Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкция, повреждения и защиты трансформаторов 10
1.1 Конструктивные особенности 10
1.2 Аварийные и анормальные режимы работы 18
1.3 Этапы развития математического моделирования виткового замыкания 22
1.4 Традиционные защиты от виткового замыкания 26
1.5 Защиты на магнитных трансформаторах 32
1.6 Выводы 38
2. Развитие теории математического моделирования токов при витковом замыкании в однофазных трансформаторах 39
2.1 Моделирование токов виткового замыкания в однофазном трансформаторе 39
2.2 Моделирование токов виткового замыкания в главном трансформаторе составного однофазного трансформатора 46
2.3 Моделирование токов виткового замыкания в вольтодобавочном трансформаторе составного однофазного трансформатора 56
2.4 Моделирование токов виткового замыкания в группе однофазных трансформаторов с соединением обмоток «звезда - звезда» 60
2.5 Моделирование токов виткового замыкания в группе однофазных трансформаторов с соединением обмоток «звезда - треугольник».. 66
2.6 Выводы 70
3. Развитие теории математического моделирования магнитных полей рассеяния однофазного трансформатора 71
3.1 Моделирование магнитного поля в рассеяния витка с током на прямоугольном стержне сердечнике трансформатора 71
3.2 Моделирование магнитного поля рассеяния обмоток с током на прямоугольном стержне сердечника трансформатора 76
3.3 Моделирование магнитного поля рассеяния витка с током на круглом стержне сердечника трансформатора 82
3.4 Моделирование магнитного поля рассеяния обмоток с током на круглом стержне сердечника трансформатора 86
3.5 Моделирование магнитного поля в рассеяния трансформатора между стержнями сердечника 3.6 Влияние на поле рассеяния стенки бака трансформатора 96
3.7 Выводы 97
4. Развитие основ построения защит однофазных трансформаторов на встроенных магнитных трансформаторах 98
4.1 Параметры встроенных магнитных трансформаторов 98
4.2 Реле защит 108
4.3 Защита однофазного трансформатора на двух магнитных
4.4 Защита однофазного трансформатора на одном магнитном трансформаторе 120
4.5 Особенности защиты составного трансформатора 127
4.6 Выводы 134
Заключение 136
Список используемых источников
- Этапы развития математического моделирования виткового замыкания
- Моделирование токов виткового замыкания в группе однофазных трансформаторов с соединением обмоток «звезда - звезда»
- Моделирование магнитного поля рассеяния обмоток с током на прямоугольном стержне сердечника трансформатора
- Защита однофазного трансформатора на двух магнитных
Введение к работе
Актуальность работы. Как известно трехфазные трансформаторы в сравнении с группой однофазных трансформаторов при одинаковой передаваемой мощности имеют значительно меньшую стоимость. Однако однофазный трансформатор этой группы в сравнении с трехфазным имеет значительно меньший вес и габариты. Поэтому группу однофазных трансформаторов используют там, где транспортировка, перемещение и установка трехфазных трансформаторов сопряжена со значительными трудностями. Именно эти обстоятельства и определили их область использования в виде мощных трансформаторов связи в энергосистемах и печных трансформаторов на ферросплавном производстве и в металлургии.
Из мировой практики эксплуатации однофазных трансформаторов
известно, что на витковые замыкания (ВЗ) в них приходится до 25-45% от всех
повреждений трансформатора в зависимости от мощности и условий
эксплуатации, а затраты на их ремонт сопоставимы со стоимостью самих
трансформаторов. При этом традиционно используемые защиты
трансформатора обладают низкой чувствительностью к ВЗ. Поэтому, в большинстве случаев после ВЗ трансформатор отключают только тогда, когда размеры повреждения достигнут той величины, при которой поврежденный трансформатор будет отключен максимальной токовой, дифференциальной или газовой защитой. В свою очередь газовая защита обладает большим временем срабатывания при замыкании малого числа витков. Кроме того, ее невозможно использовать для защиты «сухих» трансформаторов. В результате размеры повреждения обмотки увеличиваются с нескольких витков до 15-50% обмотки. Иногда трансформатор полностью выходит из строя.
