windings can be judged by the excess of the sum of the absolute values of the phase currents measured during operation, compared with the value obtained during the first measurement.

Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность к наличию межвитковых замыканий.The disadvantage of the prototype is the lack of sensitivity to the presence of interturn circuits.

Повысить чувствительность возможно, используя в качестве индикатора межвитковых замыканий токи обратной последовательности.It is possible to increase the sensitivity by using negative sequence currents as an indicator of interturn short circuits.

Токи обратной последовательности отсутствуют в симметричной трехфазной системе и появляются только тогда, когда возникает несимметрия фазных токов. Поскольку несимметрию фазных токов трансформатора вызывают межвитковые замыкания, то токи обратной последовательности являются наиболее чувствительным индикатором межвитковых замыканий в обмотках трехфазного трансформатора. Поэтому учет токов обратной последовательности обеспечивает наибольшую чувствительность к наличию межвитковых замыканий.Negative sequence currents are absent in a symmetrical three-phase system and appear only when there is an unbalance in the phase currents. Since the unbalance of the phase currents of the transformer is caused by turn-to-turn faults, the negative sequence currents are the most sensitive indicator of turn-to-turn faults in the windings of a three-phase transformer. Therefore, taking into account negative sequence currents provides the greatest sensitivity to the presence of interturn short circuits.

Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности к наличию замыканий в обмотках силового трехфазного трансформатора путем учета токов обратной последовательности.The purpose of the present invention is to increase the sensitivity to the presence of short circuits in the windings of a power three-phase transformer by taking into account negative sequence currents.

Указанная цель достигается тем, что способ выявления межвитковых замыканий в обмотках трехфазных потребительских трансформаторов, заключающийся в том, что измеряют фазные токи трансформатора в режиме холостого хода с использованием измерительных трансформаторов тока, первое измерение производят перед началом эксплуатации на заведомо исправном трансформаторе, сигналы, поступающие на амперметры от измерительных трансформаторов тока, обрабатывают, а полученный результат запоминают, затем в ходе эксплуатации трехфазного трансформатора при плановом осмотре повторяют измерения фазных токов трансформатора при отключенной нагрузке и повторно обрабатывают сигналы; полученный результат сравнивают с результатом первого измерения, а о наличии межвитковых замыканий судят по величине разности между результатами измерений. В отличие от прототипа обработка сигналов, поступающих от измерительных трансформаторов тока, заключается в том, что после снятия сигналов с амперметров при первом измерении выбирают направление вектора тока одной из фаз, определяют углы между векторами фазных токов, рассчитывают значение вектора тока обратной последовательности для выбранной фазы, а о наличии межвитковых замыканий судят по абсолютному значению векторной разности между рассчитанными векторами токов обратной последовательности. Если значение векторной разности будет больше нуля, это будет свидетельствовать о наличии межвиткового замыкания. Способ осуществляется в следующей последовательности: Измеряют фазные токи трехфазного трансформатора в режиме холостого хода с использованием измерительных трансформаторов тока и амперметров, первое измерение производят перед началом эксплуатации на заведомо исправном трансформаторе, после снятия сигналов с амперметров при первом измерении выбирают направление вектора тока одной из фаз, определяют углы между векторами фазных токов. Определение углов может быть осуществимо путем совместного решения уравнений:

