变压器热保护设计.doc
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1、课 题: 变压器热保护设计 专 业: 学 号: 姓 名:指导教师:设计日期:成 绩:word文档 可自由复制编辑目录一、设计目的2二、设计要求3三、实现过程43.1变压器运行温度概述43.2变压器测温方法介绍43.3变压器绕组的热源和散热分析53.4变压器绕组的热源53.5变压器绕组的散热分析63.6求解的微分方程和边界条件63.7监测量的选取83.8电力变压器热保护系统设计方案93.9变压器热保护系统的组成及其工作原理93.10提高变压器热保护装置可靠性的措施113.11变压器热保护系统的算法123.12电力变压器热保护系统硬件实现研究163.13单线数据温度传感器173.14终端采集器电路
2、设计20四、总结26五、附录27六、参考文献29一、 设计目的自动化仪表与过程控制课程设计是电气工程专业一项重要的实践性教育环节,是学生在校期间必须接受的一项工程训练。以期通过该课程设计加强学生如下能力的培养:1、提高学生对所学自动化仪表和过程控制的原理、结构、特性的认识和理解,加深对所学知识的巩固和融会贯通。2、针对一个小型课题的设计开发,培养学生查阅参考书籍资料的自学能力,通过独立思考,学会分析问题的方法。3、综合运用专业及基础知识,解决实际工程技术问题的能力。4、培养学生严谨的工作作风,相互合作的团队精神,提高其综合素质,获得初级工程应用经验,为将来从事专业工作建立基础。变压器是整个电力
3、系统的发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一,其运行的安全性和可靠性直接影响整个电力系统的运行链完整性、关系到变电企业,广大用户利益和人民群众的生活。电力变压器的故障,不仅会造成供电系统意外停电而导致电力企业经济效益减少,且可能造成用户的重大经济损失和抱怨,因此这些设备的可靠性及运行状况直接决定整个系统的稳定和安全,也决定了电力企业的经济效益及供电质量和可靠性。电力变压器状态监测及故障诊断为电力系统的安全稳定运行提供了依据。电力变压器的内部故障主要有过热性故障、放电性故障及绝缘受潮等。统计表明在全部故障中过热性故障占63;高能放电性故障占181;过热兼高能放电性故障占10;火花放电占7;
4、受潮或局部放电占19,因此研究变压器的过热故障具有很大实用价值。二、设计要求1、查阅资料,深入掌握过程的工作原理及控制要求,绘制出生产过程工艺流程图。2、设计控制方案。(1) 根据对象特性及控制要求,完成控制变量的选择、控制结构选择、控制仪表选择等方案设计。(2) 绘制完整的系统工艺流程图,按工程要求标注所有仪表和变量。3、采用MATLAB/Simulink工具,完成系统仿真,验证以下内容:(1) 系统跟踪能力、抗干扰能力的仿真。(2) 控制器参数整定过程。4、节流装置和调节阀的计算。根据工艺数据和有关计算方法进行计算,分别列出仪表数据表中调节阀及节流装置计算数据表与结果。5、设计控制程序:反
5、馈控制可采用PID控制,前馈控制可采用比例控制,被控过程可采用一阶惯性环节。6、整个工程设计工作基本完成后,要对所有设计文件进行整理,并编制设计文件目录。并对设计思想、方案确定、仿真过程及结果分析,组态设计等作出说明;对所完成的设计作出评价,对自己整个设计工作中的经验教训进行总结。三、实现过程1、系统概述3.1变压器运行温度概述变压器是一种按电磁感应原理工作的电气设备,变压器的两个相互绝缘着的绕组,绕在一个铁芯上,通过电磁耦合达到改变电压,输送电能的目的。变压器在运行中由于存在着铜损和铁损,因此运行中的变压器不可避免的存在着发热问题。为了监视变压器的温度,变压器都设有温度指示仪表,目前变压器温