Более чувствительны к ВЗ защиты на встраиваемых индукционных преобразователях, которые в релейной защите называют магнитными трансформаторами (МТ). Значительный вклад в разработку защит на МТ внесли Засыпкин А.С., Гаген А.Ф., Шабад М.А., Новожилов А.Н., Чечушков Г.А. и Пястолов А.А. Однако часть этих защит имеют зону нечувствительности в середине обмотки, другие предназначены для защиты трехфазных трансформаторов, а крепление и эксплуатация МТ остальных, как правило, сопряжены со значительными техническими трудностями.
Таким образом, развитие теории построения защит однофазных трансформаторов от ВЗ на МТ, которое позволит разрабатывать высокочувствительные защиты трансформаторов без зоны нечувствительности является актуальным.
Объектом исследования являются защиты от ВЗ мощных однофазных трансформаторов связи в энергосистемах и печных трансформаторов на ферросплавном производстве и в металлургии.
Предметом исследования является развитие теории построения защит однофазных трансформаторов от ВЗ на МТ.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами. Работа выполнена в соответствии с научным направлениям рабочей группы В4 «Релейная защита и автоматика» Международной конференции по большим энергетическим системам (СИГРЭ), с научной темой «Замена традиционных трансформаторов тока и напряжения новыми датчиками тока и напряжения, а также влияние их на проектирование подстанций».
Целью работы является развитие теории построения защит однофазных трансформаторов от ВЗ на МТ, которые позволят разрабатывать защиты однофазных трансформаторов с высокой чувствительностью, которые не имеют зон нечувствительности, просты в изготовлении и эксплуатации.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
-выявлены достоинства и недостатки в теории построения известных устройств защиты трехфазных и однофазных трансформаторов от ВЗ на МТ;
-предложены новые методы моделирования и экспериментальной проверки токов при ВЗ в эксплуатационных режимах работы простых и составных однофазных трансформаторов, а также в группах однофазных трансформаторов с различными схемами их соединения;
-разработаны новые методы моделирования магнитных полей рассеяния обмоток однофазных трансформаторов с прямоугольными и круглыми стержнями при ВЗ в эксплуатационных режимах работы;
- разработаны новые типы МТ и методы расчета их параметров;
-на основе новых методов моделирования токов в обмотках и их магнитных полей рассеяния разработан целый ряд способов защиты однофазного трансформатора от ВЗ на МТ, которые позволяют конструировать простые и высокочувствительные устройства защиты от ВЗ без зоны нечувствительности.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в
диссертационной работе широко применялись методы математического
моделирования с использованием методов решения линейных уравнений в
комплексном виде, а также экспериментальные исследования. При
моделировании токов в различных режимах работы однофазного
трансформатора и его полей рассеяния использовались программы разработанные в Turbo-basic и Dеlphi, а также система схемотехнического моделирования Electronics Workbench.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций сформулированных в работе подтверждается корректным
использованием фундаментальных положений теоретических основ
математики и электротехники, электрических машин и теории релейной защиты, а также методов математического моделирования токов и магнитных полей в электрических машинах, натурного эксперимента.
Научная новизна работы заключается в том, что разработаны:
-математические модели однофазного трансформатора для
моделирования токов при ВЗ в эксплуатационных режимах однофазного
простого и составного трансформатора, в группе однофазных трансформаторов с различными схемами соединений, а также обоснован новый метод экспериментальной проверки токов в трансформаторах при ВЗ без повреждения изоляции;
-методы математического моделирования магнитных полей рассеяния первичной и вторичной обмоток, а также короткозамкнутых витков однофазного трансформатора с прямоугольным и круглым сердечниками при отсутствии масляного бака, в промежутке между обмотками и стенкой масляного бака, между стержнями сердечника;
-теоретические основы построения защит от ВЗ в однофазных простых и составных трансформаторах на МТ, где приведены конструкции МТ, методы расчета их параметров и погрешностей измерения, предложены способы защиты однофазных трансформаторов от ВЗ на этих МТ, а также предложены математические выражения для определения параметров срабатывания устройств защит на МТ.