Figure 00000001
и
Figure 00000002
This goal is achieved by the fact that the method for detecting turn-to-turn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers, which consists in measuring the phase currents of the transformer in idle mode using measuring current transformers, the first measurement is made before starting operation on a known-good transformer, the signals arriving at ammeters from measuring current transformers are processed, and the result is stored, then during the operation of a three-phase transformer during a scheduled inspection, measurements of the phase currents of the transformer are repeated with the load disconnected and the signals are re-processed; the result obtained is compared with the result of the first measurement, and the presence of interturn short circuits is judged by the magnitude of the difference between the measurement results. Unlike the prototype, the processing of signals from measuring current transformers consists in the fact that after removing the signals from the ammeters during the first measurement, the direction of the current vector of one of the phases is selected, the angles between the vectors of the phase currents are determined, the value of the negative sequence current vector for the selected phase is calculated , and the presence of interturn short circuits is judged by the absolute value of the vector difference between the calculated negative sequence current vectors. If the value of the vector difference is greater than zero, this will indicate the presence of an interturn short circuit. The method is carried out in the following sequence: The phase currents of a three-phase transformer are measured in idle mode using measuring current transformers and ammeters, the first measurement is made before starting operation on a known-good transformer, after removing the signals from the ammeters during the first measurement, the direction of the current vector of one of the phases is selected, determine the angles between the phase current vectors. Determining the angles can be done by jointly solving the equations:
Figure 00000001
And
Figure 00000002

Рассчитывают значение вектора тока обратной последовательности для выбранной фазы, например, по формуле:

Figure 00000003
Полученный результат запоминают.Calculate the value of the negative sequence current vector for the selected phase, for example, using the formula:
Figure 00000003
The result is remembered.

Затем, в ходе эксплуатации трехфазного трансформатора при плановом осмотре повторяют измерения фазных токов трансформатора при отключенной нагрузке и повторно аналогично обрабатывают сигналы. Полученный результат сравнивают с результатом первого измерения, а о наличии межвитковых замыканий судят по абсолютному значению векторной разности между рассчитанными векторами токов обратной последовательности, которое можно определить по формуле

Figure 00000004
. Если значение векторной разности будет больше нуля, это будет свидетельствовать о наличии межвиткового замыкания.Then, during the operation of a three-phase transformer during a scheduled inspection, measurements of the phase currents of the transformer are repeated with the load disconnected and the signals are processed again in the same way. The result obtained is compared with the result of the first measurement, and the presence of interturn short circuits is judged by the absolute value of the vector difference between the calculated negative sequence current vectors, which can be determined by the formula
Figure 00000004
. If the value of the vector difference is greater than zero, this will indicate the presence of an interturn short circuit.

Заявляемый способ поясняется фигурами: фиг. 1 - Схема измерения фазных токов трехфазного трансформатора; фиг. 2 - Расположение векторов фазных токов на комплексной плоскости; фиг. 3 - Получение векторной разности

Figure 00000005
между векторами токов обратной последовательности фазы А после повреждения и до него.The proposed method is illustrated by the figures: Fig. 1 - Scheme for measuring the phase currents of a three-phase transformer; fig. 2 - Location of phase current vectors on the complex plane; fig. 3 - Obtaining a vector difference
Figure 00000005
between phase A negative sequence current vectors after and before the fault.

Пример осуществления способа: На фиг. 1 представлена схема подключения трехфазного трансформатора Т, имеющего, к примеру, схему соединения обмоток высшего напряжения «звезда с изолированной нейтралью» (возможны и другие схемы соединения обмоток высшего напряжения). В фазные проводники подключены измерительные трансформаторы тока ТА1, ТА2, ТА3, соединенные с амперметрами.An example of the implementation of the method: In Fig. 1 shows the connection diagram of a three-phase transformer T, which, for example, has a “star with isolated neutral” higher voltage winding connection scheme (other higher voltage winding connection schemes are possible). Measuring current transformers TA1, TA2, TA3 connected to ammeters are connected to the phase conductors.

Рассмотрим работу трансформатора в режиме холостого хода. В этом режиме по обмоткам высшего напряжения протекают токи холостого хода трансформатора. При этом, если векторы фазных напряжений в трехфазной системе имеют, как правило, одинаковую величину (модуль), и расположены на 120 градусов относительно друг друга, то векторы фазных токов могут иметь разные модули и располагаться друг от друга на углы, отличные от 120 градусов.Consider the operation of the transformer in idle mode. In this mode, no-load currents of the transformer flow through the higher voltage windings. In this case, if the phase voltage vectors in a three-phase system have, as a rule, the same value (module), and are located at 120 degrees relative to each other, then the phase current vectors can have different modules and be located at angles other than 120 degrees from each other .