6、度计指示的是变压器顶层油温,一般不得超过95,运行中的监视油温定为85。运行中的变压器在环境温度为40时,其温升不得超过55(温升是指变压器的顶层油温减去环境温度1,顶层油温如果超过了95,其内部绕组的温度就要超过绕作绝缘物的顶层油温界限,长期过负荷运行时要适当降低监视温度,具体数值由试验确定。顶层油温一般油温规定值见表211一般变压器的主绝缘(绕组的绝缘)是A级绝缘(纸绝缘),最高使用温度为105。C,一般绕组温度比油面温度高10一15。我国变压器的温升标准,均以环境温度40为准,同时确定平均温度为15,故变压器顶层油温不得超过95,温度过高,绝缘老化严重,绝缘油劣化快,影响使用寿命,变压器
7、的各部分温升极限值见表223.2变压器测温方法介绍目前常用的温度监测方法主要有以下几种。(1)感温电缆式测温:将感温电缆与被测元件平行安放,当电缆温度超过固定温度值时,感温电缆被短路。(2)热敏电阻式测温:利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度。可以根据电阻变化值来显示温度值。(3)热电偶式测温:根据热电效应原理,将两个成分不同的导体连接在一起,由温度差产生电动势来测量温度。(4)数字温度传感器测温:数字温度传感器是在20世纪80年代中期问世的。目前,数字温度传感器已成为集成温度传感器中最具活力和发展前途的一种新产品。数字温度传感器内部包含温度传感器、AD转换器、存储器(或寄
8、存器)和接口电路。下面对上述四种方法进行比较:感温电缆式测量方法,一方面造价高,另一方面系统仅能一次性使用,不能测出被测元件的实际温度值,同时电缆数量多,系统安装及维护工作不够方便,设备易损坏。热敏电阻式和热电偶测温方式,虽然已可以进行在线测量设备温度值,但每个元件都需要独立的接线,布线复杂且热敏电阻易损坏、维护量大,传感器不具各自检功能,需要经常校验,不适于总线布置。数字温度传感器,它不仅可实现温度测量的实时性,更由于它有较高的集成度,能将温度信号直接转换成串行数字信号,直接与数字控制设备接口,适合于总线布置,因此可以大大降低系统设计和布置的复杂性。它是当前温度传感器中最为先进的一种。因此,
9、本系统采用美国DALIAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DSl8820实现变压器温度信号的采集,进而实现变压器的温度监测。3.3变压器绕组的热源和散热分析电力变压器是输变电系统中的主要设备,而绕组温度直接决定其使用寿命。对于A级绝缘的变压器,温度每增加6,绝缘老化速度增加一倍,变压器工作寿命减少一半。随着电力事业的发展,大容量超高压变压器得到了迅速的发展和应用。为了保障变压器运行安全可靠,延长变压器的使用寿命,测量变压器绕组的温度己显得十分重要。本节对变压器绕组的热源和散热进行分析。3.4变压器绕组的热源变压器绕组的热源主要是绕组的电阻和绕组内部的涡流损耗,其表达式为: 3.1其中,I
10、、R、分别为变压器绕组的电流、电阻和涡流损耗。计算中,单位热源q=PV,P为测量得到的有功损耗;V为绕组体积。3.5变压器绕组的散热分析变压器绕组的散热主要是对流换热,包括箱壁外侧与外界空气的自然对流散热和油流与箱壁内侧和绕组的强制对流散热。对流散热主要取决于两者之间的温差、对流换热系数和换热而积。由于箱壁的几何形状比较规则,自然对流换热系数口采用均值对计算结果影响不大。a由下式得到: 3.2其中,日为箱壁高度;G为葛拉晓夫数;P为普朗特数;C和n为常数;为空气导热系数。由于受许多因素的影响,如油的物理特性、绕组的生热率和几何形状、各绕组的空间位置、边界条件和油的流动方式等,油流与绕组的强制对