Практическая значимость работы заключается в том, что
разработанные:
-математические модели однофазного трансформатора позволяют с достаточной для релейной защиты точностью осуществлять моделирование токов в первичной и вторичной обмотках однофазного простого и составного трансформатора, а также в группах однофазных трансформаторов с различными схемами соединений при ВЗ во всех эксплуатационных режимах. Для моделирования токов в обмотках однофазных трансформаторов на ЭВМ разработан комплект из 11 программ;
-методы математического моделирования магнитных полей рассеяния первичной и вторичной обмоток однофазного трансформатора при ВЗ во всех эксплуатационных режимах позволяют с достаточной для релейной защиты точностью рассчитывать величины этих полей в трансформаторах с прямоугольным и круглым сердечниками при отсутствии масляного бака в промежутке между обмотками и стенкой бака, между стержнями сердечника. Для моделирования магнитных полей рассеяния на ЭВМ разработан комплект из 21 программы;
-теоретические основы построения защит от ВЗ позволяют
конструировать МТ с заданными характеристиками, определять их место размещения, параметры и погрешности измерения, оценивать эффективность МТ и рекомендовать меры по снижению погрешности измерения, а также рассчитывать порог срабатывания защит и определять ее чувствительность.
На защиту выносится:
-новые математические модели однофазных простого и составного трансформаторов, позволяющие рассчитывать токи в их обмотках при ВЗ в эксплуатационных режимах работы с различными схемами соединения группы однофазных трансформаторов;
-новые методы математического моделирования магнитных полей рассеяния первичной и вторичной обмоток однофазного трансформатора с
прямоугольным и круглым сердечниками при ВЗ во всех эксплуатационных режимах при отсутствии масляного бака в промежутке между обмотками и стенкой бака, между стержнями сердечника;
-теоретические основы построения защит от ВЗ, которые позволяют конструировать МТ с заданными характеристиками, определять их параметры и погрешности измерения, оценивать эффективность и выбирать методы по снижению погрешности измерения, а также рассчитывать порог срабатывания защит и определять их чувствительность;
-результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Реализация результатов работы. Произведены производственные испытания устройств защиты от ВЗ на однофазном трансформаторе ТТ-6 и печном трансформаторе ЭОЦНК 16000/10-К по патенту РФ №2422965 и патентам РК № 25737 и №27097. Получен акт приема в опытную эксплуатацию устройства защиты печного трансформатора от ВЗ по патентам РК № 25737 и №27097.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на двух международных конференциях в г.Павлодар в 2005 и
2012г, на заседании кафедры «Электроэнергетика» Павлодарского
государственного университета им. С.Торайгырова, и на заседании Ученого совета ОмГТУ в г.Омск в 2014г.
Личный вклад. Определение задач исследования, выбор способов их решения, экспериментальные и теоретические исследования, полученные научные результаты и выводы принадлежат автору.
Публикации. Содержание работы нашло отражение в 20 печатных работ, в том числе в ж. Электричество - 2, в ж. Электротехника - 3, в журналах рекомендованных ВАК РФ и РК – 6, имеется один патент РФ и пять патентов РК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 151 страницах машинописного текста. Содержит 63 рисунков, девять таблиц, список использованных источников из 70 наименований и два приложения, относящиеся к практической реализации и внедрению результатов работы.
Этапы развития математического моделирования виткового замыкания
Стержни магнитопровода из холоднокатаной анизотропной стали стягивают бандажами из стеклоленты или стальной ленты, а иногда с помощью деревянных или пластмассовых планок и стержней. В магнитопроводах из горячекатаной стали стержни стягивают стальными шпильками, изолированными относительно стержней трубками из изоляционного материала. Такой способ опрессовки при использовании холоднокатаной стали недопустим, так как в этом случае магнитные силовые линии огибают отверстия, пробитые в стальных листах для шпилек, и отклоняются от направления проката стали.
Поперечное сечение стержней может быть прямоугольным или круглым, таким как на рисунке 1.1,в. Сечение ярм приведено на рисунке 1.1,г. Их выполняют на 25% больше сечения стержней. Это уменьшает индукцию в стали ярма и потери мощности в ней. Ярма стягивают с помощью деревянных или стальных опорных балок, бандажей из стеклоленты или стальной ленты или посредством шпилек.