Показания снимают с амперметров, они дают информацию об абсолютных значениях (модулях) фазных токов. Представим расположение векторов фазных токов

Figure 00000006
на комплексной плоскости некоторым образом, представленным на фиг. 2. Поскольку нейтраль трансформатора со стороны высшего напряжения (6-10 кВ) потребительского трансформатора изолирована, то, при условии прямой последовательности фазных токов (А-В-С), взаимное расположение векторов фазных токов имеет единственное решение.Readings are taken from ammeters, they provide information about the absolute values (modules) of phase currents. Imagine the location of the phase current vectors
Figure 00000006
on the complex plane in a manner shown in Fig. 2. Since the neutral of the transformer on the side of the higher voltage (6-10 kV) of the consumer transformer is isolated, then, under the condition of a direct sequence of phase currents (A-B-C), the relative position of the phase current vectors has a unique solution.

Модули векторов фазных токов обозначают как А, В, С. Тогда векторы токов в комплексном виде можно записать:Modules of phase current vectors are denoted as A, B, C. Then the current vectors in complex form can be written:

Figure 00000007
Figure 00000007

где ϕA, ϕB, ϕC - углы отклонения векторов токов

Figure 00000008
от действительной оси абсцисс на комплексной плоскости.where ϕ A , ϕ B , ϕ C - deviation angles of the current vectors
Figure 00000008
from the real x-axis in the complex plane.

Выбирают направление вектора тока, например, фазы А. Зададимся условием, что вектор тока фазы

Figure 00000009
совпадает с осью абсцисс (т.е. ϕA=0).The direction of the current vector is chosen, for example, phase A. Let us set the condition that the current vector of the phase
Figure 00000009
coincides with the abscissa axis (i.e. ϕ A =0).

Тогда

Figure 00000010
Then
Figure 00000010

Угол между осью абсцисс и вектором

Figure 00000011
составляет ϕB, а угол между осью абсцисс и вектором
Figure 00000012
составляет ϕC.Angle between x-axis and vector
Figure 00000011
is ϕ B , and the angle between the x-axis and the vector
Figure 00000012
is ϕ C .

Поскольку трансформатор со стороны высшего напряжения (6-10 кВ) имеет изолированную нейтраль, то векторная сумма фазных токов должна быть равна нулю (в соответствии с законом Кирхгофа), т.е.Since the transformer on the higher voltage side (6-10 kV) has an isolated neutral, the vector sum of the phase currents must be equal to zero (in accordance with the Kirchhoff law), i.e.

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
- фазные токи, направление векторов которых зависит от переменных углов ϕB и ϕC.Where
Figure 00000014
- phase currents, the direction of the vectors of which depends on the variable angles ϕ B and ϕ C .

Кроме того, из того же закона следует, что векторная сумма двух любых токов равна третьему току, взятому с обратным знаком. Другими словами, сумма проекций векторов

Figure 00000015
на действительную ось (ось абсцисс) дадут в сумме величину вектора
Figure 00000016
взятого со знаком «минус».In addition, it follows from the same law that the vector sum of any two currents is equal to the third current, taken with the opposite sign. In other words, the sum of the projections of the vectors
Figure 00000015
on the real axis (abscissa) will sum up the value of the vector
Figure 00000016
taken with a minus sign.

Проекции векторов

Figure 00000017
на ось абсцисс рассчитывают, перемножив модули векторов на косинусы углов и ψB и ψC по выражениям:Vector projections
Figure 00000017
on the x-axis is calculated by multiplying the modules of the vectors by the cosines of the angles and ψ B and ψ C according to the expressions:

Figure 00000018
Figure 00000018

и далее, учитывая, что ψBB - 180° и ψC=180°-ϕC, записывают второе уравнение для нахождения фазных углов:and further, considering that ψ BB - 180° and ψ C =180°-ϕ C , write the second equation to find the phase angles:

В⋅cos(ϕB - 180°)+С ⋅ cos(180° - ϕC)=А (3)В⋅cos(ϕ B - 180°)+С ⋅ cos(180° - ϕ C )=А (3)

Решают совместно уравнения (2) и (3), получают значения углов ϕB и ϕC Equations (2) and (3) are jointly solved, the angles ϕ B and ϕ C are obtained

Затем векторы токов

Figure 00000019
определяют в соответствии с выражениями (1).Then the current vectors
Figure 00000019
determined in accordance with expressions (1).