11、流散热相对复杂一些,其中各绕组的空间位置决定了它们和油之间的相差很大,不能用均值近似。油的流动方式决定了换热的效果,可分为层流和湍流,两者流动状态和换热效果相差较大,须通过雷诺数R判断:R= 3.3其中,为流体密度:为流体流速;L为特征尺寸;为流体绝对粘度。当R2300时,流动方式为层流;超过时为湍流。由此可知,必须将变压器绕组温度场和绝缘油流场问题联立方可得到理想结果。3.6求解的微分方程和边界条件首先进行4点假设:1)稳态:当发热与散热达到热平衡时,绕组及油的温、速度分布不随时间变化;2)常数:油的物理特性,如动力粘度、密度、比热恒定不可压缩;3)绕组的发热是唯一热源,且单位时间单位体积发
12、热量为常数,传热系数均匀;4)外界空气温度恒定。油的流动和散热,其温度场和速度场受质量、动量和能量传递的共同支配,由下列方程组描述:a连续性方程 3.4bx方向的动量微分方程 3.5cy方向的动量微分方程 3.6d能量微分方程 3.7其中,u、为单位体积油x和y方向上的速度分量;c为油的比热;为绕组的导热系数;t为单元体积油的温度;P为单元体积油的压强;F、F只为单元体积油所受的x和y方向上力的分量;为流体绝对粘度。由温度场和流场联立迭代求解,边界条件由温度场边界条件: 3.8和流场边界条件: , ,u=0 3.9组成,其中为箱壁的导热系数;为空气与箱壁外侧之间的自然对流换热系数:为外界空气温
13、度;q为绕组的生热率。为油的入口初始速度;为出口的压强;、为静止壁面(包括箱壁内侧和绕组在与油接触的地方)表面的单元体积油x和y方向上的速度分量。求解过程是先将温度场和流场离散为若干单元上节点的自由度,再将a、b、c、d4式转化为相应的变分问题,引入上述边界条件后,采用交叉迭代法求解。首先假定流体的速度与绕组的温度序列,计算出箱壁外侧与外界空气的自然对流散热量和箱壁内侧、绕组与油流的强制对流散热量的总和(up总散热量1与总的生热量比较,若两者不等,则修正所设的流体速度与绕组的温度序列初值,重新计算总散热量,直到与总生热量相等。这时的温度和速度序ydlip为欲求的温度场和流场。3.7监测量的选取
14、故障诊断需要对监测到的数据进行分析,为了更加客观准确的使用在线监测数据,使分析诊断结果更加完整和接近实际情况,我们应该具备以下分析思想:1、与标准的对比:相应量同国际国内标准量的比较;与行业规范、规程的技术指标的比较;生产厂家的技术规范的比较;2、纵向对比:包括同一设备不同时期监测到的数据归算到同一条件下进行比较:同一设备的当前与历史数据比较;同一设备检修前后“指纹”比较;同一设备当前运行数据和与离线试验参数比较(中试结果);同一设备随时间推移、运行环境和气候变化的设备状态信的比较。若数据在时间上有一定的积累时,可有效地反映设备状态的变化趋势。3、横向对比:与同期出厂的同类型设备运行特性对比分
15、析。油浸式大型电力变压器是电力系统中的重要设备。对其运行温升状态的监测十分重要。要在变压器各部分温升达到其温升限之前发现变压器温度异常,就必须能预测出变压器运行时的正常温度。当实测温度与预测的正常温度的误差越来越大时,可认为变压器温度异常。根据实际数据和经验数据的分析比较发出三种形式的警报:预警(包括小修、中修、大修),报警和紧急控制。2、设计与分析3.8电力变压器热保护系统设计方案根据电力变压器热模型等效热路图,系统对所确定的测温点进行温度的在线监测。经DSl8B20采样得到的数字信号后经现场单片机作数据预处理,通过RS485232接口送给上位机并对各变压器的电流和温度监测值作进一步处理、储
16、存、显示。系统根据实际数据和经验数据的分析比较发出三种形式的警报:预警(包括小修、中修、大修),报警和紧急控制。由经验数据可知预警温度线为70,当温度在其附近波动(经验值为5),时间持续一周则发出小修命令,时问持续二周发出中修命令,时间持续三周发出大修命令;报警线为80,若温度超出该温度线10分钟内系统应发出报警命令;紧急控制线为85,那么当温度超出该线更短的时间内就由单片机要进行紧急控制,经验值为2s内。其中,预警和报警由上位机来实现,紧急控制由离现场较近处理速度较快的单片机来完成。本系统采用“分散一集中一再集中”结构,需要对现场数据进行统计、分析、制表、打印、绘图、报警等,同时,又要对现场