Магнитопровод вместе с опорными балками и другими прессующими деталями образует остов трансформатора. При работе силовых трансформаторов магнитопровод и другие стальные части находятся в сильном электрическом поле, вследствие чего они могут приобрести электрический заряд. Поэтому остов заземляют с помощью медных лент.
Обычно трансформаторы проектируют так, чтобы на каждом из стержней магнитопровода размещались одинаковые катушки, по обмоткам которых протекали одинаковые токи. Каждая катушка имеет первичную, а также одну или насколько вторичных обмоток. На стержне эти обмотки располагают концентрически - одну поверх другой. В силовых трансформаторах для электроэнергетических систем ближе к стержню располагают обмотку низкого напряжения. Она требует меньшую относительно остова трансформатора изоляцию. В трансформаторах для руднотермического производства наоборот. Это вызвано спецификой изготовления и размещения вторичных обмоток. Первичной и вторичной называют те обмотки, которые подключают к сети и нагрузке.
Обмотки трансформаторов изготовляют из медных или алюминиевых проводов [6,7]. При использовании алюминия поперечное сечение провода увеличивают примерно на 70%. В связи с этим габариты и масса трансформаторов возрастает. Обычно обмотки изготавливаются из провода прямоугольного сечения. Иногда для этого используют несколько параллельных проводов. Вторичные обмотки печных трансформаторов для руднотермического производства выполняются из шины большого сечения.
Обмотки трансформаторов напряжением до 35 кВ выполняют цилиндрическими и многослойными. Для обмоток используют провод прямоугольного сечения. Его наматывают на жесткий бумажно-бакелитовый цилиндр. При этом каждый слой, в зависимости от мощности трансформатора, образуется из одного или нескольких параллельных проводов. Витки всех слоев соединяют последовательно; изоляцией между слоями служит кабельная бумага. Иногда используются многослойные чередующиеся катушечные обмотки. Такая обмотка состоит из ряда многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Обычно их выполняют из провода небольшого сечения. Между катушками оставляют каналы для охлаждения.
В трансформаторах при напряжениях 220 кВ и выше в качестве обмоток высокого напряжения часто применяют непрерывные спиральные катушечные обмотки. Такая обмотка наматывается без разрывов из нескольких параллельных проводов. Она представляет собой целый ряд, соединенных последовательно между собой, плоских дисковых катушек.
Конструкция трансформатора для электроэнергетических систем в значительной мере определяется способом его охлаждения. Обычно для отвода тепла от обмоток и магнитопровода применяют воздушное и жидкостное охлаждение.
В сухих трансформаторах магнитопровод, обмотки и другие части трансформатора охлаждаются окружающим воздухом. В трансформаторах с жидкостным охлаждением магнитопровод с обмотками погружают в бак с трансформаторным маслом или другим негорючим жидким диэлектриком. Эти жидкости обладает более высокой теплопроводностью, чем воздух, и хорошо отводит теплоту через к стенки бака и радиатор. Иногда теплоотдача с поверхности радиаторов форсируется путем обдува их вентиляторами.
Объем масла в трансформаторе зависит от режима работы, то есть от температуры его нагрева. Так как объем бака трансформатора постоянен, то его избыток масла при нагреве вытесняется в бак-расширитель, соединенный трубой с внутренней полостью основного бака.
Для вывода наружу концов обмоток в трансформаторах с жидкостным охлаждением используют проходные фарфоровые изоляторы. Их размещают на крышке или на стенке бака. Проходной изолятор вместе с центральным стержнем и крепежными деталями называют вводом.
Изменение нагрузки в цепи вторичной обмотки трансформатора приводит к отклонению ее напряжения от номинала. Его корректирование осуществляется путем изменения коэффициента трансформации. Для этого первичную обмотку выполняют с ответвлениями. Регулировка напряжения производится путем переключения этих ответвлений с помощью специального устройства. Она может производится при отключенном трансформаторе и под нагрузкой. В первом случае переключающее устройство просто и дешево. Но работа с ним приводит к перерывам в электроснабжении. Регулировка напряжения под нагрузкой осуществляется с помощью переключателя и токоограничивающего реактора [6,7].