Токи прямой и обратной последовательностей для фазы А (а при необходимости и для других фаз) находят по известным формулам теории симметричных составляющих:The positive and negative sequence currents for phase A (and, if necessary, for other phases) are found according to the well-known formulas of the theory of symmetrical components:

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

где а - поворотный вектор, применяемый для разворота других векторов на 120 градусов:

Figure 00000022
where a is the rotation vector used to rotate other vectors by 120 degrees:
Figure 00000022

Значение тока обратной последовательности в режиме холостого хода сохраняется примерно постоянным до тех пор, пока трансформатор исправен, для трансформаторов одной мощности и одной конструкции эти значения практически одинаковы. Абсолютные значения (модули) токов обратной последовательности, в соответствии с теорией симметричных составляющих, одинаковы для всех фаз, и отличаются только направлением (находятся под углом 120 градусов друг от друга). Поэтому не имеет значения, для какой из фаз будет рассчитан ток обратной последовательности - важно только, чтобы расчеты производились для одной и той же фазы при последующих измерениях.The value of the negative sequence current in idle mode remains approximately constant as long as the transformer is in good condition; for transformers of the same power and the same design, these values are almost the same. The absolute values (modules) of negative sequence currents, in accordance with the theory of symmetrical components, are the same for all phases, and differ only in direction (they are at an angle of 120 degrees from each other). Therefore, it does not matter for which of the phases the negative sequence current is calculated - it is only important that the calculations are made for the same phase during subsequent measurements.

Способ был осуществим следующим образом:The method was implemented as follows:

Испытания проводились в лабораторных условиях, был выбран трехфазный трансформатор ТС 2,5 кВА. Первое измерение производим на заведомо исправном трансформаторе, до начала эксплуатации, измеряем фазные токи трехфазного трансформатора в режиме холостого хода с использованием измерительных трансформаторов тока и амперметров.The tests were carried out in laboratory conditions, a three-phase transformer TS 2.5 kVA was chosen. The first measurement is made on a known-good transformer, before the start of operation, we measure the phase currents of a three-phase transformer in idle mode using measuring current transformers and ammeters.

Для расчета можно использовать любую компьютерную программу, для примера представлен расчет в программе MathCad, все заданные значения используются со знаком присвоить, необходимо указать мнимую единицу,

Figure 00000023
поворотный вектор
Figure 00000024
сигналы, снятые с амперметров каждой фазы трехфазного трансформатора составили A:=125, В:=99, С:=125 (единицы измерения условно опускаем). Выберем направление вектора тока фазы А. Пусть вектор тока фазы
Figure 00000025
совпадает с осью абсцисс (т.е. ϕA=0).For the calculation, you can use any computer program, for example, the calculation in the MathCad program is presented, all given values \u200b\u200bare used with a sign to assign, you must specify the imaginary unit,
Figure 00000023
turning vector
Figure 00000024
the signals taken from the ammeters of each phase of the three-phase transformer were A:=125, V:=99, C:=125 (we conditionally omit the units of measurement). Let us choose the direction of the phase A current vector. Let the phase current vector
Figure 00000025
coincides with the abscissa axis (i.e. ϕ A =0).