17、装置进行实时控制,完成各种规定操作,达到集中管理的目的。由于单片机具有体积小、价格低廉、可应用于恶劣工业环境的特点,系统采用单片机作为下位机进行数据采集和现场控制。在这些应用中,单片机是直接面向被控对象底层的,加之单片机的计算能力有限,难以进行复杂的数据处理,因此在功能比较复杂的控制系统中,对采集到的数据进行进一步分析和处理的工作是由功能强大的主控IPC机来完成的。通常以IPC机为上位机,单片机为下位机,二者之间有着大量的数据交换。本系统也将采用这种设计方案,由单片机完成数据的采集及对装置的控制,而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制。3.9变压器热保护系统的组成及其工作原理计算机保
18、护装置目前主要是以微处理器(或单片微处理器)为基础的数字电路构成的,所以通常又称为微机保护。它的核心是中央处理单元CPU及其数字逻辑电路和实时处理程序。微机保护一般包含硬、软件两部分,硬件包括从被保护元件取得信息的传感器、微机主控系统、出口回路、打印接口、通讯接口以及开关量输入部分等。软件包括监控程序、功能程序、打印程序等。以下就硬、软件系统各单元的结构及功能进行具体说明。3.9.1硬件部分硬件部分主要包括数据采集单元、微机主控单元、开关量(数字量)输入,输出单元、人机接口单元和通信接口单元。图22示出了硬件系统的总体框图。1.数据采集单元数据采集单元是将从被保护元件的电流互感器、电压互感器或
19、其它变换器上取得的二次模拟电量,变换成微机主控单元能够处理的数字量。本系统采用美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DSl8820实现变压器温度信号的采集,输出为数字信号无需AD转换电路。2.微机主控单元微机主控单元是微机保护装置的核心部分。当实时的采样数据经数据采集单元进入微机系统后,微机根据由给定的数学模型编制的计算、逻辑程序对采样数据作实时的计算分析、判断是否发生故障,故障的范围、性质,是否应该跳闸等,然后决定是否发出跳闸命令,是否给出相应信号,是否应打印结果等等。由微机主控单元所执行的上述功能,决定了一般采用EEPROM或EPROM来保存程序、整定值和常数,用RAM来存
20、放采样数据、实时计算处理的数据和结果。时钟电路为保护装置的实时显示和各种事件记录提供时间基准,它具有独立的振荡器及专用的充电电池,当保护装置掉电时,它依然能正常运行。键盘、显示器、串行口和打印机作为人一机信息交流的接口,用于操作人员控制和监测装置的工作状况。CPU是微机主控单元的核心,近年来单片机以其可靠性高、性能优越、体积小、价格低和工作温限宽等优点,成为各档次微机保护的理想中央处理单元。3. 人机接口单元人机接口单元主要是由打印机、作为上位机的PC机等组成,完成打印、整定值的设定、修改及显示、装置功能设置、状态显示和指令设置等人机交互任务。4. 动作执行单元微机保护装置发出的跳闸命令和中间
21、信号等经光电隔离器件带动中问继电器,最后由中间继电器的触点再带动交流接触器执行相应的功能。5. 通信接口单元近年来随着变电站综合自动化的逐步实现,对保护装置的通信要求越来越高。在综合自动化的分层系统中,微机保护装置除完成保护功能外,还要向站主机传送其动作信息、事件记录和故障报告等信息。PC机和单片机之间的通信选用串行总线RS485实现。本系统中,PC机作为主控机,多个单片机构成的终端检测部分作为从机。主机使用查询方式与多个从机通信,从机之间的数据交换则只能通过主机进行转发。整个通信模块的设计包括硬件设计和软件设计两部分:硬件部分的设计主要是主控机PC机的485通信接1:3电路及系统终端节点模块
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- 变压器 保护 设计