Моделирование токов виткового замыкания в группе однофазных трансформаторов с соединением обмоток «звезда - звезда»
Анализ этих результатов показывает, что математическую модель при замыкании wк / wi =0,00595 части первичной обмотки или wк / w 2 =0,0101 части витков вторичной обмотки можно считать адекватной, так как погрешность моделирования токов в обмотках трансформатора превышает 5-10%. Это дает основание считать, что такой подход к построению математических моделей трансформатора вполне удовлетворяет нужды его релейной защиты. С учетом этого при замыкании wк в первичной обмотке она будет содержать wi = (\1ф - wк ) , а вторичная - \2ф витков. Схема этого ВЗ приведена на рисунке 2.2,а.
Схема для моделирования ВЗ в первичной обмотке ТТ-6 (а) и результаты моделирования токов в его обмотках (б)
Для моделирования токов в обмотках однофазного трансформатора можно использовать математические выражения системы уравнений (2.1). В этом случае активные и реактивные сопротивления в (2.21) определяются следующим образом.
Активные сопротивления считаются пропорциональными количеству витков в обмотке. Поэтому
На точность моделирования токов при ВЗ значительно влияет точность определения сопротивления дуги. Оно зависит от ряда факторов в виде тока замыкания, длины дуги, давления и так далее. Если [26] по схеме на рисунке 2.2 ,а дуга горит в цепи из активного R к+R и реактивного Хк сопротивлений, а также источника напряжения Ек , то где 1д - минимальное расстояние между точками короткого замыкания, как правило, оно равно двойной толщине изоляции проводника; Zb Z2 и Z0 -сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности, определяемые из соответствующей эквивалентной схемы поврежденных обмоток; Z - сопротивление между замкнутыми витками и остальной частью поврежденной обмотки при ВЗ. В [26] сопротивление дуги Яд определялось при рассмотрении КЗ в трехфазных трансформаторах, но с некоторой правкой может использоваться и при ВЗ в однофазных трансформаторах. Существуют и другие методы оценки влияния дуги на величину и форму аварийного тока. Как, например, это осуществлено в [27]. В [18] при ВЗ в асинхронных двигателях его рекомендуют принимать равным 0,13-0,15 Ом.
Результаты математического моделирования ВЗ в первичной обмотке на экспериментальном трансформаторе при Кд =0,13 Ом приведены на рисунке
Сопоставление рисунков 2.1,б и 2.2,б показывает, что при малом числе wк токи в первичной и вторичной обмотках на них практически одинаковы. Различие токов в замкнувшихся витках незначительно и вызвано в основном за счет изменения взаимных индуктивных сопротивлений.
При ВЗ во вторичной обмотке трансформатора с числом витков w 2 = (w 2ф _Wк ) его первичная обмотка содержит wj = \1ф витков. Схема такого замыкания приведена на рисунке 2.3,а.
Результаты математического моделирования ВЗ во вторичной обмотке на экспериментальном трансформаторе при сопротивлении дуги Кд = 0,13 Ом приведены на рисунке 2.3,б. Сопоставление рисунков 2.1,б и 2.3,б показывает, что при малом числе wк токи в первичной и вторичной обмотках на них практически одинаковы. Как при ВЗ в первичной обмотке различие токов в замкнувшихся витках на этих рисунках незначительно и вызвано за счет изменения взаимных индуктивных сопротивлений.
Таким образом, во время экспериментальных исследованиях токов в обмотках при малом числе wк нет необходимости делать выводы из обмоток для имитации ВЗ. Для этого достаточно использовать дополнительную обмотку, что позволит получить значения токов с точностью не превышающей 5-7%.
Моделирование токов виткового замыкания в главном трансформаторе составного однофазного трансформатора Одним из основных элементов электроснабжения являются однофазные составные трансформаторы. С целью повышения эффективности работы и сокращения потерь в них используют два трансформатора. Так, например, новые трансформаторы типа ЭОЦНК 16000/10-К имеют главный трансформатор TV типа ЭОТЦ 9500/10 и вольтодобавочный TV2 ЭОЦ 1 63000/10, соединяемые по схеме, которая приведена на рисунке 2.4.