Выразим векторы токов каждой фазы по модулю и углу по формуле (1). Запишем векторы тока в комплексном виде:

Figure 00000026
Введем служебное слово Given присвоим приближенное значение начальных углов ϕB:=- 2 и ϕC:=2; Решим совместно уравнения
Figure 00000027
В ⋅ cos(ϕB - 180°)+С ⋅ cos(180° - ϕC)=А, используя символ логическогоравенства, знак жирное равно (=); Напишем функцию
Figure 00000028
перечислив неизвестные переменные в качестве параметров функции. В результате расчетов получаем необходимые углы между векторами фазных токов ϕB=-1,967, ϕC=2,331, значения углов получены в радианах. Тогда векторы токов каждой из фаз в комплексном выражении будут равны:We express the current vectors of each phase in absolute value and angle according to the formula (1). We write the current vectors in a complex form:
Figure 00000026
Let's introduce the official word Given and assign the approximate value of the initial angles ϕ B :=- 2 and ϕ C :=2; Let's solve the equations together
Figure 00000027
B ⋅ cos(ϕ B - 180°)+C ⋅ cos(180° - ϕ C )=A, using the symbol of logical equality, bold equal sign (=); Let's write a function
Figure 00000028
by listing unknown variables as function parameters. As a result of calculations, we obtain the required angles between the phase current vectors ϕ B =-1.967, ϕ C =2.331, the angle values are obtained in radians. Then the current vectors of each of the phases in the complex expression will be equal to:

Figure 00000029
Figure 00000029

(индекс j обозначает мнимую единицу). Затем рассчитываем значение вектора тока обратной последовательности для выбранной фазы. Подставляем найденные значения векторов токов в формулу

Figure 00000030
находим ток обратной последовательности. Например, ток обратной последовательности для фазы А в комплексном алгебраическом выражении будет составлять:
Figure 00000031
или в абсолютном значении
Figure 00000032
Найденное значение вектора тока обратной последовательности необходимо запомнить. Если в ходе эксплуатации трехфазного трансформатора при плановом осмотре произошло замыкание витков в обмотке фазы С, повторяем измерения фазных токов трансформатора в режиме холостого хода. При, очередном измерении токов холостого хода, модули сигналов, снятых с амперметров, оказались равными: А=160; В=19 и С=174 (данные эксперимента). Видно, что при возникновении межвиткового замыкания фазные токи, измеренные таким же образом в режиме холостого хода, изменяются. Изменяются углы между векторами фазных токов: ϕB=-1,633; ϕC=2,671.(the index j denotes the imaginary unit). Then we calculate the negative sequence current vector value for the selected phase. We substitute the found values of the current vectors into the formula
Figure 00000030
find the negative sequence current. For example, the negative sequence current for phase A in a complex algebraic expression would be:
Figure 00000031
or in absolute terms
Figure 00000032
The found value of the negative sequence current vector must be remembered. If during the operation of a three-phase transformer during a scheduled inspection, the turns in the winding of phase C are short-circuited, we repeat the measurements of the phase currents of the transformer in the idle mode. At the next measurement of no-load currents, the modules of the signals taken from the ammeters turned out to be equal: A \u003d 160; B=19 and C=174 (experimental data). It can be seen that when an interturn fault occurs, the phase currents, measured in the same way in the idle mode, change. The angles between the phase current vectors change: ϕ B =-1.633; φ C =2.671.

Аналогично рассчитываем вектор тока обратной последовательности для той же фазы, Расчет тока обратной последовательности для фазы А (при межвитковом замыкании в фазе С) в комплексном алгебраическом выражении дал следующий результат:

Figure 00000033
Similarly, we calculate the negative sequence current vector for the same phase. The calculation of the negative sequence current for phase A (with an interturn short circuit in phase C) in a complex algebraic expression gave the following result:
Figure 00000033

При этом обнаруживается векторная разность между полученным после виткового замыкания в фазе С вектором тока обратной последовательности фазы А и таким же вектором тока, полученным до повреждения при первом измерении и ранее запомнившим.In this case, a vector difference is detected between the current vector of the negative sequence of phase A obtained after the turn circuit in phase C and the same current vector obtained before the fault in the first measurement and previously stored.

Figure 00000034
Figure 00000034

На фиг. 3 изображена разность между векторами токов обратной последовательности фазы А до и после повреждения, которые можно получить и графически.In FIG. 3 shows the difference between the phase A negative sequence current vectors before and after the fault, which can also be obtained graphically.

О наличии межвиткового замыкания судим по абсолютному значению векторной разности между вектором тока обратной последовательности фазы А при поврежденной обмотке и таким же вектором тока фазы А, полученным до повреждения:

Figure 00000035
The presence of an interturn short circuit is judged by the absolute value of the vector difference between the negative sequence current vector of phase A with a damaged winding and the same current vector of phase A obtained before the damage:
Figure 00000035

При этом по величине

Figure 00000036
можно судить не только о факте межвиткового замыкания, но и о величине повреждения.At the same time, in terms of size
Figure 00000036
it is possible to judge not only the fact of the interturn circuit, but also the magnitude of the damage.

Сравним предлагаемый способ со способом, взятым в качестве прототипа по чувствительности к межвитковым замыканиям.Let's compare the proposed method with the method taken as a prototype in terms of sensitivity to interturn short circuits.

Как известно, в основе прототипа лежит сравнение суммы абсолютных значений фазных токов (т.е. показаний амперметров) до и после межвиткового замыкания, измеренных в режиме холостого хода трансформатора.As you know, the basis of the prototype is a comparison of the sum of the absolute values of the phase currents (ie, ammeter readings) before and after the turn-to-turn circuit, measured in the idle mode of the transformer.

Суммируем абсолютные значения фазных токов при первом измерении:We sum up the absolute values of the phase currents during the first measurement:

Figure 00000037
Figure 00000037

При очередном измерении токов холостого хода (в процессе эксплуатации при межвитковом замыкании в обмотке фазы С), сумма модулей фазных токов составила:During the next measurement of no-load currents (during operation with an interturn circuit in the winding of phase C), the sum of the modules of phase currents was:

Figure 00000038
Figure 00000038

Сумма фазных токов, измеренных в режиме холостого хода, увеличивается, хотя какой-то отдельный фазный ток может даже уменьшиться.The sum of the phase currents measured in no-load mode increases, although some individual phase current may even decrease.

Оценим чувствительность способа в данном случае, приняв коэффициент чувствительности как отношение суммы модулей сигналов. Он составляет:Let us evaluate the sensitivity of the method in this case, taking the sensitivity coefficient as the ratio of the sum of the signal modules. It is:

Figure 00000039
Figure 00000039

Теперь рассмотрим предлагаемый способ, используя те же показания амперметров.Now consider the proposed method, using the same ammeter readings.

Итак, при первом измерении получены следующие значения фазных токов: А=125; В=99 и С=126. Так при первом измерении запомненный вектор тока обратной последовательности составил:

Figure 00000040
или в абсолютном значении
Figure 00000041
So, during the first measurement, the following values of phase currents were obtained: A=125; B=99 and C=126. So, during the first measurement, the stored negative sequence current vector was:
Figure 00000040
or in absolute terms
Figure 00000041

В процессе эксплуатации при очередном измерении (при межвитковом замыкании в обмотке фазы С) рассчитанный вектор тока обратной последовательности составил:During operation during the next measurement (with an interturn short circuit in the winding of phase C), the calculated negative sequence current vector was:

Figure 00000042
Figure 00000042

Абсолютное значение разности токов обратной последовательности составило:The absolute value of the negative sequence current difference was:

Figure 00000043
Figure 00000043

Коэффициент чувствительности способа определим как отношение абсолютного значения разности токов обратной последовательности, рассчитанному в процессе эксплуатации к абсолютному значению тока обратной последовательности, рассчитанному при первом измерении, то:The sensitivity coefficient of the method is defined as the ratio of the absolute value of the negative sequence current difference, calculated during operation, to the absolute value of the negative sequence current, calculated during the first measurement, then:

Figure 00000044
Figure 00000044

что в 1,9 раза превышает коэффициент чувствительности выявления межвитковых замыканий по прототипу (коэффициент K).which is 1.9 times higher than the sensitivity factor for detecting interturn short circuits according to the prototype (factor K).