Моделирование режимов работы составных однофазных трансформаторов при ВЗ в главном трансформаторе [44] осуществляется при допущении того, что между трансформаторами разных фаз отсутствует магнитная связь, а шины питающей сети имеют бесконечную мощность. Кроме того, сложные обмотки трансформаторов заменяются на более простые следующим образом: 1. Одинаковые последовательно соединенные обмотки высокого напряжения главного трансформатора с числом витков wвгl и w вг2 заменяются одной обмоткой с числом витков w10 = wвгl + wвг2 ; 2. Высоковольтные регулирующие обмотки главного трансформатора с числом витков wврl и wвр2 заменяются обмоткой w 2o = wвpl имеющей NCQ отводов, у которой индуктивное сопротивление равно сопротивлению обмотки wврi, а активное - вдвое меньше; 3. Обмотки низкого напряжения главного трансформатора с числом витков w нг1 и w нг2 заменяются обмоткой с числом витков W3=w нг1, у которой индуктивное сопротивление равно сопротивлению обмотки с числом витков w нг1, а активное - вдвое меньше;
Моделирование магнитного поля рассеяния обмоток с током на прямоугольном стержне сердечника трансформатора
Значительное влияние на распределение магнитных полей рассеяния проводников обмоток трансформатора оказывает ферромагнитный сердечник и стенки масляного бака. В «сухих» трансформаторах моделирование значительно упрощается, так как они масляного бака у них нет.
Моделирование поля рассеяния обмоток однофазного трансформатора с прямоугольными стержнями сердечника осуществляется в декартовой системе координат, расположение трансформатора в которой и обозначение размеров его элементов приведено на рисунке 3.1. С учетом этой системы и [37,38,48] составляющие токов и магнитных полей вдоль осей Х , Y и z часто называют тангенциальной, аксиальной и радиальной. В основе моделирования магнитного поля рассеяния обмоток лежит метод моделирование поля рассеяния одного витка с током.
Из анализа конструкции однофазного трансформатора ясно, что МТ удобнее всего размещать непосредственно на трансформаторе в пространстве между элементами его конструкции и баком на расстоянии от токоведущих частей, которое соответствует нормам ПУЭ и ТУ. Расположение МТ в этой зоне позволяет обеспечить надежное их крепление и защиту от механических и электрических повреждений, а также неизменность положения МТ по отношению к обмоткам трансформатора при монтаже и эксплуатации трансформатора.
Как показали многочисленные эксперименты и предварительные расчеты, наибольшей информативностью и величиной сигнала при ВЗ в указанном пространстве обладает аксиальная составляющая магнитного поля рассеяния обмоток трансформатора. Поэтому только эта составляющая магнитного поля рассеяния обмоток трансформатора будет рассматриваться в дальнейшем.
Следует добавить, что величина магнитных полей рассеяния измеряется в тесла. Что очень неудобно при разработке и анализе защит на МТ. Поэтому для удобства оценки величины аксиальной составляющей магнитного поля рассеяния в дальнейшем будет использоваться ЭДС МТ, пропорциональная этому полю. При этом величина ЭДС МТ определяется как Емт=Вукмт , (3.1) где кмт = 27ifсwмта хаz - коэффициент МТ; fс - частота сети; ах и a z -размеры МТ по осям X и Z; wмт - число витков МТ.
Параметры МТ, используемых для этих целей приведены в таблице 3.1. Основные методы моделирования полей рассеяния трансформаторов в баке и без него рассмотрены в [48]. Однако эти методы, как правило, сложны и для поставленной задачи неприемлемы. С учетом этого, а также формы сечения стержня сердечника и обмотки на нем распределение аксиальной составляющей магнитных потоков рассеяния обмоток трансформатора предлагается определять следующим образом.
Аксиальная составляющая магнитного поля рассеяния обмоток однофазного трансформатора является суммой этой составляющей всех витков обмоток трансформатора. С учетом того, что витки обмоток отличаются только размерами и местом расположения, моделирование аксиальной составляющей магнитного поля рассеяния обмоток однофазного трансформатора будет базироваться на моделировании магнитного поля одного витка заданными размерами и местом расположения на стержне сердечника.
Размеры элементов однофазного трансформатора ТТ-6, который использовался для экспериментальной проверки результатов моделирования, приведены в таблице 3.1. Тогда при прямоугольном сечении стержня и обмоток трансформатора для моделирования аксиальной составляющей магнитного поля рассеяния витка с током t однофазного трансформатора в области z b 2x с учетом [49 74 52] можно воспользоваться расчетной моделью, которая изображена на рисунке Параметры экспериментального трансформатора ТТ- Геометрические размеры трансформатора ТТ-6 Величина
Оценка достоверности математической модели по определению аксиальной составляющей индукции магнитного поля рассеяния от дополнительной обмотки осуществлялось путем сопоставления результатов эксперимента и моделирования поля одного витка дополнительной обмотки с током 1к=26 А трансформатора ТТ-6. Витку дополнительной обмотки соответствуют длина проводника 1Х=Ь2Х, а также координаты х0=0м , уо = 0,005м и z0 = b 2z / 2-0,008 м . Уменьшение z0 на 0,008 вызвано изгибом проводника дополнительной обмотки. Аксиальная составляющая индукции магнитного поля рассеяния измерялась при координатах у = а z / 2
При моделировании не учитывалось также магнитное поле рассеяния от тангенциальной составляющей тока в витке дополнительной обмотки. Поэтому при координате х = 0 от тока левого по рисунку 3.1 стержня, где аксиальная составляющая этого поля равна нулю, различие между результатами расчета и эксперимента не превышает 10%.
Между стержнями и у правого стержня магнитное поле рассеяния от тангенциальной составляющей тока в витке дополнительной обмотки не равно нулю. Поэтому погрешность моделирования возрастает. Так между стержнями она составляет порядка 20%. А у правого стержня погрешность моделирования она больше. Однако это обстоятельство незначительно сказывается на точности моделирования аксиальной составляющей магнитного поля рассеяния обмоток однофазного трансформатора, так общее магнитное поле формируется токами в витках левого и правого стержней. Следует добавить, что увеличение расстояния между трансформатором и измерительной катушкой приводит к значительному уменьшению этих погрешностей.
При моделировании аксиальная составляющая магнитного поля рассеяния трансформатора в эксплуатационных режимах работы представляется в виде суммы полей первичной и вторичной обмоток с комплексами тока І1 и j на его левом и правом стержнях. Моделирование аксиальной составляющей магнитного поля рассеяния первичной и вторичной обмоток на левом стержне сводится к моделированию распределения магнитного поля каждого из их витков и их суммированию. Для упрощения каждая из этих обмоток представляется в виде однослойной обмотки с числом витков в слое w p и токами в них 1р1 и 1„2 соответственно. В результате у первичной и вторичной обмоток токи
Защита однофазного трансформатора на двух магнитных
Как известно [1,4] в трехфазных трансформаторах на одинаковую передаваемую мощность приходится меньший вес и стоимость чем у группы однофазных трансформаторов. Несмотря на это, последние довольно широко используют из-за возможности перемещения группы трансформаторов группы раздельно. Это вызвано тем, что однофазный трансформатор этой группы значительно меньше и легче трехфазного. Именно это обстоятельство и определило их область использования в виде мощных трансформаторов связи на электрических станциях и в энергосистемах, а также печных трансформаторов на ферросплавном производстве и металлургии.
Междуфазные замыкания в группе однофазных замыканий могут возникнуть только при одновременном замыкании на землю двух фаз низковольтных или высоковольтных обмоток. Однако вероятность возникновения такой ситуации крайне низка. В тоже время на ВЗ этих обмотках приходится до 25-45% от всех повреждений трансформаторов. При этом затраты на их ремонт сопоставимы со стоимость самих трансформаторов [8,13,14].
Традиционно для защиты трансформаторов от замыканий в обмотках используют максимальные токовые защиты, токовые отсечки и дифференциальные защиты [8,13,14]. Однако все они обладают низкой чувствительностью к ВЗ. Поэтому, после возникновения ВЗ трансформатор отключают только тогда, когда размеры повреждения обмотки достигнут той величины, при которой трансформатор отключается одной из этих защит или газовой защитой [1,4]. В результате размеры повреждения увеличиваются с нескольких витков до 15-50% обмотки. Иногда трансформатор полностью выходит из строя.