Приведенный расчет доказывает, что предлагаемый способ по сравнению с прототипом при любом методе расчета обеспечивает больший коэффициент чувствительности к межвитковым замыканиям.The above calculation proves that the proposed method in comparison with the prototype for any method of calculation provides a greater sensitivity factor to interturn short circuits.

Способ предполагает периодическое повторение измерений в ходе эксплуатации трансформатора.The method involves periodic repetition of measurements during the operation of the transformer.

Перед прототипом данный способ имеет следующие преимущества:This method has the following advantages over the prototype:

1. повышение чувствительности к наличию замыканий в обмотках силового трехфазного трансформатора путем учетов токов обратной последовательности;1. increasing sensitivity to the presence of short circuits in the windings of a power three-phase transformer by taking into account negative sequence currents;

2. способ хорошо сочетается с цифровыми технологиями диагностики, поскольку при его реализации не используются никакие механические устройства, кроме трансформаторов тока.2. The method is well combined with digital diagnostic technologies, since no mechanical devices are used in its implementation, except for current transformers.

Технический результат, достигаемый в результате применения заявляемого способа, заключается в повышении чувствительности к наличию замыканий в обмотках силового трехфазного трансформатора.The technical result achieved as a result of applying the proposed method is to increase the sensitivity to the presence of short circuits in the windings of a power three-phase transformer.

Claims (1)

Способ выявления межвитковых замыканий в обмотках трехфазных потребительских трансформаторов, заключающийся в том, что измеряют фазные токи трансформатора в режиме холостого хода с использованием измерительных трансформаторов тока, первое измерение производят перед началом эксплуатации на заведомо исправном трансформаторе, сигналы, поступающие на амперметры от измерительных трансформаторов тока, обрабатывают, а полученный результат запоминают, затем в ходе эксплуатации трехфазного трансформатора при плановом осмотре повторяют измерения фазных токов трансформатора при отключенной нагрузке и повторно обрабатывают сигналы; полученный результат сравнивают с результатом первого измерения, а о наличии межвитковых замыканий судят по величине разности между результатами измерений, отличающийся тем, что обработка сигналов, поступающих от измерительных трансформаторов тока, заключается в том, что после снятия сигналов с амперметров при первом измерении выбирают направление вектора тока одной из фаз, определяют углы между векторами фазных токов, рассчитывают значение вектора тока обратной последовательности для выбранной фазы, а о наличии межвитковых замыканий судят по абсолютному значению векторной разности между рассчитанными векторами токов обратной последовательности, которое при наличии межвиткового замыкания будет больше нуля.A method for detecting turn-to-turn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers, which consists in measuring the phase currents of the transformer in idle mode using measuring current transformers, the first measurement is made before starting operation on a known-good transformer, the signals coming to the ammeters from measuring current transformers, process, and the result is stored, then during the operation of a three-phase transformer during a scheduled inspection, repeat the measurements of the phase currents of the transformer with the load off and re-process the signals; the result obtained is compared with the result of the first measurement, and the presence of turn-to-turn short circuits is judged by the magnitude of the difference between the measurement results, which differs in that the processing of signals from measuring current transformers consists in the fact that after removing the signals from the ammeters during the first measurement, the direction of the vector is chosen current of one of the phases, determine the angles between the vectors of the phase currents, calculate the value of the negative sequence current vector for the selected phase, and the presence of interturn short circuits is judged by the absolute value of the vector difference between the calculated negative sequence current vectors, which in the presence of an interturn short circuit will be greater than zero.
RU2022117572A 2022-06-28 Method for detecting interturn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers RU2794204C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794204C1 true RU2794204C1 (en) 2023-04-12