Более чувствительны к ВЗ защиты на МТ [3,35-37] различной конструкции. Все они имеют по два преобразователя на один стержень трансформатора и «мертвую зону» вблизи середины обмотки.
В данной работе выявлять ВЗ в обмотках однофазного трансформатора предлагается с помощью двух одинаковых МТ, которые выполняются в виде многовитковых катушек. Взаимное расположение обмоток трансформатора и МТ показано на рисунке 4.10. Из него видно, что датчики защиты и обмотки должны располагаться симметрично относительно продольной плоскости симметрии Q трансформатора на уровне середины его стержней [63].
В однофазном трансформаторе с целью унификации на каждом из стержней магнитопровода размещается абсолютно одинаковые элементы первичной и вторичной обмоток. В процессе сборки путем последовательного или параллельного их соединения коммутируется первичная и вторичная обмотки. Поэтому в любом эксплуатационном режиме работы трансформатора токи в этих элементах обмоток равны, а и их магнитные поля рассеяния одинаковы. В связи с этим при показанном на рисунке 4.10 размещении обмоток трансформатора и МТ ЭДС Емт1 и Емт2 в этих МТ будут равны по величине. То есть Емт1 = Емт2 . Однако из-за неточности изготовления и установки катушек трансформатора и МТ Емт1 Емт2 , а их разность Емт1 - Емт2 будет равна ЭДС небаланса Енб .
При возникновении ВЗ, например, в обмотке высокого напряжения на левом стержне как показано на рисунке 4.10 ток в замкнувшихся витках wк будет значительно больше его до аварийного значения. В результате поля рассеяния обмоток левого и правого стержней будут отличаться, а ЭДС Е мт1 Ф Е мт2 .
Эффективность этого способа защиты на примере однофазного трансформатора ТТ-6 подтверждается зависимостями Емт1 (х) и Емт2 (х) на рисунке 4.11, где они показаны линиями 1 и 2. При этом на рисунке 4.11,а они приведены для режима номинальной нагрузки, а на рисунке 4.11,б - при замыкании трех витков в обмотке высокого напряжения на левом стержне сердечника в этом же режиме. Из анализа этих зависимостей становится ясно, что устройство защиты от ВЗ по этому способу, в отличие от [35-37] не будет иметь зоны нечувствительности и обладает высокой чувствительностью.
Выбор места расположения МТ и их конструкция определены их конструкционными особенностями трансформатора. То есть расстоянием между обмотками и стенкой масляного бака трансформатора, наличием и расположением различных элементов конструкции трансформатора в этом баке, а также типом реагирующего органа защиты. При этом должна обеспечиваться наибольшую чувствительность устройства защиты трансформатора и ее независимость от места расположения поврежденных витков в обмотках.
Размер катушек МТ значительно меньше размеров обмоток трансформатора, а потому их размещение в пространстве между элементами конструкции трансформатора и его баком не представляет сложности. Варианты места их расположения и вида крепления зависят от размеров элементов трансформатора и МТ, конструкции обмоток трансформатора и соблюдения норм безопасной эксплуатации. Проще всего крепить датчики непосредственно к элементам конструкции трансформатора. При этом МТ должен располагается так, чтобы он измерял составляющую поля рассеяния обмоток трансформатора, направленную вдоль оси Y. Это вызвано тем, что в области вероятного расположения МТ она значительно больше тех составляющих, которые направлены вдоль осей Х и Z. В этом случае при одинаковой отдаваемой мощности МТ будет иметь меньшие размеры.
В качестве МТ для защиты могут использоваться катушки от промежуточных реле, технические данные которых приведены в таблице 4.1.
Точность установки МТ при их монтаже можно проверить путем подключения трансформатора к источнику пониженного напряжения в режиме короткого замыкания. При этом контроль напряжения на МТ осуществляется помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением. При точной установке преобразователей ЭДС МТ1 Емт1 должна равняться ЭДС МТ2 Емт2 . С помощью такой проверки легко экспериментальным путем оценить величины небалансов от различных токоведущих элементов трансформатора и принять меры по их уменьшению.