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5514978A (en) * 1995-03-20 1996-05-07 General Electric Company Stator turn fault detector for AC motor
WO2005064759A1 (en) * 2003-12-31 2005-07-14 Abb Ab Method and device fo rfault detection in transformers or power lines
RU2482587C2 (en) * 2008-10-02 2013-05-20 Сименс Акциенгезелльшафт Method and protective device for generation of error signal that indicates winding fault in transformer
RU2645811C1 (en) * 2016-12-06 2018-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for identification of winding short circuits in windings of three-phase transformers
RU205505U1 (en) * 2021-03-29 2021-07-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ) DEVICE FOR DIAGNOSTICS OF INTER-CIRCULAR FAULTS IN WINDINGS OF A THREE-PHASE TRANSFORMER

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5514978A (en) * 1995-03-20 1996-05-07 General Electric Company Stator turn fault detector for AC motor
WO2005064759A1 (en) * 2003-12-31 2005-07-14 Abb Ab Method and device fo rfault detection in transformers or power lines
RU2482587C2 (en) * 2008-10-02 2013-05-20 Сименс Акциенгезелльшафт Method and protective device for generation of error signal that indicates winding fault in transformer
RU2645811C1 (en) * 2016-12-06 2018-02-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" Method for identification of winding short circuits in windings of three-phase transformers
RU205505U1 (en) * 2021-03-29 2021-07-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный аграрный университет" (ФГБОУ ВО Южно-Уральский ГАУ) DEVICE FOR DIAGNOSTICS OF INTER-CIRCULAR FAULTS IN WINDINGS OF A THREE-PHASE TRANSFORMER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5270640A (en) Method for incipient failure detection in electric machines
Sottile et al. An on-line method to detect incipient failure of turn insulation in random-wound motors
Lee et al. A robust, on-line turn-fault detection technique for induction machines based on monitoring the sequence component impedance matrix
Zhang et al. A novel online stator ground-wall insulation monitoring scheme for inverter-fed AC motors
US7042229B2 (en) System and method for on line monitoring of insulation condition for DC machines
Bhide et al. Analysis of winding inter-turn fault in transformer: A review and transformer models
Sottile et al. Condition monitoring of stator windings in induction motors. II. Experimental investigation of voltage mismatch detectors
EP2728367A1 (en) A method for detecting a fault condition in an electrical machine
Kim et al. Model-based fault diagnosis of induction motors using non-stationary signal segmentation
Mostafaei et al. Turn‐to‐turn fault monitoring methods in electrical power transformers—State of the art
Yagami et al. Turn-to-turn insulation failure diagnosis of stator winding of low voltage induction motor with the aid of support vector machine
WO2014015357A1 (en) A method of determining a characteristic of a power transformer and a system therefor
Samanta et al. KNN based fault diagnosis system for induction motor
Sottile et al. Experimental investigation of on-line methods for incipient fault detection [in induction motors]
Wolkiewicz et al. On-line neural network-based stator fault diagnosis system of the converter-fed induction motor drive
Afrandideh et al. Detection of turn-to-turn faults in the stator and rotor of synchronous machines during startup
Laadjal et al. A novel indicator-based online diagnostics technique of interturn short-circuit faults in synchronous reluctance machines
CN109342877A (en) A kind of the winding interturn short-circuit fault detection means and method of fractional-slot concentratred winding magneto
Wolkiewicz et al. Incipient stator fault detector based on neural networks end symmetrical components analysis for induction motor drives
Ushakov et al. Diagnostics of High-Voltage Equipment by Defectography Methods
RU2794204C1 (en) Method for detecting interturn short circuits in the windings of three-phase consumer transformers
CN112798990A (en) 10kV bus voltage transformer secondary circuit wiring checking method
Pandarakone et al. Online slight inter-turn short-circuit fault diagnosis using the distortion ratio of load current in a low-voltage induction motor
Ushakov et al. Traditional Electrical Diagnostic Methods
Kowalski et al. Stator faults diagnosis of the converter-fed induction motor using symmetrical components and neural networks